Введение

Конструкции из дерева относятся к классу легких строительных конструкций, применение которых в строительстве является одним из важных направлений на пути повышения эффективности и ускорения строительного производства.

Деревянные строительные конструкции являются надежными, легкими и долговечными. На основе клееных деревянных конструкций сооружаются здания с покрытиями как малых, так и больших пролетов. Из цельных лесоматериалов строятся небольшие жилые дома, общественные и производственные здания.

Достоинства древесины как материала конструкций - требуемая прочность при малой массе, достаточная долговечность, относительная простота добывания материала и технологичность изготовления конструкций, малые значения коэффициентов температурного расширения (вдоль волокон) и теплопроводности, стойкость в некоторых химически агрессивных средах.

Строительные конструкции обычно изготавливаются из хвойных пород древесины - сосны, ели, лиственницы, пихты, кедра. Эти породы характеризуются прямолинейностью, лучши­ми, чем у лиственных пород, механическими свойствами и большей стойкостью против гниения благодаря смолистости. Твердые лиственные породы (дуб, бук, граб и др.) применяют для изготовления мелких ответственных деталей - нагелей, шпонок, прокладок и др. Березу ис­пользуют в основном для изготовления строительной фанеры. Мягкие лиственные породы (ольха, осина, тополь и др.) применяют для вре­менных конструкций, вспомогательных сооружений и опалубки.

Большое значение имеет сохранность деревянных несущих конструкций. При хороших условиях эксплуатации они выполняют свое назначение в течение длительного срока – 100 – 150 лет. Вместе с тем в практике ремонтно-восстановительных работ наблюдаются случаи, когда при повреждении отдельных частей или элементов несущих конструкций без достаточных к тому оснований разбирают все покрытие или перекрытие. Этого можно избежать, применяя эффективные методы усиления конструкций и ряд других мероприятий, способствующих сохранности и долговечности деревянных конструкций в условиях эксплуатации.

К основным недостаткам можно отнести - низкую огнестойкость, способность к загниванию и поражению древоточцами (низкую биостойкость), сильную зависимость физико-механических свойств от температурно-влажностных условий эксплуатации и длительности нагрузок, значительную неоднородность.

Древесина – относительно легкий и прочный материал, особенно в направлении вдоль ее волокон, где действуют наибольшие усилия от внешних нагрузок. Плотность сухой сосновой и еловой древесины равна всего 500 кг/м³. Это позволяет возводить деревянные конструкции пролетом до 100м и более. Древесина - микропористый материал с хорошими теплоизоляционными и санитарно-гигиеническими свойствами. Это важно для стен и покрытий жилых малоэтажных домов.

Древесина надежно склеивается синтетическими водостойкими клеями. Благодаря этому изготавливаются клеедеревянные элементы крупных сечений, больших длин и разных форм. Из таких элементов изготавливаются конструкции больших пролетов. Из древесины склеивается водостойкая строительная фанера, из которой изготавливаются легкие клеефанерные конструкции.

Основным направлением развития конструкций из дерева в нашей стране является разработка, производство и применение новых клеедеревянных конструкций. Благодаря склеиванию должны использоваться пиломатериалы ограниченных размеров, сечений и длин, их сорта должны повышаться путем вырезки участков с пороками, с последующим стыкованием их зубчатыми шипами. Строгий лабораторный и технологический контроль должен обеспечивать высокое качество и надежность этих конструкций.

1 Исходные данные для проектирования

Место возведение здания – город Полоцк.

В качестве несущей конструкции покрытия принята металлодеревянная треугольная ферма пролётом L=21 м. Шаг ферм, а = 4,0 м. Характер режима здания теплый. Колонна – клееная армированная стойка. Высота до низа стропильной конструкции Н=6,8 м. Конструкция кровли представляет собой асбестоцементную панель. Высота треугольной металлодеревянной фермы в середине пролета равна:

h = 1/6 ∙ L = 1/6 ∙ 21 = 3,5 м.

Рисунок 1.1 – Схема здания

2 Конструирование и расчет настила

2.1 Расчет трехслойной панели

Плита длиной l =1,5 м и шириной b = 2м опирается на несущие элементы покрытия. На плиту нормальной к её поверхности действуют нагрузки от собственного веса и веса снега следующих величин.

Таблица 2.1 – Нормативная и расчетные нагрузки на 1м² плиты

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка	Коэффициент нагрузки	Расчётная нагрузка
Постоянная: собственный вес плиты нагрузка Утеплитель	0,350 0,047	1,1 1,2	0,385 0,056
ИТОГО: Временная (снеговая) нагрузка	=0,397 =1	1,6	q=0,441 P=1,6
Полная нагрузка на 1м2 покрытия	=1,397		q=2,041

Статическая схема плиты – однопролетная шарнирно опертая балка пролетом:

Рисунок 2.1 – Расчетная схема трехслойной плиты покрытия

Расчетные максимальные усилия в плите – изгибающий момент и поперечная сила:

Принимаем для обшивок плоские листы из асбестоцемента марки М-250 толщиной =1 см. Расчетное сопротивление растяжению f_u=4,2 МПа и модуль упругости Е=6250 МПа. Принимаем для среднего слоя пенополиуретан марки ППУ-60 с плотностью 60кг/м³, расчетное сопротивление скалыванию f_vd = 0,025 МПа и модулем сдвига G = 7 МПа.

Требуемая приближенная высота сечения из условия расчетного сопротивления пенополиуретана скалыванию определяется по формуле :

h_o= V_d/(δ∙f_vd);

h_o = 0,00147/(1∙0,025) =0,0588м = 5,88см.

Принимаем h_о = 8см, b =2м. Тогда полная высота сечения:

h= h_о+δ;

h=8+1=9см.

Толщина листа обшивки δ = 1см.

Определяем геометрические характеристики сечения плиты.

Момент инерции:

I=b∙∙h₀²/2;

I = 1∙ 0,01∙ 0,08²/2=0,000032 м⁴ .

Момент сопротивления:

W= b∙∙h₀;

W =1∙ 0, 01∙ 0,08 = 0,0008м³.

Статический момент:

S= b∙∙h₀/2;

S =1∙0,01∙0,08/2 = 0,0004 м³ .

Проверяем сжимающие и растягивающие усилия и напряжения в обшивке при изгибе по формуле:

 = M_d/W ≤ f_u/γ_n;

 = 0,000536/0,0008 = 2,55 МПа < f_u /γ_n = 4,2/0,95=4,42МПа.

Учет дополнительных напряжений от температурных деформаций не требуется ввиду большого недонапряжения обшивок.

Проверяем скалывающие напряжения в среднем слое:

 = V_d∙ S/(I∙b) ≤ f_vd/ γ_n;

 = 0,00147∙0,004/0,000032 = 0,018МПа < f_vd/ γ_n = 0,025/0,95=0,026МПа.

Проверим прогиб плиты. Коэффициент сдвиговой податливости среднего пенопластового слоя:

К=1+9,6∙Е∙I/(G∙(h₀-)∙b∙l_d²);

K=(1+9,6∙6250∙0,000032)/(7∙ (0,08-0,01) ∙1∙ 1,45²)=2,83.

Вычисляем прогиб от нормативной нагрузки:

u_q = (5/384) ∙F_k∙l_d⁴∙K/(E∙I);

u_q = (5/384) ∙0,001397∙ 1,45³/(6250∙0,000032)=0,00078≤1/225=0,044.

Это меньше предельного 1/225.

Следовательно, асбестоцементная плита имеет прогибы от нормативных нагрузок, не превосходящие допускаемых, и её несущая способность по отношению к расчётным нагрузкам имеет дополнительные запасы несущей способности.