Фермы и т д. Как правильно рассчитать и смонтировать фермы из профильной трубы своими руками? Принципы работы строительных ферм

Основные требования к конструкции

• Независимо от конкретного типа строительных материалов (дерево, наплавляемая кровля, металлочерепица, обычная черепица) перед началом отделочных работ должна быть возведена прочная строительная конструкция, основной задачей которой должно стать обеспечение устойчивости и надежности устраиваемой кровли.
• Качественное выполнение конструкции, основными частями которой являются стропильные и подстропильные фермы, является гарантией того, что она выдержит все оказываемые на нее постоянные и временные нагрузки.

Конструктивные особенности стропильных ферм

В определение “стропильная ферма” входит ряд конструктивных элементов: раскосов, стоек, обрешеток. Подобная жесткая конструкция в результате сборки будет обеспечивать скелет кровли.

Под этим определением подразумеваются жесткие конструкции, применяемые при устройстве скатных крыш.

Задачей ферм является передача общей нагрузки, которая оказывается на крышу, на стены здания. Материалом для изготовления ферм в основном служит дерево, но возможны также альтернативные варианты.

Основой для создания деревянных конструкций являются доски, лес-кругляк, брус.

Отдельные элементы соединяются методом врубки. В том случае, когда детали сделаны из досок, в ход идут болты, гвозди, зубчатые кольцевые шпонки.

При возведении больших по площади зданий, когда длина пролета оказывается больше 16 метров, при строительстве используются фермы с растянутыми стойками на основе металла.

В случае использования растянутых деревянных стоек надежное крепление узлов является достаточно сложной задачей, а при использовании металлических элементов сделать это легко.

Сборка деревянных ферм – процесс достаточно трудоемкий. При использовании ферм комбинированного типа (с деревянными и металлическими деталями) сделать это можно гораздо быстрее.

При возведении жилых зданий редко применяют вариант кровельной конструкции с открытыми фермами. В основном они закрываются при помощи потолочных перекрытий. В сфере строительства зданий промышленного назначения открытые фермы являются довольно популярным вариантом устройства кровли.

В качестве главных элементов могут использоваться также балки. Стропильные балки на основе железобетона являются подстропильными конструкциями, перекрывающими шаги колонн длиной 12, 18 метров. Подобные элементы при этом являются промежуточными опорами.

Виды стропильных ферм

Выбирая конструкцию и материал для создания кровельного скелета, необходимо учитывать, на основе какого материала построены стены. Опорами для несущих конструкций могут являться железобетонные, металлические колонны, кирпичные стены или подстропильные фермы.

Особенности ферм дают возможность их классификации в соответствии со следующими признаками:

• очертанием поясов;
• конструктивным оформлением;
• статической схемой;
• типом решетки.

Самым значимым критерием для разделения ферм на отдельные виды является очертание поясов. Оно определяется конструкцией кровли, размерами перекрываемого пролета, величиной оказываемой нагрузки. В основном выбор кровельного материала зависит от уклона верхнего пояса.

• С области промышленного строительства при устройстве кровель плоского типа используются стропильные фермы с параллельными поясами.
• В случае использования в качестве кровельного материала асбестоцементных или стальных листов устраивается трапециевидная разновидность несущих конструкций.
• В сфере гражданского строительства наиболее популярными являются остовы треугольной формы.
• При любой разновидности очертаний применяют разные системы решеток. При устройстве ферм с параллельными поясами или трапециевидной формы оптимальным вариантом является решетка треугольной формы, укрепленная посредством устройства дополнительных стоек.
• Помимо этого типа, широкое распространение получили разрезная балочная схема или решетки со шпренгелями.

По признаку конструктивного оформления фермы делятся на следующие виды:

• легкие, или одностенные – отличаются наличием одной фасонки в узлах;
• тяжелые, или двустенные – их особенностью является наличие в узлах двух фасонных листов.

При возведении зданий со значительной длиной пролета (сборочных цехов, ангаров) применяются тяжелые конструкции. В подобных строениях промышленного назначения скелет выполняет функции ригелей рамных систем.

В соответствии с материалом изготовления стропильные фермы бывают:

• деревянными;
• металлическими;
• смешанными (или комбинированными).

Выбор формы

Чтобы правильно выбрать форму конструкции, необходимо обращать внимание на следующие важные моменты:

• материал, используемый в качестве кровельного покрытия;
• величина угла уклона крыши;
• наличие перекрытий потолка;
• специфика конкретного типа соединения деталей стропильных ферм.

К примеру, в случае возведения кровли плоского типа, покрытием для которого служат рулонные битумные материалы, наилучшим вариантом стропильной фермы являются прямоугольная или трапециевидная конструкция.

При величине угла уклона более 12 градусов и в случае тяжелых покрытий оптимальным выбором являются фермы треугольной конфигурации.

Расчет высоты стропильной фермы проводится с использованием формулы, соответствующей выбранной форме конструкции:

• Для треугольного варианта : 1/5 х L. Латинской буквой обозначена длина пролета.
• Для прямоугольной конструкции : 1/6 х L.

При возведении частных жилых домов самой часто используемой является стропильная ферма треугольной конфигурации. Для устройства кровель с одним или двумя скатами с разными углами уклона применяются самые разные комбинации со стропилами наклонного типа, устраиваются деревянные или металлические стропильные фермы.

Устойчивость ферм повышается посредством устройства дополнительных связок для верхнего и нижнего поясов. Изготовление подобных связок осуществляется главным образом на основе досок.

В случае возведения кровли с двумя скатами рациональным выбором является разновидность фермы со стропилами висячего типа.

Самым главным моментом выбора стропильной конструкции является подбор строительного материала, который может обеспечить требуемую степень прочности, жесткости, надежности. Значение имеет и ценовая категория, к которой относится материал.

Деревянные фермы

Стропильные фермы на основе дерева являются наиболее популярным вариантом, который соответствует большинству предъявляемых к конструкции требований.

Их применяют в следующих случаях:

• при устройстве кровель мансардного типа;
• при возведении коммерческих, сельскохозяйственных, спортивных, промышленных объектов;
• во время восстановления плоских кровель сооружений разного назначения;

Основными достоинствами деревянных стропильных ферм по отношению к другим разновидностям таких конструкций являются:

• простота процесса производства и его автоматизированность;
• короткие сроки выполнения работ по проектированию;
• легкость осуществления монтажа (благодаря наличию готовых элементов конструкции);
• широкая перспектива реализации самых необычных дизайнерских решений в плане формы, конфигурации и т.д.;
• сравнительно небольшой вес;
• возможность применения в случае пролетов больших размеров (наибольшая длина может составлять 18 м);
• возможность утепления и простота его осуществления;
• отличные эксплуатационные качества и технологические характеристики;
• принадлежность к первой категории пожаробезопасности (материал проходит соответствующую обработку в заводских условиях);
• соответствие требованиям экологической безопасности.

В случае выбора конструкций на основе дерева необходимо обращать внимание на качественное проведение обработки материала антисептическими и антипиретическими составами, обеспечивающими защиту конструкции от разрушительного воздействия гнили, грибов, насекомых и от огня.

Специфика металлических стропильных ферм

Для обеспечения повышенной жесткости применяют стропильные системы на основе металла. Этот вариант максимально подходит при устройстве стропильных ферм значительной длины (более 10 м). В таких случаях из стали изготавливаются не только стропила, но также брус мауэрлата и коньковые опоры. Укладка производится не с помощью деревянной соединительной детали, а посредством швеллера. Для крепления стропильных ног используются приваренные уголки.

Основными преимуществами стальных стропильных ферм являются:

• повышенный уровень прочности;
• стойкость;
• неподверженность разрушению и гниению;
• значительный срок службы;
• удобство применения при необходимости перекрытия сооружений большой площади и высоты.

Следует указать также недостатки металлических ферм :

• значительный вес создаваемой конструкции;
• применение специальной техники для подъема конструкции на требуемую высоту;
• неустойчивость материала и высокая вероятность его деформации в условиях высокого температурного фона;
• дороговизна.

Стальные стропильные фермы бывают трех типов:

• спараллельными поясами;
• треугольные;
• полигональные.

При планировании мягкой кровли оптимально подходят фермы с параллельными поясами или полигональные. В случае применения листовых материалов лучше выбрать треугольные конструкции.

Промышленность выпускает стропильные фермы унифицированных размеров, которые рассчитаны на пролеты, длина которых составляет 18, 24, 30 и 36 метров.

Для изготовления поясов и решеток ферм в большинстве случаев применяются уголки, а скрепление отдельных элементов осуществляется посредством сварки. Наиболее рациональной считаются конструкции, для изготовления поясов которых были использованы тавровые широкополочные балки. Процесс изготовления подобных конструкций довольно простой, к тому же на них уходит меньше материала, но надежность и прочность конструкции от этого не страдают.

Отличительной особенностью стальной подстропильной фермы от стропильной является наличие параллельного пояса. Их выпускают в аналогичных унифицированных размерах.

Во время строительства частных домов во многих случаях используются стальные стропильные фермы, материалом для которых служит профильная труба. По сравнению с фермами на основе уголков, швеллеров или тавра подобные конструкции обладают меньшим весом.

Такие конструкции могут собираться прямо на строительной площадке. При этом используется сварочный аппарат.

Фермы изготавливаются на основе гнутых или горячекатаных профильных труб. При этом используется сталь толщиной от полутора до пяти миллиметров. Сечение профиля трубы может быть квадратным или прямоугольным.

В настоящее время в строительстве нередко применяют также железобетонные стропильные фермы. Они представляют собой очень прочные решетчатые конструкции для перекрытия значительных по длине пролетов.

Подобные фермы целесообразно монтировать на кровлях одноэтажных строений, покрытие которых испытывает очень большие нагрузки.

Расчет нагрузок

Во время возведения системы стропил важным моментом является не только правильный выбор формы конструкции и материала изготовления, но и корректный расчет возможных нагрузок.

Они бывают трех видов:

• постоянные : общий вес кровельного пирога;
• временные : вес снежного пласта, находящихся на кровле людей, сила порывов ветра;
• особые – к этой категории относится сейсмическая нагрузка.

Стропильная система на основе ферм и балок является несущей конструкцией, в состав которой входят многие элементы. Вне зависимости от конкретной конструкции и формы это сложный в технологическом плане процесс, главным этапом которого является этап проектирования. Именно в это время проводятся расчеты, от правильности которых зависит безопасность всей конструкции в течение всего эксплуатационного периода. Такой расчет состоит из сложных вычислений, осуществление которых требует наличия профессиональных знаний.

Монтаж

В качестве примера ниже описан наиболее простой процесс монтажа стропильных конструкций при возведении односкатной кровли.

• Сначала в соответствии с приведенной формулой рассчитывается величина перепада стен:
  Ш х tgL

Буквой Ш обозначено расстояние между двумя опорными стенами, а tgL– это тангенс угла уклона кровли.

• После этого заготавливается необходимое количество деревянных стропил, предварительно обработанных антисептическими составами.
• Следующим шагом является установка мауэрлата. Балка по толщине должна соответствовать величине толщины стен. Ее необходимо прикрепить по возможности более жестко и провести качественную гидроизоляцию. В процессе монтажа опорной балки надо следить за соблюдением строго горизонтального расположения.
• После окончания монтажа мауэрлата на нем должны быть обозначены точки установки стропильных ног и вырезаны выемки для них.
• Заранее подготовленные фермы укладываются таким образом, чтобы они выступали на поверхность опорной балки на 30 см. Закрепление осуществляется с помощью болтов и скоб.
• Процесс завершается установкой подпорок и монтажом обрешетки. В тех случаях, когда стропильные ноги имеют длину более 4,5 м, подпоры являются обязательным элементом. Поверх смонтированных стропил устраиваются планки обрешетки.

ВЫВОДЫ:

• Использование стропильных ферм на основе дерева или металла обеспечивает защиту здания от внешних воздействий.
• Основными требованиями к выбираемому материалу и конструкции стропильной фермы являются прочность, устойчивость и надежность.
• Задачей ферм является передача общей нагрузки, которая оказывается на крышу, на стены здания.
• Фермы классифицируются по очертанию поясов, конструктивному оформлению, статической схеме, типу решетки.
• Различают фермы с параллельными поясами, трапециевидные, треугольные.
• Стропильные фермы выполняются из дерева или металла. Возможны также комбинированные варианты.
• Устойчивость ферм повышается посредством устройства дополнительных связок для верхнего и нижнего поясов на основе досок.
• При возведении системы стропил важным моментом является корректный расчет возможных нагрузок.

Подробнее о стропильной системе вальмовой крыши смотрите в видеосюжете.

Металлическая ферма изготавливается из стальных профилей, наиболее часто используется для этого уголок. Если предстоит обустроить более тяжелую конструкцию, то профиль должен иметь тавровое или двутавровое сечение. Для гидротехнических сооружений используется круглое сечение, а также профильная труба. Стропильная металлическая ферма достаточно широко применяется в конструкциях для перекрытия зданий, наиболее часто ширина пролета превышает 24 метра.

Конструктивные особенности стропильной металлической фермы

Металлическая ферма имеет качества жесткости и прочности, которые обеспечиваются формой. Наиболее распространенным считается вариант, который имеет в составе прутья, среди них располагаются параллельно направленные элементы, которые обладают зигзагообразной формой. Благодаря подобной компоновке даже при незначительном расходе материала сопротивляемость системы повышается во много раз.

Главные конструктивные элементы

Металлическая ферма состоит из стоек, раскосов, а также решетки. Узловое соединение составляющих производится методом примыкания одного элемента к другому. Стержни решетки крепятся к поясам с помощью сварки или фасонных элементов. Помимо стропильных, могут быть и подстропильные. Их применяют в качестве опоры для несущих перекрытий и конструкций, что верно, если между колоннами оказывается большее расстояние, чем между балками.

Разновидности ферм по решеткам и поясам

Детали повторяются с наибольшей периодичностью, что связано с равномерными длинами стержней для решетки и поясов, одинаковыми схемами узлов, а также наименьшим числом стыков, что позволяет унифицировать конструкции. Это дает возможность индустриализировать их производство. Их используют наиболее часто при обустройстве мягких кровель.

Металлические фермы, чертежи которых составляются до начала монтажа, могут быть одинаковыми, то есть трапециевидными. Сопряжение с колоннами позволяет устраивать достаточно жесткие узлы рамы, которые повышают качества жесткости всей постройки. В центральной части пролета на решетке данных ферм не имеется длинных стержней. Они не предполагают необходимости устройства значительных уклонов. Что касается полигональных, они подходят для массивных построек, в которых применяются большие пролеты. При этом данные конструкции позволяют сэкономить материал. Подобное очертание для легких вариантов нерационально, так как получение незначительной экономии нельзя соизмерить с такими сложностями конструкции.

Можно выделить еще и треугольные, которые применяются для круглых крыш определенного вида. Они просты в исполнении, но обладают определенными конструктивными минусами, которые выражены в сложности опорного узла. Помимо прочего, получается перерасход материалов при изготовлении длинных стержней в центральной зоне решетки. Применение треугольных систем во многих случаях обязательно, например, там, где нужно обеспечить с одной стороны равномерный и значительный приток естественного света.

Системы решетки

Особенности проведения расчетов

Монтаж металлических ферм производится только после грамотного расчета системы, где учитывается нагрузка по типу веса кровли, водосточных систем, фонарей, а также вентиляторов. Важно учесть и собственную массу несущей конструкции. Среди временных нагрузок можно выделить давление ветра, вес людей, снега, подвесного транспорта. Ветровая нагрузка должна быть учтена в уклоне фермы, начиная с 30 градусов. Важно учесть и периодическую нагрузку по типу ураганов и сейсмических волнений.

Работа над изготовлением и соединением элементов

Монтаж металлических ферм производится поэтапно из элементов на прихватках. Связывание поясов осуществляется с применением уголка, который используется в количестве одного или двух штук. Верхние пояса выполняются из уголков, которые обладают неравными боками, а также имеют тавровое сечение. Сопряжение осуществляется по меньшим сторонам. Для нижних поясов применяются равнобокие уголки. Стропильные фермы металлические могут обладать значительной длиной, при этом используются накладные и соединительные пластины. При нагрузках, образованных в границах панелей, применяется парные швеллер.

Раскосы устанавливаются под углом в 45 градусов, что касается стоек, то их монтаж производится под прямым углом. Для их выполнения используется равнобокий уголок, а крепление деталей осуществляется с помощью пластин.

Если система полностью сварная, то ее выполняют с применением тавр. После того как монтаж на прихватках завершён полуавтоматическим или ручным способом, можно приступать к проведению сварочных работ, затем каждый шов должен быть зачищен. Проведение окрашивания производится на завершающем этапе, следует использовать антикоррозийные составы.

Правила проведения устройства

Стропильные фермы металлические будут устанавливаться в зависимости от уклона кровли. Необходимо перед началом работ понимать зависимость этого показателя от устройства системы. Таким образом, угол будет равен пределу от 6 до 15 градусов, если ферма обладает трапециевидной формой.

Для обустройства чердака голые стены должны обладать соответствующей высотой, в некоторых случаях для этого крыша снабжается переломами у опор. Габариты панели верхнего и нижнего пояса должны быть эквивалентны. Для облегчения процесса применяется решетка. Если угол наклона должен получиться равным 15-22 градусам, то высота конструкции должна быть равна 1/7 длины, узлы металлических ферм в нижнем поясе должны быть ломаными, это гарантирует снижение массы по сравнению с обычной треугольной на 30 процентов. При всем этом, один пролет не должен оказаться больше 20 метров в длину. Если необходим уклон в пределах 22-30 градусов, то система должна обладать треугольной формой, металлические конструкции фермы будут обладать высотой, которая равна 1/3 длины.

По той причине, что вес получится сравнительно небольшим, в качестве опоры можно использовать наружные стены, возведенные на незначительную высоту. Если длина пролета равна 14-20 метрам, в каждой ее половине следует сделать четное число панелей, длина которых равна 1,5-2,5 метра. В качестве наиболее подходящих для такой длины считается количество панелей, ограниченное восемью.

Если длина пролета превышает 35 метров, то следует применять фермы, которые предполагают использование двух треугольных элементов, соединенных между собой стяжками. В данном случае длинные раскосы центральных панелей допустимо устранить, уменьшив массу. Ферма треугольная металлическая в этом случае будет иметь верхний пояс, разделенный на 16 панелей, длина каждой из которых равна 2-2,75 метра.

Стальные профильные трубы

После того как вы поняли, как производится расчет металлической фермы, можно подумать о ее составляющих. Таким образом, конструкция, изготовленная из профильных труб, обладает менее внушительным весом по сравнению со швеллером или уголком. Такие детали легко собираются с использованием сварки. Профильные трубы можно покрывать легкими материалами по типу ондулина, прозрачного шифера, а также битумных гонтов. Стальные трубы выполняются из стали и алюминия. Такие материалы обладают своими преимуществами, их удобно складировать, перевозить, а также загружать. Материал будет способен претерпевать значительные тепловые и механические нагрузки, он легко поддается обработке.

В основе металлических ферм используются оцинкованные профильные трубы по той причине, что они не подвергаются коррозии, имеют отличные эксплуатационные качества, а также смотрятся привлекательно. Все данные факторы обязательно принимаются в расчет при выборе материала для обустройства стальных ферм. Помимо прочего, монтировать такие системы достаточно просто, с чем способен справиться любой мастер.

В заключение

Используются для этого и толстостенные профильные трубы, которые обладают более внушительной несущей способностью. Такие конструкции применяются еще и при строительстве заборов, детских площадок, а также перегородок.

Теперь вы знаете, как проводить монтаж металлических ферм разных форм.

Стропильная ферма

Что такое ферма

Объяснить попробую настолько просто, насколько смогу.

Приложение вертикальной силы к балке обычного прямоугольного сечения приводит к ее прогибу (рис. 118). При этом в верхней части сечения возникают внутренние напряжения сжатия δсж, а в нижней - растяжения δрас. Их можно изобразить в виде схемы по которой видно, что своих максимальных значений напряжения достигают на верхней и нижней границах сечения балки, а в центре оно равно нулю, то есть прямоугольное сечение балки работает неравномерно. Если удалить из него неработающие области получим двутавровое сечение. Двутавр - это главный строительный профиль. От деления двутаврового сечения получаются швеллеры, тавры и уголки, которые в обратной сборке могут образовать исходный двутавр, короб или крест.

Продолжим дальше удалять из балки «лишний» материал, уменьшать ее вес без потери несущей способности. Вырежем в вертикальной перегородке двутавровой балки отверстия максимально возможных размеров. Получившаяся «дырявая» балка - это прообраз фермы, в которой верхняя и нижняя часть называются поясами, а стержни их связывающие, стойками или подвесками (зависит от того оперта балка или подвешена). Понятно, что такой прообраз фермы можно изготовить не удалением «лишнего» материала из тела балки, а более простым путем сколачивания брусков и досок или сваривания металлических профилей.

При изготовлении нашей фермы из брусков в итоге получаем конструкцию пригодную и равную по несущей способности первоначальной балке прямоугольного сечения, но неустойчивую к боковым нагрузкам. Ведь по сути мы получили лестницу-стремянку, которую можно легко разрушить если приложить к ней горизонтальную силу. Устраним этот недостаток введением в конструкцию диагональных связей. Здесь они называются раскосами, а стойки (подвески) лучше называть одним словом шпренгель (распорка). Расстояния между узлами фермы называются панелями.

Главный недостаток обычной балки - большой прогиб от нагрузки. В строительных конструкциях сечение балки зачастую принимается не по несущей способности, а по прогибу. Иными словами, для сооружений используется такое сечения балки, которое не допускает большого прогиба, но сама балка при этом способна нести гораздо большую нагрузку, чем на нее возлагают. Имеем нерациональное использование материала балки. Уменьшение прогиба балки достигается увеличением ее высоты. Например, если взять обычную ученическую линейку, то можно легко убедиться, что она хорошо гнется при расположении плашмя и плохо - если ребром. Однако с увеличением высоты балки увеличивается её вес, и балка начинает прогибаться даже под собственным весом без внешней нагрузки. Вот тут и приходит на помощь облегченная «дырявая» балка - ферма, которую можно изготовить большой высоты без существенного увеличения веса.

Почему для описания фермы в качестве исходника взята балка, а не висячая стропильная система или какая-то другая конструкция крыши? Потому что не хочется привязывать фермы только к конструкциям крыш так как они широко используются в строительстве и машиностроении, а хочется закрепить понимание того, что ферма в целом работает так же, как балка. Например, при опирании на две опоры и загружении сверху в ее верхнем поясе возникают внутренние сжимающие напряжения, а в нижнем - растягивающие, она не передает распора на стены.

Фермы нагружают распределённой нагрузкой или сосредоточенными силами (рис. 119).

Если строительную конструкцию разработать таким образом, что сосредоточенные силы будут приложены исключительно в узлах ферм, то в элементах фермы (поясах, шпренгелях и раскосах) не будет возникать изгибающих моментов.

Ферма (конструкция)

Они будут работать только на сжатие и растяжение, что позволяет уменьшать сечение этих элементов до необходимого минимума. Сами фермы при этом можно изготавливать из коротких элементов длиной от узла до узла, а узлы изготавливать по шарнирной схеме. Ферма - геометрически неизменяемая стержневая система с шарнирными узлами. Такие фермы часто встречаются в металлическом исполнении. Для деревянных ферм обычно используются схемы с изготовлением верхних и нижних поясов не короткими досками (от узла до узла), а длинными, во всю доступную длину. В этом случае пояса ферм не соединяются шарнирами в каждом узле, а опираются на них и подвешиваются к ним. Хотя и деревянную ферму тоже можно собрать из коротких дощечек. Главное, что нужно понять, нагрузка - приложенная в узлах в виде сосредоточенных сил, не будет изгибать элементы фермы.

• Если на ферму будет действовать равномерно распределенная нагрузка, то в стержнях верхнего пояса появится изгибающий момент дополнительно к сжимающим и растягивающим напряжениям. Изгибающий момент достигает своего максимального значения в середине каждого стержня пояса панели фермы при шарнирах врезанных в узлы, либо на опорах - при шарнирах, расположенных под/над поясом фермы. Соответственно сечение стержней фермы будет большим, чем если бы ферма была нагружена точечными силами в узлах.

В использовании схемы нагружения кроется главное преимущество ферм. При одной и той же величине внешней нагрузки правильное ее распределение на ферму дает преимущество в экономии материала.

Фермы нужной длины (пролета) к которым будет приложена точечная нагрузка в узлах можно изготавливать из коротких элементов длиной от узла до узла.

Фермы, на которые будет действовать равномерно распределенная нагрузка тоже можно изготавливать из коротких элементов если узлы фермы будут шарнирами; и из длинных если шарниры будут под/над поясами.

Обычно для крыш используются деревянные фермы, сделанные из длинных досок. Так как перекрываемые пролеты бывают больше, чем позволяет длина досок, фермы делают из двух частей. Стыкуя их примерно на расстоянии 1/5 длины панелей, то есть там, где изгибающий момент стремится нулю.

Деревянные и металло-деревянные фермы

Указанные фермы применяют в зданиях лесопильно-деревообраба-тывающих производств, а также в зданиях вспомогательного назначения и в химической промышленности. Пролеты таких зданий, как правило, не превышают 18-24 м. Более распространены металло-деревянные фермы, в которых сжатые элементы изготовляют из дерева, а растянутые- из стали. По очертанию фермы подразделяют на сегментные, трапециевидные и треугольные.
Сегментные фермы, имеющие пролеты от 12 до 24 м, отличаются легкостью, небольшим числом монтажных элементов и простотой решения узлов (рис. 68, а). Верхний пояс этих ферм конструируют из клееных блоков криволинейного очертания, нижний - из стальных тяжей или уголков. Решетку прикрепляют к поясам гвоздями или болтами с помощью стальных пластинок.

На рис. 68, б показана многоугольная ферма из брусьев длиной на две панели, которую можно применять для пролетов от 12 до 36 м. Благодаря близкому к кривой давления очертанию верхнего пояса, усилия в решетки этих ферм сравнительно невелики, что упрощает конструкцию узлов.

Из трапециевидных ферм лучшими технико-экономическими показателями обладает ферма с подпружной цепью. Длина ферм - 12, 18 и 24 м.

Ферма в строительстве

Верхний пояс выполняют из балок на пластинчатых нагелях или клеёным. Крайние панели нижнего пояса - деревянные, шарнирно соединенные с металлической затяжкой. Вследствие этого ферма является шттренгельной с подпружной цепью, состоящей из опорных стальных раскосов и затяжки средней панели (рис. 68, в).

Рис. 68. Металло-деревянные фермы: а - сегментная; б - многоугольная; в - трапециевидная; г, д - треугольная

Треугольные фермы рекомендуется применять при пролетах от 9 до 18 м (рис. 68, г). Верхний пояс может быть клееным или из брусьев, или балок на пластинчатых нагелях.
Более рациональны треугольные фермы с верхним поясом из брусьев или составных балок на клею или на пластинчатых нагелях с затяжкой из круглой стали (рис. 68, д). Такие фермы просты в изготовлениии позволяют нагрузку от подвесного потолка передавать на коньковый узел, что исключает появление изгибающих моментов в верхнем поясе.

В качестве несущих конструкций зданий иногда применяют рамы и арки, выполняемые из железобетона, металла и древесины. Шаг рам принимают равным 6 и 12 м. Рама состоит из стоек и жестко связанных с ними ригелей прямолинейного, ломаного или криволинейного очертания. Стойки опирают на самостоятельные фундаменты. Рамы могут быть с фонарными надстройками и без них.

Рамы и арки в большинстве случаев обладают хорошими технико-экономическими показателями, но в силу трудности унификации и малой универсальности их применяют редко. Наиболее приемлемы арки и рамы для зданий, возводимых по индивидуальным проектам.

Похожие темы

Деревянные и стальные оконные панели промышленных зданий

Стальные стропильные и подстропильные фермы промышленных зданий

Железобетонные подстропильные балки и фермы промышленных зданий

Железобетонные фермы покрытий промышленных зданий

Деревянные балки покрытий промышленных зданий

Ферма — это что такое? Строительная конструкция

Самое распространенное значение слова «ферма» – сельскохозяйственное предприятие, предназначенное для животноводства. Но сейчас речь не о месте ведения подсобного хозяйства. Здесь собрана вся информация о вероятно древнейшей строительной конструкции, которая до сих пор актуальна в современной жизни. Она имеет широкое применение в строительстве, особенно в конструировании мостов и спортивных сооружений.

Ферма – это система, состоящая из стержней, которая остается геометрически неизменной при смене ее жестких узлов шарнирными. К ней также относятся и шпренгельные балки, которые представлены комбинацией из двух- или трехпролетной неразрезанной балки и подпружной тяги.

Где используется?

Как уже упоминалось, ферма в строительстве является незаменимым элементом. С ее помощью строители облегчают конструкцию сооружения и уменьшают расход необходимых материалов. Без использования фермы не обходится строительство мостов, стадионов, ангаров, а также декоративных сооружений, таких как павильоны, сцены, подиумы и т.д.

При проектировке корпуса корабля, самолета, тепловоза расчет прочности происходит таким же способом, как и расчет нагрузки на ферму.

Классификация

Ферма – это конструкция, состоящая из стержней, которые связаны между собой в узлах и образуют статически неизменную систему. Классификация ферм может быть проведена по множеству свойств.

По грузоподъемности конструкции

• Легкие . В них используется одностенчатое сечение. Легкие фермы чаще всего используются в промышленном строительстве.
• Тяжелые . Тяжелые фермы применяются в конструкции башенных кранов, спортивных стадионов и т.д. В них используются стержни более сложного сечения, нежели в легких. Как правило, они состоят из двух-трех частей из-за большой расчетной длины и возлагаемой на них нагрузки. Чаще всего используют двухстенчатое сечение с двухплоскостным узловым сопряжением.

По общим признакам

• По назначению. По назначению фермы бывают башенные, мостовые, крановые, фермы покрытия, опорные конструкции и т.д.
• По типу материала. Дерево, сталь, алюминий, железобетон и т.д. – из всего этого может быть изготовлена строительная ферма. Это существенное достоинство данной системы. Также можно комбинировать несколько видов материала.
• По особенностям конструкции. Существуют разнообразные типы сечения, типы решетки, виды опорных конструкций, а также типы поясов строительной конструкции фермы.

По пространственному признаку

• Плоские . Фермы берут на себя вертикальную нагрузку, т.к. х стержни располагаются в одной плоскости.
• Пространственные . Распределяют нагрузку по всей своей площади. Пространственная ферма образована из множества плоских ферм, объединённых между собой особыми способами.

По типу

• Балка Виренделя.
• Ферма Уоррена.
• Ферма Пратта.
• Ферма Больмана.
• Ферма Финка.
• Треугольная ферма.
• Кингпост.
• Ферма с перекрестными подкосами.
• Решетчатая городская конструкция.
• Ферма под верхний свет.

Особенности конструкции

Классификация фермы по особенности конструкции достаточно обширна. Далее каждая из особенностей будет рассмотрена более детально.

Типы сечения

Поперечное сечение в строительной ферме выполнено из прокатных профилей. Оно может быть в виде:

• Уголка (одиночного или двойного).
• Трубы (круглой или квадратной).
• Швелера.
• Тавра или двутавра.

Типы пояса

Очертания пояса могут быть представлены в виде:

• Трапеции . Его достоинство заключается в том, что такой вид пояса ужесточает рамный узел, соответственно, вместе с ним увеличивается и жесткость здания.
• Треугольника . Такой вид пояса используют для балочных и консольных систем. Он имеет массу недостатков, таких как нерациональный расход металла при распределении нагрузки, сложность опорного узла и т.д.
• Параболы . Данный пояс является самым трудоемким. Поэтому сегментные фермы используются очень редко.
• Многоугольника . Полигональные фермы применяются чаще, чем сегментные. Т.к. в них перелом в узлах конструкции не так ощутим.
• Параллельных поясов. Чаще всего используются для покрытия промышленных зданий. Они имеют идентичную схему узлов, равные по размеру элементы решетки, также они обладают повторяемостью элементов и деталей.

Типы решетки

Существуют шесть типовых вариантов решетки:

• Треугольная.
• Ромбическая.
• Шпренгельная.
• Крестовая.
• Раскосая.
• Полураскосая.

Типы опоры

Существуют 5 видов опорных конструкций. Для того чтобы выбрать опорный узел, нужно знать схему расчёта. От нее зависит, будет ли опорный узел шарнирным или жестким. Виды опор:

• Балочная или консольная.
• Арочная.
• Вантовая.
• Рамная.
• Комбинированная.

Принцип действия

Уникальность этой конструкции заключается в ее «неизменности» под воздействием внешних факторов. Нагрузка на эту систему бывает достаточно большая. Ферма представляет собой множество объединённых в одну конструкцию треугольников. Нагрузка в них сосредоточена в месте соединения узлов, т.к. стержни лучше проявляют свои свойства в процессе сжатия-растяжения, а не на излом. В современном строительстве чаще всего используют жесткое, а не шарнирное соединение стержней. Из этого следует, что при отделении одного из них от цельной конструкции они останутся в неизменном по отношению друг к другу положении.

Принцип расчета ферм вырезанием углов

Этот способ расчета ферм является самым простым. Данный способ преподают во многих технических учебных заведениях.

Ферма – это конструкция, нагрузка на которую сосредоточена в ее узлах. Следовательно, нужно рассчитать все внешние факторы, которые будут являться нагрузкой на узлы. Затем — вычислить реакцию опоры и найти узел, в котором присутствуют 2 стержня с приложенной на них силой. Условно необходимо отделить всю остальную часть фермы и получить узел, в котором будет несколько известных значений и 2 неизвестных. Затем нужно составить равенство по двум осям и рассчитать неизвестные значения. Таким же образом выделяют следующий узел, и так до тех пор, пока ферма не будет рассчитана.

Основные типы ферм

• Балка Виренделя – это система, где все ее части образуют прямоугольные отверстия и тем самым соединяются в жесткую раму. Она по своей конструкции не подходит под строгий термин «фермы», т.к. в этой балке отсутствует пара сил. Ее разработал бельгийский инженер Артур Вирендель. Но т.к. эта конструкция достаточно массивна, ее редко можно встретить в современной архитектуре.

• Ферма Уоррена. Это упрощенная версия конструкции Пратта-Хова. Она работает по принципу сжатия-растяжения. Чаще всего выполнена из стального проката.
• Ферма Пратта. Патент на данное сооружение принадлежит отцу и сыну из Бостона. Калеб Пратт и Томас Уилсон были двумя инженерами. Они использовали сжатые части по вертикали, а растянутые — по горизонтали. Поэтому нагрузка одинаково хорошо распределяется как сверху, так и снизу.
• Ферма Больмана имеет достаточно сложную и неудобную конструкцию. Свою популярность в США данное сооружение получило из-за политических достоинств ее создателя. Изобретатель красноречиво говорил про ферму, пусть даже и не все соответствовало действительности. Больман сумел продвинуть свое изобретение с помощью американского правительства, которое порой принуждало градостроителей использовать данную конструкцию при проектировке мостов. Среди обладателей патентов строительных ферм есть немало наших соотечественников, но еще ни одна «русская» ферма не продвигалась в массы столь оригинальным способом.
• Ферма Финка является упрощенной версией фермы Больмана. Он просто укоротил все ее элементы и тем самым сделал ее более эффективной. Также она имеет схожесть с конструкцией фермы Пратта. Она отличается от нее лишь отсутствием нижней балки.
• Треугольная ферма. Также ее называют «бельгийской». Это современная конструкция, которая представлена в виде треугольников со шпренгелями.
• Кингпост — самый простой вариант фермы. Он представляет собой пару опор, опирающихся на вертикальную балку.
• Решётчатая городская структура была создана для замены огромных деревянных мостов. Она достаточно проста по своей конструкции. Для нее применяют обычные деревянные доски, присоединённые друг к другу под углом, которые, в свою очередь, образуют решетку.

Металлическая ферма. Металлические конструкции

Металлическая ферма изготавливается из стальных профилей, наиболее часто используется для этого уголок. Если предстоит обустроить более тяжелую конструкцию, то профиль должен иметь тавровое или двутавровое сечение. Для гидротехнических сооружений используется круглое сечение, а также профильная труба. Стропильная металлическая ферма достаточно широко применяется в конструкциях для перекрытия зданий, наиболее часто ширина пролета превышает 24 метра.

Конструктивные особенности стропильной металлической фермы

Главные конструктивные элементы

Разновидности ферм по решеткам и поясам

Детали повторяются с наибольшей периодичностью, что связано с равномерными длинами стержней для решетки и поясов, одинаковыми схемами узлов, а также наименьшим числом стыков, что позволяет унифицировать конструкции. Это дает возможность индустриализировать их производство. Их используют наиболее часто при обустройстве мягких кровель.

Металлические фермы, чертежи которых составляются до начала монтажа, могут быть одинаковыми, то есть трапециевидными. Сопряжение с колоннами позволяет устраивать достаточно жесткие узлы рамы, которые повышают качества жесткости всей постройки. В центральной части пролета на решетке данных ферм не имеется длинных стержней. Они не предполагают необходимости устройства значительных уклонов. Что касается полигональных, они подходят для массивных построек, в которых применяются большие пролеты. При этом данные конструкции позволяют сэкономить материал. Подобное очертание для легких вариантов нерационально, так как получение незначительной экономии нельзя соизмерить с такими сложностями конструкции.

Можно выделить еще и треугольные, которые применяются для круглых крыш определенного вида. Они просты в исполнении, но обладают определенными конструктивными минусами, которые выражены в сложности опорного узла. Помимо прочего, получается перерасход материалов при изготовлении длинных стержней в центральной зоне решетки. Применение треугольных систем во многих случаях обязательно, например, там, где нужно обеспечить с одной стороны равномерный и значительный приток естественного света.

Системы решетки

Особенности проведения расчетов

Работа над изготовлением и соединением элементов

Монтаж металлических ферм производится поэтапно из элементов на прихватках. Связывание поясов осуществляется с применением уголка, который используется в количестве одного или двух штук. Верхние пояса выполняются из уголков, которые обладают неравными боками, а также имеют тавровое сечение. Сопряжение осуществляется по меньшим сторонам. Для нижних поясов применяются равнобокие уголки. Стропильные фермы металлические могут обладать значительной длиной, при этом используются накладные и соединительные пластины. При нагрузках, образованных в границах панелей, применяется парные швеллер.

Раскосы устанавливаются под углом в 45 градусов, что касается стоек, то их монтаж производится под прямым углом. Для их выполнения используется равнобокий уголок, а крепление деталей осуществляется с помощью пластин.

Если система полностью сварная, то ее выполняют с применением тавр. После того как монтаж на прихватках завершён полуавтоматическим или ручным способом, можно приступать к проведению сварочных работ, затем каждый шов должен быть зачищен. Проведение окрашивания производится на завершающем этапе, следует использовать антикоррозийные составы.

Правила проведения устройства

Для обустройства чердака голые стены должны обладать соответствующей высотой, в некоторых случаях для этого крыша снабжается переломами у опор. Габариты панели верхнего и нижнего пояса должны быть эквивалентны. Для облегчения процесса применяется решетка. Если угол наклона должен получиться равным 15-22 градусам, то высота конструкции должна быть равна 1/7 длины, узлы металлических ферм в нижнем поясе должны быть ломаными, это гарантирует снижение массы по сравнению с обычной треугольной на 30 процентов. При всем этом, один пролет не должен оказаться больше 20 метров в длину. Если необходим уклон в пределах 22-30 градусов, то система должна обладать треугольной формой, металлические конструкции фермы будут обладать высотой, которая равна 1/3 длины.

По той причине, что вес получится сравнительно небольшим, в качестве опоры можно использовать наружные стены, возведенные на незначительную высоту. Если длина пролета равна 14-20 метрам, в каждой ее половине следует сделать четное число панелей, длина которых равна 1,5-2,5 метра. В качестве наиболее подходящих для такой длины считается количество панелей, ограниченное восемью.

Если длина пролета превышает 35 метров, то следует применять фермы, которые предполагают использование двух треугольных элементов, соединенных между собой стяжками. В данном случае длинные раскосы центральных панелей допустимо устранить, уменьшив массу. Ферма треугольная металлическая в этом случае будет иметь верхний пояс, разделенный на 16 панелей, длина каждой из которых равна 2-2,75 метра.

Стальные профильные трубы

После того как вы поняли, как производится расчет металлической фермы, можно подумать о ее составляющих. Таким образом, конструкция, изготовленная из профильных труб, обладает менее внушительным весом по сравнению со швеллером или уголком. Такие детали легко собираются с использованием сварки. Профильные трубы можно покрывать легкими материалами по типу ондулина, прозрачного шифера, а также битумных гонтов. Стальные трубы выполняются из стали и алюминия. Такие материалы обладают своими преимуществами, их удобно складировать, перевозить, а также загружать. Материал будет способен претерпевать значительные тепловые и механические нагрузки, он легко поддается обработке.

В основе металлических ферм используются оцинкованные профильные трубы по той причине, что они не подвергаются коррозии, имеют отличные эксплуатационные качества, а также смотрятся привлекательно. Все данные факторы обязательно принимаются в расчет при выборе материала для обустройства стальных ферм. Помимо прочего, монтировать такие системы достаточно просто, с чем способен справиться любой мастер.

В заключение

Используются для этого и толстостенные профильные трубы, которые обладают более внушительной несущей способностью. Такие конструкции применяются еще и при строительстве заборов, детских площадок, а также перегородок.

Теперь вы знаете, как проводить монтаж металлических ферм разных форм.

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

ферма сечение стержень коробчатый

Классификация и область применения ферм

Происхождение термина «ферма» берет начало от латинского firmus, то есть «прочный, крепкий».

Фермой называется система стержней соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию. При узловой нагрузке жесткость узлов несущественно влияет на работу конструкции, и в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные. В этом случае все стержни ферм испытывают только растягивающие или сжимающие осевые усилия.

Фермы экономичнее балок по расходу стали, но более трудоемки в изготовлении. Эффективность ферм по сравнению со сплошностенчатыми балками тем больше, чем больше пролет и меньше нагрузка.

Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными.

Плоские фермы воспринимают нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении их связями. Пространственные фермы образуют жесткий пространственный брус, воспринимающий нагрузку в любом направлении (рис.9.1).

Рис. 9.1. Плоская (а) и пространственная (б) фермы

Основными элементами ферм являются пояса, образующие контур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек (рис. 9.2). Соединение элементов в узлах осуществляется путем непосредственного примыкания одних элементов к другим (рис 9.3,а) или с помощь ю узловых фасонок (рис. 9.3,б). Элементы ферм центрируются по осям центра тяжести для снижения узловых моментов и обеспечения работы стержней на осевые усилия.

Рис. 9.2. Элементы ферм

1 — верхний пояс; 2 — нижний пояс; 3 — раскосы; 4 – стойки

Рис. 9.3. Узлы ферм: а — с непосредственным примыканием элементов; б — на фасонках

Расстояние между соседними узлами поясов называется панелью (d в — панель верхнего пояса, d н — нижнего), а расстояние между опорами — пролетом (/).

Пояса ферм работают на продольные усилия и момент (аналогично поясам сплошных балок); решетка ферм воспринимает в основном поперечную силу, выполняя функции стенки балки.

Знак усилия (минус — сжатие, плюс — растяжение) в элементах решетки ферм с параллельными поясами можно определить, если воспользоваться “балочной аналогией”.

Стальные фермы широко применяются во многих областях строительства; в покрытиях и перекрытиях промышленных и гражданских зданий, мостах, опорах линий электропередачи, объектах связи, телевидения и радиовещания (башни, мачты), транспортных эстакадах, гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах и т. д.

Фермы имеют разную конструкцию в зависимости от назначения, нагрузок и классифицируются по различным признакам:

по статической схеме — балочные (разрезные, неразрезные, консольные);

по очертанию поясов — с параллельными поясами, трапециевидные, треугольные, полигональные, сегментные (рис. 9.5);

Рис.9.4. Системы ферм: а — балочная разрезная; б — неразрезная; в,е — консольная; г — арочная; д — рамная;

по системе решетки — треугольная, раскосная, крестовая, ромбическая и др. (рис.9.6);

по способу соединения элементов в узлах — сварные, клепанные, болтовые;

Рис. 9.5. Очертания поясов ферм: а — сегментное; б — полигональное; в — трапецеидальное; г — с параллельными поясами; д-и — треугольное

по величине максимального усилия — легкие — одностенчатые с сечениями из прокатных профилей (усилие N 300кН).

Промежуточными между фермой и балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами либо аркой (сверху). Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающий момент в балке и повышают жесткость системы (рис.9.4,^). Комбинированные системы просты в изготовлении (имеют меньшее число элементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижными нагрузками.

Эффективность ферм комбинированных систем можно повысить, создав в них предварительное напряжение.

В фермах подвижных крановых конструкций и покрытий больших пролетов, где уменьшение веса конструкции дает большой экономический эффект, применяют алюминиевые сплавы.

Рис. 9.6. Системы решетки ферм

а — треугольная; б — треугольная с дополнительными стойками; в — раскосная с восходящими раскосами; г — раскосная с нисходящими раскосами; д — шпренгельная; е — крестовая; ж — перекрестная; и — ромбическая; к — полу раскосная

Ферма (конструкция)

Фе́рма (фр. ferme , от лат. firmus прочный) - стержневая система в строительной механике, остающаяся геометрически неизменяемой после замены её жёстких узлов шарнирными. В элементах фермы, при отсутствии расцентровки стержней и внеузловой нагрузки, возникают только усилия растяжения-сжатия. Фермы образуются из прямолинейных стержней, соединенных в узлах .

Ферма состоит из элементов: пояс, стойка, раскос, шпренгель (опорный раскос).

История [ править ]

Классификация [ править ]

Фермы классифицируют по следующим признакам:

• Характер очертания внешнего контура
  • Параллельные пояса
  • Ломаные пояса
  • Полигональные пояса
  • Треугольные пояса
• Тип решётки
  • Треугольная
  • Раскосная
  • Полураскосная
  • Ромбическая
• Тип опирания
  • Балочный
  • Арочный
  • Консольный
  • Балочно-консольный
• Назначение
  • Стропильные
  1. ферма Пратта (со сжатыми стойками и растянутыми раскосами)
  2. ферма Уорренна (с решёткой из треугольников)
  3. Бельгийская (треугольная) ферма
  4. ферма с перекрёстными подкосами
  5. ферма под верхний свет
  • Подстропильные
  • Мостовые
  • Крановые
  • Башенные
• Материал исполнения
  • Деревянные
  • Металлические (стальные и алюминиевые)
  • Железобетонные
  • Из полимерных материалов

Область применения [ править ]

Фермы широко используются в современном строительстве, в основном для перекрытия больших пролётов с целью уменьшения расхода применяемых материалов и облегчения конструкций, например - в строительных большепролётных конструкциях, типа мостов, стропильных систем промышленных зданий, спортивных сооружений, а также - при возведении небольших лёгких строительных и декоративных конструкций - павильонов, сценических конструкций, тентов и подиумов;

Фюзеляж самолёта, корпус корабля, несущий кузов автомобиля (кроме открытых кузовов, работающих как простая балка), автобуса или тепловоза, вагонная рама со шпренгелем - с точки зрения сопромата являются фермами (даже если у них отсутствует как таковой каркас - ферменную конструкцию в этом случае образуют подкрепляющие обшивку выштамповки и усилители), соответственно, в их расчётах на прочность применяются соответствующие методики.

Принцип работы [ править ]

Если произвольным образом скрепить на шарнирах несколько стержней, то они будут беспорядочно крутиться вокруг друг друга, и подобная конструкция будет, как говорят в строительной механике, «изменяемой», то есть если на неё надавить, то она сложится, как складываются стенки спичечного коробка. Если составить из стержней обычный треугольник, то, конструкция сложится, только если сломать один из стержней, или оторвать его от других, такая конструкция уже «неизменяемая».

Конструкция фермы содержит в себе эти треугольники. И стрела башенного крана и сложные опоры, все они состоят из маленьких и больших треугольников. Так как любые стержни лучше работают на сжатие-растяжение, чем на излом, то нагрузка к ферме прикладывается в точках соединения стержней.

Фактически стержни фермы обычно соединяют между собой не через шарниры, а жёстко. То есть, если два любых стержня отрезать от остальной конструкции, они не будут вращаться относительно друг друга, однако, в простейших расчётах этим пренебрегают и считают, что шарнир имеется.

Методы расчета [ править ]

Существует огромное количество способов расчёта ферм, как простых, так и сложных . Один из самых простых - расчёт вырезанием узлов (шарниров, соединяющих стержни). Данный способ универсален и подходит для любых статически определимых ферм. Для расчёта фермы все силы, действующие на ферму, сводят к её узлам. Далее два варианта расчёта.

Первый - сначала выполняется определение реакций опор обычными методами статики (составление уравнений равновесия), затем рассматривается любой узел, в котором сходятся только два стержня. Мысленно отделяется узел от фермы, заменяя действие разрезанных стержней их реакциями, направленными из узла. В этом случае действует правило знаков - растянутый стержень имеет положительное усилие. Из условия равновесия сходящейся системы сил (два уравнения в проекциях) определяются усилия в стержнях, затем рассматривается следующий узел, в котором опять только два неизвестных усилия и так пока не будут найдены усилия во всех стержнях.

Другой способ - не определять реакции опор, а заменить опоры опорными стержнями, а затем вырезать все узлы (числом n ) и для каждого составить по два уравнения равновесия. Далее решается система 2n уравнений и находятся все 2n усилия, включая усилия в опорных стержнях (реакции опор). В статически определимых фермах система должна замкнуться.

Метод вырезания узлов имеет один существенный недостаток - накопление ошибок в процессе последовательного рассмотрения равновесия узлов или проклятие размеров матрицы системы линейных уравнений, если составляется глобальная система уравнений для всей фермы. Этого недостатка лишён Метод Риттера. Есть и архаичный графический метод - диаграмма Максвелла-Кремоны, полезный, однако, в процессе обучения. В современной практике используются компьютерные программы, большинство из которых основано на методе вырезания узлов. Иногда в расчётах применяют метод замены стержней Геннеберга .

Фермой называется система стержней соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию. При узловой нагрузке жесткость узлов несущественно влияет на работу конструкции, и в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные. В этом случае все стержни ферм испытывают только растягивающие или сжимающие осевые усилия.

Фермы экономичнее балок по расходу стали, но более трудоемки в изготовлении. Эффективность ферм по сравнению со сплошностенчатыми балками тем больше, чем больше пролет и меньше нагрузка.

Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными.

Плоские фермы воспринимают нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении их связями. Пространственные фермы образуют жесткий пространственный брус, воспринимающий нагрузку в любом направлении (рис.9.1).

Основными элементами ферм являются пояса, образующие контур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек (рис. 9.2). Соединение элементов в узлах осуществляется путем непосредственного примыкания одних элементов к другим (рис 9.3 а) или с помощью узловых фасонок (рис. 9.3 б). Элементы ферм центрируются по осям центра тяжести для снижения узловых моментов и обеспечения работы стержней на осевые усилия.

1 – верхний пояс ; 2 – нижний пояс ; 3 – раскосы ; 4 - стойки

а – с непосредственным примыканием элементов ; б – на фасонках

Расстояние между соседними узлами поясов называется панелью (d в – панель верхнего пояса, d н – нижнего), а расстояние между опорами – пролетом (l ).

Пояса ферм работают на продольные усилия и момент (аналогично поясам сплошных балок); решетка ферм воспринимает в основном поперечную силу, выполняя функции стенки балки.

Знак усилия (минус – сжатие, плюс – растяжение) в элементах решетки ферм с параллельными поясами можно определить, если воспользоваться “балочной аналогией”.

Стальные фермы широко применяются во многих областях строительства; в покрытиях и перекрытиях промышленных и гражданских зданий, мостах, опорах линий электропередачи, объектах связи, телевидения и радиовещания (башни, мачты), транспортных эстакадах, гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах и т. д.

Фермы имеют разную конструкцию в зависимости от назначения, нагрузок и классифицируются по различным признакам:

по статической схеме – балочные (разрезные, неразрезные, консольные); арочные, рамные, комбинированные (рис. 9 4);

а – балочная разрезная ; б – неразрезная ; в,е – консольная ; г – арочная ; д – рамная ; ж - комбинированная

по очертанию поясов – с параллельными поясами, трапециевидные, треугольные, полигональные, сегментные (рис. 9.5);

по системе решетки – треугольная, раскосная, крестовая, ромбическая

и др. (рис.9.6);

по способу соединения элементов в узлах – сварные, клепанные, болтовые;

по величине максимального усилия – легкие – одностенчатые с сечениями из прокатных профилей (усилие N кН) и тяжелые – двухступенчатые с элементами составного сечения (N > 300кН).

Промежуточными между фермой и балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами либо аркой (сверху). Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающий момент в балке и повышают жесткость системы (рис.9.4,ж ). Комбинированные системы просты в изготовлении (имеют меньшее число элементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижными нагрузками.

Эффективность ферм м комбинированных систем можно повысить, создав в них предварительное напряжение.

В фермах подвижных крановых конструкций и покрытий больших пролетов, где уменьшение веса конструкции дает большой экономический эффект, применяют алюминиевые сплавы.

Рис. 9.6. Системы решетки ферм

а – треугольная ; б – треугольная с дополнительными стойками ; в – раскосная с восходящими раскосами ; г – раскосная с нисходящими раскосами ; д – шпренгельная ; е – крестовая ; ж – перекрестная ; и – ромбическая ; к - полу раскосная

9.2. Компоновка конструкций ферм

Выбор статической схемы и очертания фермы – первый этап проектирования конструкций , зависящий от назначения и архитектурно – конструктивного решения сооружения и производится на основании сравнения возможных вариантов.

В покрытиях зданий, мостах, транспортных галереях и других сооружениях нашли применение балочные разрезные системы. Они просты в изготовлении и монтаже, не требуют устройства сложных узлов, но весьма металлоемки. При пролетах балок 40м разрезные фермы получаются негабаритными, и их собирают при монтаже.

Для двух и более перекрываемых пролетов применяют неразрезные фермы. Они экономичнее по расходу металла и обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту. Применение неразрезных ферм при слабых грунтах не рекомендуется, так как при осадке опор возникают дополнительные усилия. Кроме того, неразрезность усложняет монтаж.

Рамные фермы экономичнее по расходу стали, имеют меньшие габариты, но более сложны в монтаже. Их рационально применять для большепролетных зданий. Арочные системы, дают экономию стали, но приводят к увеличению объема помещения и поверхности ограждающих конструкций. Применение их диктуется архитектурными требованиями. Консольные фермы используют для навесов, башен, опор ЛЭП.

Очертания ферм должны соответствовать их статической схеме и виду нагрузок, определяющих эпюру изгибаемых моментов. Для ферм покрытий необходимо учитывать материал кровли и требуемый уклон для обеспечения водоотвода, тип узла сопряжения с колоннами (жесткий или шарнирный) и другие технологические требования.

Очертания поясов ферм определяет их экономичность. Наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов. Для однопролетной балочной системы с равномерно распределенной нагрузкой будет сегментная ферма с параболическим поясом (см.рис.9.5,а ). Однако криволинейные пояса очень трудоемки в изготовлении, поэтому такие фермы применяют крайне редко. Более применяемыми являются полигональные фермы (см.рис.9.5,б ). В тяжелых большепролетных фермах дополнительные конструктивные затруднения из – за перелома поясов в узлах не так ощутимы, так как из условия транспортировки пояса в таких фермах приходится стыковать в каждом узле.

Для легких ферм полигональное очертание нерационально, поскольку усложнение узлов не окупается экономией стали.

Фермы трапецеидальные (см.рис.9.5,в ), хотя не совсем соответствуют эпюре моментов, имеют конструктивные преимущества, за счет упрощения узлов. Кроме того, применение таких ферм в покрытии позволяет устроить жесткий рамный узел, что повышает жесткость здания.

Фермы с параллельными поясами (рис.9 5,г ) по своему очертанию далеки от эпюры моментов и неэкономичны по расходу стали. Однако равные длины элементов решетки, одинаковая схема узлов, повторяемость элементов и деталей, возможность их унификации способствуют индустриализации их изготовления. Поэтому фермы с параллельными поясами стали основными для покрытия производственных зданий.

Фермы треугольного очертания (см.рис.9.5,д-ж ,и ) рациональны для консольных систем и для балочных при сосредоточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы). Недостатком этих ферм является повышенный расход металла при распределенной нагрузке; острый опорный узел сложен и допускает только шарнирное сопряжение с колоннами, Средние раскосы очень длинные и их приходится подбирать по предельной гибкости, что ведет к перерасходу металла. Однако иногда их используют для стропильных конструкций, когда необходимо обеспечить большой уклон кровли (свыше 20%) или для создания одностороннего равномерного освещения (шедовые покрытия).

Пролет или длина ферм определяется эксплуатационными требованиями и обще компоновочным решением соружения и рекомендуется конструктором.

Там где пролет не диктуется технологическими требованиями (например, эстакады поддерживающие трубопроводы и т.п.), его назначают на основе экономических соображений, по наименьшей суммарной стоимости ферм и опор.

Высота треугольных ферм (см.рис.9.5,д ) является функцией пролета и уклона фермы (25-45 0), что дает высоту ферм h . Высота обычно бывает выше требуемой, поэтому треугольные фермы не экономичны. Высоту фермы можно уменьшить, придав нижнему поясу приподнятое очертание (см.рис.9.5,г ), но опорный узел не должен быть очень острым.

Для высоты трапецеидальных ферм и ферм с параллельными поясами

нет конструктивных ограничений, высоту фермы принимают из условия наименьшего веса фермы. Вес фермы складывается из веса поясов и решетки. Вес поясов уменьшается с увеличением высоты фермы, так как усилия в поясах обратно пропорциональны высоте h

Вес решетки наоборот, с увеличением высоты фермы возрастает, так как увеличивается длина раскосов и стоек, поэтому оптимальная высота ферм составляет 1/4 - 1/5 пролета. Это приводит к тому, что при пролете 20м высота фермы больше предельно (3,85м) допустимой по условию транспортировки. Поэтому с учетом требований транспортировки, монтажа, унификации высоту ферм принимают в пределах 1/7 – 1/12 пролета (для легких ферм еще меньше).

Наименьшая возможная высота фермы определяется допустимым прогибом. В обычных кровельных покрытиях жесткость ферм превосходит требуемую. В конструкциях работающих на подвижную нагрузку (фермы подкрановых эстакад, мостовых кранов и т. п.) требования жесткости настолько высоки

(f /l = 1/750 - 1/1000), что они диктуют высоту фермы.

Прогиб фермы определяют аналитически по формуле Мора

где Ni – усилие в стержне фермы от заданной нагрузки; - усилие в том же стержне от силы, равной единице, приложенной в точке определения прогиба по направлению прогиба.

Размеры панели должны соответствовать расстояниям между элементами, передающими нагрузку на ферму, и отвечать оптимальному углу наклона раскосов, который в треугольной решетке составляет примерно 45 0 , а в раскосной решетке - 35 0 . Из конструктивных соображений – рационального очертания фасонки в узле и удобства прикрепления раскосов – желателен угол близкий к 45 0 .

В стропильных фермах размеры панелей принимаются в зависимости от системы кровельного покрытия.

Желательно для исключения работы пояса на изгиб обеспечить передачу нагрузки от кровли на узлы фермы. Поэтому в покрытиях из крупноразмерных железобетонных или металлических плит расстояние между узлами принимается равным ширине плиты (1,5м или 3м), а в покрытиях по прогонам

– шагу прогонов (от 1,5м до 4м). Иногда для уменьшения размеров панели пояса принимается шпренгельная решетка (см. рис. 9.6,д ).

Унификация и модулирование геометрических размеров ферм позволяет стандартизировать как сами фермы, так и примыкающие к ним элементы (прогоны, связи и т. д.). Это приводит к сокращению числа типоразмеров деталей и дает возможность при массовом изготовлении конструкций применять специализированное оборудование и перейти на поточное производство.

В настоящее время унифицированы геометрические схемы стропильных ферм производственных зданий, мостов, радиомачт, радио башен, опор линий электропередачи.

Строительный подъем. В фермах больших пролетов (более 36м), а также в фермах из алюминиевых сплавов или высокопрочных сталей возникают большие прогибы, которые ухудшают внешний вид конструкции и недопустимы по условиям эксплуатации.

Провисание ферм предотвращается устройством стропильного подъема, т. е.

изготовление ферм с обратным выгибом, который под действием нагрузки погашается, и ферма принимает проектное положение. Строительный подъем назначают равным прогибу от постоянной плюс половину временных нагрузок. При плоских кровлях и пролетах больше 36м строительный подъем следует принимать независимо от величины пролета равным прогибу от суммарной нормативной нагрузки плюс 1/200 пролета.

Строительный подъем обеспечивается путем устройства перегиба в монтажных узлах (рис.9.7).

Системы решеток ферм и их характеристика. Решетка ферм работает на поперечную силу, выполняя функции стенки сплошной балки.

От системы решетки зависит вес фермы, трудоемкость ее изготовления, внешний вид. Поскольку нагрузка на ферму передается в узлах, то решетка должна соответствовать схеме приложения нагрузки.

Треугольная система решетки. В фермах трапецеидального очертания или с параллельными поясами рациональной является треугольная система решетки

(см. рис.9.6,а ), дающая наименьшую суммарную длину решетки и наименьшее число узлов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры. В фермах, поддерживающих прогоны кровли или балки настила, к треугольной решетке часто добавляют дополнительные стойки (рис.9.6,б ), а иногда и подвески, позволяющие уменьшить расстояние между узлами фермы. Дополнительные стойки уменьшают также расчетную длину сжатого пояса. Работают дополнительные стойки только на местную нагрузку и не участвуют в передаче на опору поперечной силы.

Рис. 9.7. Схемы строительного подъема при одном (а ) и нескольких (б ) укрупнительных стыках

Недостатком треугольной системы – наличие длинных сжатых раскосов (восходящих в фермах с параллельными поясами и нисходящих в треугольных фермах).

Раскосная система решеток, применяется при малой высоте ферм, а также тогда, когда по стойкам передаются большие усилия (при большой узловой нагрузке).

Раскосная решетка более трудоемка, чем треугольная, требует большого расхода металла, так как при равном числе панелей в ферме общая длина раскосной решетки больше, и в ней больше узлов. Путь усилия от узла до опоры в раскосной решетке длиннее; он идет через все стержни решетки и узлы.

Специальные системы решеток, применяют при большой высоте ферм (примерно 4 – 5м). Чтобы уменьшить размер панели, сохранив нормальный угол наклона раскосов, применяют шпренгельную решетку (см.рис.9.6,д ). Устройство шпренгельной решетки более трудоемко и требует дополнительного расхода металла; однако такая решетка позволяет получить рациональное расстояние между элементами поперечной конструкции при рациональном угле наклона раскосов и уменьшить расчетную длину сжатых стержней.

Шпренгельная решетка применяется при крутых кровлях и сравнительно больших пролетах (l = 20 – 24м) для треугольной фермы (см.рис.9.5,е ).

В фермах, работающих на двустороннюю нагрузку устраивают крестовую решетку (см.рис.9.6,е ). К таким фермам относятся горизонтальные связевые фермы покрытий производственных зданий, мостов и других конструкций, вертикальные фермы башен, мачт и высоких зданий.

Ромбическая и полу раскосная решетки (см.рис.9.6,и ,к ) благодаря двум системам раскосов обладают большой жесткостью; эти системы применяются в мостах, башнях, мачтах, связях для уменьшения расчетной длины стержней и особенно рациональны при работе конструкций на большие поперечные силы.

Обеспечение устойчивости ферм.Плоская ферма неустойчива из своей плоскости, поэтому ее необходимо присоединить к более жесткой конструкции или соединить связями с другой фермой, в результате чего образуется устойчивый пространственный брус (рис.9.8,а ). Поскольку этот

1 - диафрагма

пространственный брус в поперечном сечении замкнут, он обладает большой жесткостью при кручении и изгибе в поперечном направлении, поэтому потеря его общей устойчивости невозможна. Конструкции мостов, кранов, башен, мачт и т.п. представляют собой также пространственные брусья, состоящие из ферм (рис.9.8,б ).

В покрытиях зданий из-за большого числа поставленных рядом плоских стропильных ферм решение усложняется, поэтому фермы, связанные между собой только прогонами могут потерять устойчивость.

Их устойчивость обеспечивается тем, что две соседние фермы скрепляются связями в плоскости верхнего и нижнего пояса и вертикальными поперечными связями (рис.9.9, б ). К этим жестким блокам другие фермы прикрепляются

горизонтальными элементами, препятствующими горизонтальному перемещению поясов ферм и обеспечивающими их устойчивость (прогонами и распорками, расположенными в узлах ферм). Чтобы прогон мог закрепить узел фермы в горизонтальном направлении, он сам должен быть прикреплен к

неподвижной точке – узлу горизонтальных связей.

1 – прогоны ; 2 – фермы ; 3 – горизонтальные связи ; 4 – вертикальные связи ; 5 – пространственный блок

9.3. Типы сечений стержней ферм

Наиболее распространенные типы сечений элементов легких ферм, показаны на рис.9.10.

По расходу стали наиболее эффективным является трубчатое сечение (рис.9.10,а ). Труба обладает хорошей обтекаемостью, поэтому ветровое давление меньше, что важно для высоких сооружений (башен, мачт, кранов). На трубах мало задерживается иней и влага, поэтому они стойки к коррозии; их легко очищать и окрашивать. Это повышает долговечность трубчатых конструкций.

Для предотвращения коррозии внутренних плоскостей трубчатые элементы следует герметизировать. Однако определенные конструктивные трудности сопряжения трубчатых элементов и высокая стоимость труб ограничивают их применение.

Прямоугольные гнуто замкнутые сечения (рис.9.10,б ) обладают почти теми же преимуществами, что и трубчатые, позволяют упростить узлы сопряжения элементов и нашли широкое применение. Однако, фермы из гнуто замкнутых профилей с бесфасоночными узлами требуют высокой точности изготовления.

Технологические трудности не позволяют изготавливать гнутые профили толщиной более 10-12 мм. Это ограничивает возможность их использования.

Кроме того, большие пластические деформации в углах гиба снижают хрупкую прочность стали.

Часто сечения элементов ферм принимаются из разного вида профилей: пояса из двутавров, решетка из гнутозамкнутых профилей или пояса из тавров, решетка из парных или одиночных уголков. Такое решение оказывается более рациональным.

В пространственных фермах (башнях, мачтах, стрелах кранов и т.п.), где пояс является общим для двух ферм, его сечение должно обеспечивать удобное сопряжение элементов в разных плоскостях. Этому требованию лучше всего отвечает трубчатое сечение.

В четырехгранных фермах при небольших усилиях, простейшим типом сечения пояса является одиночный уголок или крестовое сечение из двух уголков. При больших усилиях применяются также двутавры.

Сжатые элементы ферм следует проектировать равноустойчивыми в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

В каждом конкретном случае выбор типа сечения элементов ферм определяется условиями работы конструкции (степень агрессивности среды, характер и место приложения нагрузок и т.д.), возможностью изготовления, наличием сортамента и экономическими соображениями.

Стержни тяжелых ферм отличаются от легких более мощными и развитыми сечениями, составленными из нескольких элементов. Сечения таких стержней обычно проектируют двухстенчатыми (рис.9.11), а узловые сопряжения выполняются с помощью фасонок, расположенных в двух плоскостях. Стержни тяжелых ферм (раскосы, стойки и пояса) имеют разные сечения, но для удобства сопряжения в узлах ширина элементов “в ” должна быть одинаковой.

Для поясов ферм желательно применять сечения имеющие две оси симметрии, что облегчает стык в узле двух сечений соседних панелей разной площади и не создает дополнительного момента вследствие несовпадения центров тяжести этих сечений.

Тяжелые фермы, работающие на динамические нагрузки (железнодорожные мосты, краны и т.п.), иногда еще проектируют клепанными, но в основном, как правило, проектируют из сварных стрежней с монтажными узлами на высокопрочных болтах.

Применяются следующие типы сечений стержней тяжелых стальных ферм:

Н-образное (рис.9.11,б ) – два вертикальных листа, связаны горизонтальным листом, а также клепанные из четырех не равнополочных уголков, связанных горизонтальным листом (рис.9.11,в ). Развитие таких сечений в смежных панелях производят креплением дополнительных вертикальных листов (рис.9.11,г ). Такие сечения малотрудоемкие. Если конструкция не защищена от

попадания атмосферных осадков, то в горизонтальных элементах необходимо оставлять отверстия для стока воды диаметром 50 мм. Н-образные сечения применяют для поясов и раскосов.

Швеллерное сечение состоит из двух швеллеров, поставленных полками внутрь (рис.9.11,д ); используются как прокатные, так и составные швеллеры. Такое сечение целесообразно для сжатых элементов, особенно при большой их длине. Недостатком швеллерного сечения является наличие двух ветвей, которые приходится соединять планками или решетками (аналогично центрально сжатым колоннам).

Коробчатое сечение состоит из двух вертикальных элементов, соединенных горизонтальным листом сверху (рис.9.11,е ,ж ). Применяется в

Рис.9.11. Типы сечений стержней тяжелых ферм

основном для верхних поясов тяжелых мостовых ферм. Жесткость сечения повышается, если снизу вертикальные листы соединить решеткой (рис.9.11,ж ) или перфорированным листом.

Одностенчатое двутавровое сечение состоит из сварного или широкополочного прокатного двутавра, поставленного вертикально (рис.9.11,и ).

Трубчатые стержни применяются в тяжелых сварных фермах, имеют те же преимущества, что и в легких фермах.

Замкнутое коробчатое сечение (рис.9.11,к,л,м ) обладает повышенной изгибной и крутильной жесткостью, поэтому применяют его для длинных сжатых элементов тяжелых ферм. Сечение может быть выполнено как из гнутых элементов, так и сварных, составленных из четырех листов.

9.4. Расчет ферм

Определение расчетной нагрузки. Вся нагрузка, действующая

на ферму прикладывается обычно в узлах фермы, к которым прикрепляются элементы поперечной конструкции (прогоны кровли или подвесные потолки), передающие нагрузку на ферму. Если нагрузка приложена непосредственно в панели, то в основной расчетной схеме она также распределяется между ближайшими узлами, но дополнительно учитывается местный изгиб пояса от расположенной на нем нагрузки. Пояс фермы при этом рассматривается как неразрезная балка с опорами в узлах.

постоянной , в которую входит собственный вес фермы и всей поддерживаемой конструкции (кровли с утеплением, фонарей и т.п.).

временной – нагрузки от подвесного подземно-транспортного оборудования, полезной нагрузки, действующей на подвешенное к ферме чердачное перекрытие, и т.п.

кратковременной, например, атмосферной – снег, ветер.

Расчетная постоянная нагрузка, действующая на любой узел стропильной зависит от грузовой площади, с которой она собирается (рис.9.12) и определяется по формуле

где - собственный вес фермы и связей, кН/м? горизонтальной проекции кровли; - вес кровли, кН/м?; - угол наклона верхнего пояса к горизонту; - расстояние между фермами; и - примыкающие к узлу панели; - коэффициент надежности для постоянной нагрузки.

В отдельных узлах к нагрузке, получаемой по формуле (9.2), прибавляется нагрузка от веса фонаря.

Снег – нагрузка временная и может загружать ферму лишь частично; загружение снегом одной половины фермы, может оказаться невыгодным для средних раскосов.

Расчетную узловую нагрузку от снега определяют по формуле:

где - вес снегового покрова на 1 м? горизонтальной проекции кровли; - коэффициент надежности для снеговой нагрузки.

Значение “ S ” должно определяться с учетом возможного неравномерного распределения снегового покрова около фонаря или перепадов высот.

Давление ветра учитывается только на вертикальные поверхности, а также на поверхности с углом наклона к горизонту более 30 0 , что бывает в башнях, мачтах, эстакадах, а также в крутых треугольных стропильных фермах и фонарях. Ветровая нагрузка приводится к узловой. Горизонтальная нагрузка от ветра на фонарь при расчете стропильной фермы не учитывается, так как ее влияние на работу фермы не значительно.

9.5. Определение усилий в стержнях ферм

При расчете ферм со стержнями из уголков или тавров предполагается, что в узлах системы – идеальные шарниры, оси всех стержней прямолинейны, расположены в одной плоскости и пересекаются в центрах узлов (см. рис.9.12). Стержни такой системы работают только не осевые усилия: напряжения, найденные по этим усилиям, являются основными.

В фермах со стержнями, имеющими повышенную жесткость, влияние жесткости соединений в узлах более значительно. Моменты, возникающие в узлах, приводят к более раннему возникновению пластических деформаций и снижают хрупкую прочность стали. Поэтому для двутавровых, трубчатых и Н-образных сечений расчет ферм по шарнирной системе допускается при отношении высоты сечения к длине не более для конструкций, эксплуатируемых при расчетной температуре не ниже – 40 0 С. При повышении этих отношений следует учитывать дополнительные изгибающие моменты в стержнях от жесткости узлов.

В верхних поясах ферм при непрерывном опирании на них настилов (равномерное распределение нагрузки на пояса фермы) допускается вычислять моменты по следующим формулам:

пролетный момент в крайней панели

;

пролетный момент промежуточных панелей

;

момент в узле (опорный)

,

Кроме того, в стержнях возникают напряжения от моментов в результате неполного центрирования стержней в узлах. Эти напряжения не являющиеся основными расчетом не учитываются, так как допускаемые эксцентриситеты в фермах малы.

Смещение оси поясов ферм при изменении сечений не учитывается, если оно не превышает 1,5% высоты пояса.

Расчет ферм следует выполнять на ЭВМ, что позволяет рассчитать любую схему фермы на статические и динамические нагрузки.

Использование ЭВМ позволяет получать расчетные усилия в стержнях с учетом требуемых сочетаний нагрузок, оптимизировать конструкцию, т.е. найти оптимальную схему фермы, материал стержней, тип сечений и т.п., получить наиболее экономичное проектное решение.

При отсутствии ЭВМ усилия в стержнях ферм определяют графическим методом, т.е. построением диаграмм Максвелла-Кремоны, или аналитическим (методом вырезания узлов). Причем для каждого вида нагрузок (нагрузки от покрытия, подвесного транспорта и т.п.) строят свою диаграмму. Для ферм с несложными схемами (например, с параллельными поясами) и небольшим числом стержней более простым является аналитическое определение усилий.

Если ферма работает на подвижную нагрузку, то максимальное усилие в стержнях фермы определяют по линии влияния.

В соответствии с классификацией сочетаний нагрузок (основные и особые) усилия определяют отдельно для каждого вида сочетаний и несущую способность стержней определяют по окончательному расчетному наибольшему усилию.

Рекомендуется результаты статического расчета записывать в таблицу, в которой должны быть приведены значения усилий от постоянной нагрузки, от возможных комбинаций временных нагрузок (например, от одностороннего нагружения снегом), а также расчетные усилия как результат суммирования усилий при не выгоднейшем нагружении для всех возможных сочетаний нагрузок.

9.6. Определение расчетной длины стержней

В момент потери устойчивости сжатый стержень выпучивается, поворачивается вокруг центров соответствующих узлов и вследствие жесткости фасонок заставляет поворачиваться и изгибаться в плоскости фермы остальные стержни.

Примыкающие стержни сопротивляются изгибу и повороту узла и

Препятствуют свободному изгибу стержня, теряющего устойчивость.

Наибольшее сопротивление повороту узла оказывают растянутые стержни. Сжатые стержни слабо сопротивляются изгибу.

Таким образом, чем больше растянутых стержней примыкает к сжатому стержню и чем они мощнее (больше их погонная жесткость), тем выше степень защемления стержня и меньше его расчетная длина; влиянием сжатых стержней на защемление можно пренебречь.

Сжатый пояс оказывается слабо защемленным в узлах, так как с каждой стороны к нему примыкает только по одному растянутому раскосу, погонная жесткость которых значительно меньше погонной жесткости пояса. Поэтому защемлением сжатого пояса в запас устойчивости можно пренебречь и принимать его расчетную длину равной расстоянию между смежными узлами.

Таким образом, при большей степени защемления меньше расчетная длина стержня фермы

где - коэффициент приведения длины, зависящий от степени защемления;

Расстояние между центрами узлов.

По нормам коэффициент приведения длины “” элементов решетки из

уголков в плоскости фермы равен 0,8. Тогда расчетная длина в плоскости фермы определяется с некоторым запасом, в особенности для средних раскосов, жесткость которых по сравнению с примыкающими стержнями невелика.

Исключение составляет опорный восходящий раскос, условия работы которого в плоскости фермы такие же, как и у верхнего пояса, поэтому расчетная длина опорного раскоса в плоскости фермы принимается равной расстоянию между центрами узлов.

Расчетная длина пояса в плоскости, перпендикулярной плоскости фермы, принимается равной расстоянию между узлами, закрепленными связями от смещения из плоскости фермы.

В беспрогонных покрытиях верхний пояс стропильных ферм закреплен в плоскости кровли плитами или панелями настила, прикрепленными к поясам ферм в каждом узле. В этом случае за расчетную длину пояса из плоскости фермы принимают ширину одной плиты.

Расчетная длина стержней решетки при выгибе их из плоскости фермы принимается равной расстоянию между геометрическими центрами узлов, так как фасонки очень гибки и рассматриваются как листовые шарниры.

В трубчатых фермах с бесфасонными узлами расчетная длина раскоса, как в плоскости фермы, так и из нее, с учетом повышенной крутильной жесткости замкнутых сечений применятся равной 0,9.

В других случаях расчетная длина элементов ферм принимается по нормали.

9.7. Предельные гибкости стержней

Элементы конструкций должны проектироваться из жестких стержней. Особенно существенное значение имеет гибкость “” для сжатых стержней теряющих устойчивость при продольном изгибе.

Даже при незначительных сжимающих усилиях гибкость сжатых стержней не должна быть слишком большой, так как гибкие стержни легко искривляются от случайных воздействий, провисают, вибрируют при динамических нагрузках. Поэтому для сжатых стержней устанавливается предельная гибкость, зависящая от назначения стержня и степени его нагружения

, где - расчетное усилие, - несущая способность стержня:

сжатые пояса, а также опорные стойки и раскосы,

передающие опорные реакции……………………………………………… 180-60

прочие сжатые стержни фермы………………………………………………… 210-60

сжатые стержни связей……………………………………………………………200

При этом принимается не менее 0,5.

Растянутые стержни конструкций так же не должны быть слишком гибкими, так как могут прогнуться при транспортировании и монтаже.

Стержни должны иметь достаточную жесткость особенно в конструкциях подверженных динамическим воздействиям.

Для растянутых стержней ферм, подвергающихся действию динамической нагрузки, установлены следующие значения предельной гибкости:

растянутые пояса и опорные раскосы………………………………………250

прочие растянутые стержни ферм………………………………………….350

растянутые стержни связей………………………………………………….400

В конструкциях, не подвергающихся динамическим воздействиям, гибкость растянутых стержней ограничивают только в вертикальной плоскости (чтобы предотвратить чрезмерное провисание), установив для всех растянутых стержней предельную гибкость .

9.8. Подбор сечений элементов ферм

В фермах из прокатных и гнутых профилей для удобства комплектования металла принимают не более 5-6 калибров профилей.

Из условия обеспечения качества сварки и повышения коррозионной стойкости толщину профилей (труб, гнутых сечений) не следует принимать менее 3 мм, а для уголков – менее 4 мм. Для предотвращения повреждения стержней при транспортировке и монтаже не следует применять профили менее 50 мм.

Профильный прокат поставляется длиной до 12 м, поэтому при изготовлении ферм пролетом 24 м (включительно) элементы пояса принимают постоянного сечения.

Для снижения расхода стали, целесообразно, особенно при больших усилиях и нагрузках, элементы ферм (пояса, опорные раскосы) проектировать из стали повышенной прочности, а остальные элементы – из обычной стали.

Выбор стали для ферм производится в соответствии с нормами. Так как стержни ферм работают в относительно благоприятных условиях (одноосное напряженное состояние, незначительная концентрация напряжений и т.п.), то для них применяют стали полуспокойной выплавки. Фасонки ферм работают в сложных условиях (плоское поле растягивающих напряжений, наличие сварочных напряжений, концентрация напряжений вблизи швов), что повышает опасность хрупкого разрушения, поэтому требуется более качественная сталь – -спокойная.

Подбор сечений элементов ферм удобно оформлять в табличной форме (табл. 9.1).

9.9. Подбор сечений сжатых элементов

Предельное состояние сжатых элементов ферм определяется их устойчивостью, поэтому проверка несущей способности элементов выполняется по формуле

(9.5)

где - коэффициент условий работы (по прил.14).

Коэффициент “”, является функцией гибкости и типа сечения (см. прил.8).

Для подбора сечения необходимо наметить тип сечения, задаться гибкостью стержня, определить коэффициент “” по прил.8 и найти требуемую площадь сечения

(9.6)

При предварительном подборе можно принять для поясов легких ферм , а для решетки . Большие значения гибкости применяются при меньших усилиях.

По требуемой площади подбирается по сортаменту подходящий профиль, определяются его фактические геометрические характеристики А, , , находятся ; . При большей гибкости уточняется коэффициент “” и проводится проверка устойчивости по формуле (9.5). Если гибкость стержня предварительно была задана неправильно и проверка показала перенапряжение или значительное (больше 5-10%) недонапряжение, то проводят корректировку сечения, принимая промежуточное значение между предварительно заданным и фактическим значениями гибкости. Второе приближение, обычно, достигает цели.

Местную устойчивость сжатых элементов можно считать обеспеченной, если толщина полок и стенок профилей больше, чем требуется из условия устойчивости.

Для составных сечений предельные гибкости полок и стенок определяются в соответствии с нормами (см.гл.2).

Пример 9.1. Требуется подобрать сечение верхнего пояса фермы по расчетному усилию

Расчетные длины стержня l x = 2.58; l y = 5.16м. Материал – сталь С245; R y = 24кН/см2. Коэффициент условий работы ? с = 0,95; толщина фасонки 12мм. Поскольку l y = 2l x , принимаем тавровое сечение из двух не равнополочных уголков, расположенных узкими полками вместе. Задаемся гибкостью в пределах, рекомендуемых для поясов: ? = 80. Принимаемому сечению соответствует тип кривой устойчивости с и, следовательно, при = 80 = 2,73, ? = 0,611.

Требуемая площадь сечения А тр = N /(?R y ? c ) = 535/(0.611 = 38.4см2.

Принимаем сечение из двух уголков 125x80x10, поставленных вместе меньшими полками; А = 19,7x2 = 39,4; i x = 2.26см; i y = 6,19см (следует обратить внимание, что индексы расчетных осей и осей по сортаменту для не равнополочных уголков могут не совпадать);

? x = 258/2.26 = 114; ? y = 516/6,19 = 83; = 3,89; ? = 0,417;

N /(?A ) = 535/(39.4 = 32.6кН/см2 >R y ? c = 22.8кН/см 2

Сечение подобрано неудачно и имеет большое перенапряжение. Принимаем гибкость (между предварительно заданной и фактической) ? = 100;

? = 0,49;

А тр = 535/(0,49

Принимаем два уголка: 160x100x9; А = 22,9= 45,8см 2 ; i x = 2.85см (i y не лимитирует сечение); ? x = 258/2.85 = 90.5;

? = 0,546;

N /(?A ) = 535/(0.546 = 21.4кН/см 2 < R y ? c = 22.8кН/см 2

Оставляем принятое сечение из двух уголков размером 160x100x9.

9.10. Подбор сечения растянутых элементов

Предельное состояние растянутых элементов определяется их разрывом , где - временное сопротивление стали, или развитием чрезмерных пластических деформаций , где - предел текучести стали.

Стали с нормативным пределом текучести кН/см? имеют развитую площадку текучести (см. гл.1), поэтому несущая способность элементов из таких сталей проверяется по формуле

(9.7)

где - площадь сечения нетто.

Для элементов, выполненных из сталей, не имеющих площадку текучести (условный предел текучести O 02 > 44кН/см?), а также, если эксплуатация конструкции возможна и после развития пластических деформаций, несущая способность проверяется по формуле:

где - расчетное сопротивление, определенное по временному сопротивлению;

Коэффициент надежности при расчете по временному сопротивлению.

В практике проектирования расчет растянутых элементов проводится по формуле (9.7).

При проверке растянутого элемента, когда несущая способность определяется напряжениями, возникающими в наиболее ослабленном сечении (например, отверстиями для болтов), необходимо учитывать возможные ослабления и принимать площадь нетто.

Требуемая площадь нетто растянутого элемента определяется по формуле

(9.9)

Затем по сортаменту выбирают профиль, имеющий ближайшее большее значение площади.

Пример 9.2 . Требуется подобрать сечение растянутого раскоса фермы по расчетному усилию N =535кН. Материал сталь – сталь С245; R y = 24кН/см 2 ; ? с = 0,95

Требуемая площадь сечения А тр = 535/(24. Сечение не ослаблено отверстиями.

Принимаем два равнополочных уголка 90x7; А = 12,3 = 24,6см2 > А тр .

9.11. Подбор сечения элементов ферм, работающих на действие продольной силы и изгиб (внецентренное растяжение и сжатие)

Предельное состояние внецентренно растянутых элементов определяется чрезмерным развитием пластических деформаций в наиболее нагруженном состоянии. Их несущая способность определяется по формуле (см. гл.2).

Пример 9.3. Подобрать сечение растянутого нижнего пояса при действии на него внеузловой нагрузки в середине длины панели (рис.9.13,а ) F=10кН. Осевое усилие в поясе N=800кН. Расстояние между центрами узлов d=3м. Материал конструкции – сталь С245;R y =24кН/см 2 . Коэффициент условий работы? с =0,95.

Рис. 9.13. К примеру 9.3 и 9.4

Подбираем сечение элемента из условия его работы на растяжение по формуле (9.9); A тр =800/(24 = 35,1см 2 .

Принимаем сечение из двух уголков 125х9; А=22=44см 2 ; моменты сопротивления для обушка W об x и пера W п x равны:

W об x = 327/3,4 = 192,4 см2; W п x =327/(12,5 – 3,4) = 72 см2

Момент с учетом неразрезности пояса М = (Fd / 4)0.9 = (10 /4)0.9 = 675 кН см.

Проверка несущей способности пояса: по табл.5 приложения для сечения из двух уголков n = 1, c = 1.6.

Пол формуле (9.10) для растянутого волокна (по обушку)

800 / (44= 0,893 < 1;

для сжатого волокна (по перу)

800 / (44 = 0,54 < 1

Принятое сечение удовлетворяет условию прочности.

9.12. Подбор сечения стержней по предельной гибкости

Ряд стержней легких ферм имеет незначительные усилия и, следовательно, небольшие напряжения. Сечения этих стержней подбирают по предельной гибкости (см. п.9.4.4). К таким стержням обычно относятся дополнительные стойки в треугольной решетке, раскосы в средних панелях ферм, элементы связей и т.п.

Зная расчетную длину стержня и значение предельной гибкости , определяют требуемый радиус инерции , а затем по сортаменту выбирают сечение и проверяют несущую способность подобранного сечения.

9.13. Особенности расчета и подбора сечений элементов тяжелых ферм

Стержни тяжелых ферм проектируются, как правило, составного сечения – сплошного или сквозного (см. рис.9.11).

Если высота сечения превысит длины элемента, необходимо учитывать моменты, возникающие от жесткости узлов, и подбирать сечения внецентренно сжатые или растянутые.

Узлы тяжелых ферм при больших усилиях делают двухстенчатыми, т.е. размещают фасонки по двум наружным граням поясов (рис.9.14). Для удобства крепления элементов ширину всех стержней “b ” следует сохранять постоянной. Обычно мм.

В необходимых случаях между фасонкой и гранью элемента устанавливают прокладки.

Пояса тяжелых ферм имеют в разных панелях разные сечения, связанные общностью типа и условиями сопряжения стержней в узлах. Пред началом

подбора устанавливают тип сечения (Н-образное, швеллерное, коробчатое) и намечают места изменения сечения. В сварных Н-образных сечениях обычно

изменяется высота вертикалов; в крайнем случае, может меняться и их толщина при сохранении постоянства расстояния между наружными гранями сечения. Горизонталь из условия устойчивости и жесткости сечения должена иметь толщину не менее расстояния между вертикалями и не менее 12 мм.

Основой швеллерных сечений являются два швеллера, которые проходят через все сечения (см. рис. 9.11,д ).

Швеллерное сечение развивают путем добавления вертикальных листов.

После подбора сечений производят их проверку. Проверка сечений сжатых стержней ферм выполняется так же, как центрально-сжатых колонн (см. гл.8). Н-образных – как сплошных, швеллерных – как сквозных, с той разницей, что ширина “b ” сечений здесь является заданной, а не определяемой из условия равно устойчивости.

При учете жесткости узлов подбор сечений ферм выполняют как внецентренно сжатых или внецентренно растянутых элементов.

Раскосы ферм обычно принимают швеллерного (см. рис.9.11,д ) или

Н-образного сечения (см. рис.9.11,а или 9.11,в ). Швеллерные сечения более выгодны при работе на продольный изгиб и поэтому часто применяются для длинных гибких раскосов, но они более трудоемки, по сравнению с Н-образными.

Ширину раскосов для простоты сопряжений на монтаже принимают на 2 мм меньше расстояние между гранями фасонок.

9.14. Конструкция легких ферм

Общие требования к конструированию. Чтобы избежать дополнительных напряжений от расцентровки осей стержней в узлах, их необходимо центрировать в узлах по осям, проходящим через центр тяжести (с округлением до 5 мм).

Угловые моменты, определяются как произведение нормальных усилий стержней и внешних узловых сил на их плечи до точки пересечения двух раскосов (рис.9.15).

Момент 1 , распределяется между элементами фермы, сходящимися в узле пропорционально их погонным жесткостям. Если жесткость элементов решетки по сравнению с поясом мала, то момент

воспринимается в основном поясом фермы. При постоянном сечении пояса и одинаковых панелях момент в поясе .

Чтобы уменьшить сварочные напряжения в фасонках, стержни решетки не

доводятся до поясов на расстояние мм, но не более 80 мм (здесь - толщина фасонки в мм). Между торцами стыкуемых элементов поясов ферм, перекрываемых накладками, оставляют зазор не менее 50 мм.

Толщину фасонок выбирают в зависимости от действующих усилий (табл.9.2) и принятой толщины сварных швов. При значительной разнице усилий в стержнях решетки можно принимать две толщины в пределах отправочного элемента. Разница толщин фасонок в смежных узлах не должна превышать 2 мм.

Размеры фасонок определяются необходимой длиной швов крепления элементов. Фасонки должны быть простого очертания, чтобы упростить их изготовление и уменьшить количество обрезков. Целесообразно унифицировать размеры фасонок и иметь на ферму один – два типоразмера. Стропильные фермы пролетом 18-24 м разбивают на два отправочных элемента с укрупнительными стыками в средних узлах. Стыки следует проектировать так, чтобы правая и левая полуфермы были взаимозаменяемыми.

При проектировании ферм со стержнями из широкополочных двутавров и тавров, из замкнутых гнуто сварных профилей или из круглых труб надо пользоваться специальными руководствами.

9.15. Фермы из одиночных уголков

В легких сварных фермах из одиночных уголков узлы можно проектировать без фасонок, приваривая стержни непосредственно к полке поясного уголка угловыми швами (рис.9.16). Уголки следует прикреплять обваркой по контуру. Допускается приварка уголка одним фланговым швом (у обушка) и лобовыми швами, а также центрация осей стрежней решетки на обушок пояса

Рис. 9 16. Узлы ферм из одиночных уголков

(рис.9.16,а ). Если для крепления стержней решетки к полке поясов не хватает

места, то к полке пояса приваривают планку (рис.9.16,б ), создающую в узле необходимое уширение.

9.16. Фермы из парных уголков

В фермах из парных уголков, составленных тавром, узлы проектируют на фасонках, которые заводят между уголками. Стержни решетки прикрепляют к фасонке фланговыми швам (рис.9.17). Усилие в элементе распределяется между швами по обушку и перу уголка обратно пропорционально их расстояниям до оси стержня. Разность площадей швов регулируется толщиной и длиной швов. Концы фланговых швов выводят на торцы стержня на 20 мм для снижения концентрации напряжения. Фасонки прикрепляют к поясу сплошными швами и

выпускают их за обушок поясных уголков на 10-15 мм.

Швы, прикрепляющие фасонку к поясу, при отсутствии узловых нагрузок рассчитывают на разность усилий в смежных панелях пояса (рис.9.16,в )

В месте опирания на верхний пояс прогонов или кровельных плит

(рис.9.17,в ,г ) фасонки не д оводят до обушков поясных уголков на 10-15мм.

Чтобы прикрепить прогоны, к верхнему поясу фермы приваривают уголок с отверстиями под болты (рис.9.17,в ). В местах опирания крупнопанельных плит верхний пояс стропильной фермы усиливают накладками мм, если толщина поясных уголков менее 10 мм при шаге ферм 6 м и менее 14 мм при шаге ферм 12 м.

В избежании ослабления сечения верхнего пояса не следует приваривать накладки поперечными швами.

При расчете узлов обычно задаются значением “” и определяют требуемую длину шва.

Фасонки ферм с треугольной решеткой конструируют прямоугольного сечения, с раскосной решеткой – в виде прямоугольной трапеции.

Для обеспечения плавной передачи усилия и снижения концентрации напряжений угол между краем фасонки и элементом решетки должен быть не менее 15 0 (рис.9.17,в ).

Стыки поясов необходимо перекрывать накладками, выполненными из

листов (рис.9.18) или уголка. Для того чтобы прикрепить уголковую накладку

необходимо срезать обушок и полку уголка. Уменьшение его площади сечения компенсируется фасонкой.

При установке листовых накладок в работу включается фасонка. Центр тяжести сечения в месте стыка не совпадает с центром тяжести сечения пояса, и оно работает на внецентренное растяжение (или сжатие), поэтому стык пояса выносят за пределы узла, чтобы облегчить работу фасонок.

Для обеспечения совместной работы уголков их соединяют прокладками. Расстояние между прокладками должно быть не более 40i для сжатых и 80i для растянутых элементов, где i - радиус инерции одного уголка относительно оси, параллельной прокладке. При этом в сжатых элементах ставится не менее двух прокладок.

Решения укрупнительного узла фермы при их поставке из отдельных отправочных элементов показаны на рис.9.19.

Конструкции опорных узлов зависит от вида опор (металлические или железобетонные колонны, кирпичные стены и т.д.) и способ сопряжения (жесткое или шарнирное).

При свободном опирании ферм на нижележащую конструкцию возможное решение опорного узла показано на рис.9.20. Давление фермы через плиту

а – центрирование стержней; б – узел при раскосной решетке; в – прикрепление прогонов; г – прикрепление крупнопанельных плит

передается на опору. Площадь плиты определяется по несущей способности материала опоры.

(9.12)

где - расчетное сопротивление материала опоры на сжатие.

Плита работает на изгиб от отпора материала опоры аналогично плите базы колонны (см. гл.8).

Давление фермы на опорную плиту передается через фасонку и опорную стойку, образующие жесткую опору крестового сечения. Оси пояса и опорного раскоса центрируются на ось опорной стойки.

Швы, приваривающие фасонку и опорную стойку к плите, рассчитывают на опорную реакцию.

В опорной плите устраивают отверстия для анкеров. Диаметр отверстий делают в 2-2,5 раза больше диаметра анкеров, а шайбы анкерных болтов приваривают к плите.

Для удобства сварки и монтажа узла расстояние между нижним поясом и

опорной плитой принимают больше 150мм.

Аналогично конструируем опорный узел при опирании фермы в уровне верхнего пояса (рис.9.19.б).

9.17. Ферма с поясами из широкополочных тавров с параллельными гранями полок

Тавры с параллельными гранями полок получают путем продольного роспуска широкополочных двутавров. Тавры применяют в поясах ферм; решетка выполняется из спаренных или одиночных прокатных или гнутых

уголков. Фермы с поясами из тавров экономичнее по расходу металла на

10-12%, по трудоемкости на 15-20% и по стоимости на 10-15% по сравнению с

фермами из парных уголков. Экономия достигается за счет уменьшения числа деталей, размеров фасонок и длины сварных швов.

При небольших усилиях в раскосах швы их крепления к поясу размещаются на стенке тавра (рис.9.21,а ). При больших усилиях (опорный и соседний с ним раскосы) для обеспечения необходимой длины шва приваривают к стенке тавра узловую фасонку той же толщины (рис.9.21,б ). Стыковой шов соединения фасонки со стенкой тавра рассчитывается на срез от усилия, равного разности усилий в примыкающих панелях пояса.

а – на сварке; б – на болтах; 1 – линия сгиба стыковой накладки

а – опирание на уровне нижнего пояса; б – тоже, верхнего пояса

Изменение сечения пояса может быть осуществлено встык (рис.9.21,б ) или с помощью листовой вставки и накладки (рис.9.21,в ).

Укрупненные стыки отправочных марок выполняются на сварке или высокопрочных болтах.

Высокие экономические показатели имеют фермы с поясами из тавров и перекрестной решеткой из одиночных уголков (см. рис.9.6,ж ). Раскосы тавра без фасонок (рис.9.21,г ). В месте пересечения раскосы соединяются на сварке или болтах. Растянутый раскос препятствует потере устойчивости сжатого раскоса и уменьшает его расчетную длину. как в плоскости, так и из плоскости фермы в 2 раза.

а – узел без фасонки; б – узел с дополнительной фасонкой и изменением сечения пояса встык; в – узел с изменением сечения пояса с помощью накладки и вставки; г – узел фермы с перекрестной решеткой из уголков

9.18. Фермы из труб

В трубчатых фермах рациональны безфасоночные узлы с непосредственным примыканием стержней решетки к поясам (рис.9.22,а ). Узловые сопряжения должны обеспечивать герметизацию внутренней полости фермы, чтобы предотвратить там коррозию.

Стержни также центрируются по геометрическим осям, но допускается и эксцентриситет не более одной четверти диаметра поясной трубы, если она используется при неполной несущей способности.

Расчет такового узлового сопряжения довольно сложен и относится к области расчета пересекающихся цилиндрических оболочек.

Прочность шва, прикрепляющего трубчатый стержень решетки, можно проверить в запас прочности по формуле

где - коэффициент условий работы шва, учитывающий неравномерность распределения напряжения по длине шва; - длина шва, определяемая по формуле

l w = 0.5 ? d ? [ 1.5(1 + cosec ? ) - cosec ? ] (9.15)

Значение коэффициента?, зависящего от соотношения диаметра труб

приведены в табл.9.3.

При недостаточной толщине пояса его можно усилить (рис.9.22,а ). Накладки вырезают из труб того же диаметра, что и пояс или изгибают из листа толщиной не менее одной и не более двух толщин стенки поясной трубы

При передаче на пояс фермы сосредоточенных нагрузок (от веса кровли, подвесного транспорта и т.п.) необходимо предусмотреть детали для

приложения этих нагрузок симметрично относительно осей плоскости фермы вдоль боковых участков стенки поясной трубы.

Укрупнительное соединение стропильных ферм в коньковом узле выполнять с центрирующей прокладкой между фланцевыми заглушками.

Если нет станков для фигурной обработки торцов труб, узлы трубчатых ферм можно сплющивать (рис.9.22,б ), а в исключительных случаях выполнять на фасонках (рис.9.22,в ). Сплющивание концов допустимо лишь для труб из низкоуглеродистой или другой пластичной стали.

Трубы одинакового диаметра соединяют встык на остающемся подкладном кольце (рис.9.23,а ). При низком расчетном сопротивлении наплавленного металла стыковое соединение на подкладном кольце выполняют косым швом (рис.9.23б ).

Стыковое соединение можно также выполнить с помощью парных кольцевых накладок, гнутых из листа или вырезаемых из труб того же или несколько большего диаметра (рис.9.23,в ). Толщину накладок и сварного шва рекомендуется принимать на 20% больше толщины стыкуемых труб.

Стыкуемые соединения труб разных диаметров, работающих на сжатие, могут выполняться с помощью торцевых прокладок (рис.9.23,г ). На монтаже часто применяются фланцевые соединения на болтах (рис.9.23,д ).

Решения опорных узлов приведены на рис.9.24.

9.19. Фермы из гнутых профилей

Фермы из гнутых сварных замкнутых профилей (ГСП) проектируют с бесфасоночными узлами (рис.9.25). Для упрощения конструкции узлов следует принимать треугольную решетку без дополнительных стоек, при которой к поясам примыкает не более двух элементов.

а – с непосредственным примыканием; б – со сплющиванием концов стержней;

в – на фасонках; г – со вставками; 1 - заглушка

Толщину стенок стержней принимать не менее 3 мм. Применение профилей одинаковых размеров сечения, отличающихся толщиной стенок менее чем на 2 мм не допустимо в одной ферме.

Ширину стержней решетки “” (из плоскости конструкции) следует принимать, возможно, большей. Но не более из условия наложения продольных сварных швов и не менее 0,6 поперечного размера пояса

В (, - толщина пояса и решетки).

Углы примыкания раскосов к поясу должны быть не менее 30 0 для обеспечения плотности участка сварного шва со стороны острого угла.

Сварные швы, прикрепляющие стержни решетки к полкам поясов рассчитывают как стыковые (см. гл.4).

Узлы ферм из открытых гнутых профилей можно выполнять без фасонок.

При поясе фемы коробчатого сечения и раскосах из двух ветвей, соединенных планками, раскосы примыкают с двух сторон внахлестку к поясу и привариваются фланговыми швами (рис.9.25,а ). Если высота пояса недостаточна, то к нему приваривают фасонки в двух плоскостях стыковыми швами (рис.9.25,б ). Опорный узел показан на рис.9.25,в .

9.20. Оформление рабочего чертежа легких ферм (КМД)

На деталировочном (рабочем) чертеже показывают фасад отправочного элемента, планы верхнего и нижнего поясов, вид сбоку и разрезы. Узлы и сечения стержней чертят в масштабе 1:10-1:15 на схеме фермы, вычерченной в масштабе 1:20-1:30 (см. рис.13).

Основными размерами узла являются размеры от центра узла до торцов прикрепляемых стержней решетки и до края фасонки (см. рис.9.17). Длина стержней решетки и фасонок назначается кратными 10 мм. На чертеже указываются размеры сварных швов и расположение отверстий под болты.

На деталировочном чертеже размещается спецификация деталей для каждого отправочного элемента и таблица заводских швов или болтов.

В примечаниях указываются особенности изготовления конструкции, неясные из чертежа

9.21. Узлы тяжелых ферм

В тяжелых фермах надо более строго выдерживать центрирование стержней в узлах по осям, проходящим через центр тяжести, так как даже небольшие эксцентриситеты при больших усилиях в стержнях вызывают значительные моменты, которые необходимо учитывать при расчете ферм.

При изменении сечения поясов центрирование элементов следует проводить по осредненной линии центров тяжести, при этом в расчете учитывается момент от расцентровки (если эксцентриситет больше 1,5% высоты сечения пояса).

Тяжелые фермы имеют, как правило, высоту больше 3,85 м, поэтому их собирают на монтаже из отдельных элементов. Монтажные стыки располагают в узлах или вблизи узлов.

При расположении стыка в узле, усложняется конструкция узла.

При монтаже не всегда удается обеспечить качество сварного соединения. Поэтому монтажные соединения элементов ферм, работающих на динамические нагрузки (мостовые, подкрановые фермы и т.д.), часто выполняют на высокопрочных болтах (рис.9.26). При Н-образном или швеллерном сечении стержней простыми и надежными являются узлы на фасонках, соединяющих с наружной стороны все подходящие к узлу стержни.

К фасонкам крепят только вертикальные элементы стержней.

Фасонки при устройстве стыков пояса в центре узла служат стыковыми элементами. Чтобы обеспечить работу фасонок целесообразно усиливать их в местах стыков наружными накладками. Число болтов, прикрепляющих

Рис.9.25. Узлы ферм из открытых гнутых профилей

накладки, увеличивается на 10%. Фасонки следует принимать достаточно толстыми, не меньше толщины скрепляемых элементов.

Болты в узлах тяжелых ферм следует размещать по унифицированным рискам на расстояниях, требуемых кондуктором и многошпиндельным сверлением (обычно при болтах мм шаг болтов принимают 80мм).

В большепролетных фермах горизонтальное смещение опор весьма значительно. Чтобы исключить дополнительные горизонтальные усилия, конструктивное решение опорных узлов должно соответствовать расчетной схеме (одна опора шарнирно неподвижная, другая – подвижная). Неподвижную

опору выполняют в виде плиточного шарнира или неподвижного балансира, подвижную на катках по типу мостовых ферм (см. гл.18).

9.22. Предварительно напряженные фермы

В фермах предварительное напряжение осуществляется затяжками, в неразрезных фермах – смещением опор. В разрезных фермах затяжки выполняются из высокопрочных материалов (стальных канатов, пучков высокопрочной проволоки и т.п.). Затяжки следует размещать так, чтобы в результате их натяжения в наиболее нагруженных стержнях фермы возникали усилия, обратные по знаку усилиями от нагрузки.

Затяжки можно размещать в пределах длины отдельных стержней, работающих под нагрузкой на растяжение, создавая в них предварительное напряжение сжатия (рис.9.27,а ). Этот способ эффективен только для тяжелых ферм.

В фермах, пояс которых (работающий на растяжение) имеет значительный удельный вес по расходу металла, можно создать предварительное напряжение одной затяжкой во всех панелях пояса (рис.9.27,б ).

В легких фермах наиболее эффективна схема типа арки с затяжкой (рис.9.27, в, г ).

Возможны выносные затяжки (рис.9.27,д ), разгружающее воздействие которых на стержни фермы может быть особенно значительным. Однако по условиям компоновки сооружения и транспортирования – выносную затяжку не всегда можно применить.

При размещении затяжки вдоль нижнего пояса по длине она соединяется диафрагмами с поясом и обеспечивает его от потери устойчивости во время предварительного напряжения (рис.9.28), когда нижний пояс получает сжимающие усилия.

При выносных затяжках и в схеме “арка с затяжкой” необходима принять меры для обеспечения устойчивости нижнего пояса в процессе предварительного напряжения. В этом случае следует осуществлять натяжение затяжки в проектном положении, когда ферма раскреплена связями или же на земле во время монтажа, после чего выполнять натяжение и подъем (рис.9.29, а). В пространственных системах ферм, например, треугольного сечения, также можно производить натяжение внизу, так как нижний пояс закреплен от потери устойчивости (рис.9.29,б ).

Сечения стержней в предварительно напряженных фермах могут быть такими же как и в обычных. При предварительном напряжении отдельных стержней затяжки должны размещаться симметрично относительно вертикальной оси стержня. По конструктивным соображениям они часто проектируются из двух ветвей (см. рис.9.28).

Основы расчета и конструирования предварительно напряженных ферм изложены в спецкурсе (“Металлические конструкции” ).