Фермы
Ферма – сквозная решетчатая конструкция, состоящая из отдельных прямолинейных стержней, соединенных между собой в узлах. Эта система геометрически неизменяема даже в том случае, если все реальные узловые соединения заменены идеальными шарнирами (рис. 2.11).
Рис. 2.11 Схема фермы:
1 – верхний пояс; 2 – нижний пояс; 3 – раскос; 4 – стойка; 5 – опорный раскос;
6 – опорная стойка; 7 – опорный узел; 8 – коньковый узел
Фермы являются основами многих стержневых систем и разнообразны по назначению. Их используют в конструкции покрытий зданий (стропильные, подстропильные фермы), междуэтажных перекрытий, в качестве контурных диафрагм оболочек, складок и др.
Фермы изготавливают из стали, алюминиевых сплавов, древесины, железобетона. Иногда эти материалы комбинируют в целях наиболее рационального использования их свойств.
Ферма работает на изгиб от внешней вертикальной нагрузки, как правило, приложенной в узлах. Благодаря этому в элементах фермы возникают осевые растягивающие и сжимающие усилия, что обеспечивает более полное, сравнительно с балками, использование несущей способности материала.
Фермы могут быть двухопорными (разрезными), многоопорными (неразрезными) и консольными. Неразрезные фермы, разгруженные в пролете в результате действия опорных моментов, оказываются легче разрезных. Однако они сложнее в изготовлении, монтаже и чувствительнее к осадкам опор. неразрезные и консольные фермы не типизированы и применяются редко, главным образом для уникальных покрытий больших пролетов.
Стропильные фермы покрытий могут иметь разнообразную форму, отвечающую архитектурным и функциональным требованиям проектируемого объекта. Геометрическая схема фермы определяется очертанием поясов и видом решетки. По очертанию поясов стропильные фермы бывают четырехугольными (с параллельными и непараллельными поясами), пятиугольными (трапециевидные), многоугольными (полигональные), сегментными (кругового и параболического очертания), треугольными (с прямым или ломаным нижним поясом), одно- и двухскатными (рис. 2.12).
Рис. 2.12 Геометрические схемы ферм:
а – треугольная; б,в – четырехугольная с параллельными и непараллельными поясами; г – пятиугольная (трапециевидная); д – многоугольная (полигональная);
е – сегментная (арочная); ж – линзообразная (рыбчатая); з – вспарушенная
Очертания верхнего пояса ферм определяется, главным образом, архитектурой здания и увязывается с материалом кровли и уклоном. Линию нижнего пояса определяют наличие подвесного потолка и требования интерьера.
Фермы с параллельными поясами и трапециевидные наиболее просты по форме и в изготовлении, поэтому они широко применяются в гражданских и промышленных зданиях различного назначения, имея небольшую строительную высоту по сравнению с фермами других типов.
В общественных зданиях находят наибольшее применение линзообразные и вспарушенные фермы, а в промышленных зданиях – фермы с параллельными поясами и опиранием в узлах верхнего пояса и др.
Безраскосные фермы применяют в междуэтажных перекрытиях, когда межферменное пространство используется в качестве эксплуатируемого этажа. Такая ферма лишена свойства геометрической неизменяемости и может существовать при условии замены ее шарнирных узлов жесткими, то есть превращением ее в раму. К недостаткам этих ферм относится возникновение значительных изгибающих моментов в поясах и стойках, которые приводят к усилению их сечений и необходимости делать узлы более жесткими, а следовательно, к повышенному расходу стали.
Оптимальная высота фермы из условия минимальной массы и требуемой жесткости получается при отношении ее высоты к пролету: h/l =1/4…1/5 (относительная высота фермы). Чем она больше, тем меньше усилия в поясах. однако в этом случае фермы, имея значительную высоту, неудобны в транспортировке и монтаже, завышают объемы здания. Поэтому рекомендуемые высоты ферм меньше оптимальных.
Металлическими фермами обычно перекрывают пролеты более 24м. Иногда они достигают 100м, но начиная с 60…70м бывает целесообразнее использовать арки или рамы.
Деревянные фермы применяют для перекрытия пролетов 9…36м. Тем не менее, в мировой практике известны примеры применения ферм пролетом 70м. В нашей стране используются деревянные фермы индустриального изготовления – сегментные, многоугольные, трапециевидные, треугольные и шпренгельные (клееные, брусчатые). В большинстве своем они имеют нижний пояс из профильной или круглой стали и потому их называют металлодеревянными. В таких фермах выгодно сочетаются свойства древесины, хорошо работающей на сжатие в верхнем поясе, и стали – в растянутом нижнем поясе.
В железобетоне может быть реализована практически любая геометрическая схема фермы. Однако в современном строительстве используются наиболее рациональные типы: сегментные, с параллельными поясами и трапециевидные двухскатные с прямым или ломаным нижним поясом (рис. 2.13).
Пролеты типовых ферм – 18,24,30м при шаге 6…12м. Для пролетов более 30м экономически более выгодны металлические фермы, железобетонные арки или тонкостенные пространственные конструкции.
Железобетонные фермы отличаются большим собственным весом, превышающим вес стальных и деревянных ферм в 2 – 3 раза. Этот недостаток компенсируется их повышенной огнестойкостью и экономией стали (до 50%).
Рис. 2.13 Схемы железобетонных ферм:
а – треугольная; б – трапециевидная; в – односкатная; г – с параллельными поясами;
д – то же, безраскосная; е – то же, комбинированная; ж – полигональная;
з – сегментная; и – безраскосная; к – полигональная с ломаным нижним поясом
Арки
Арка – конструкция криволинейного очертания. Определяющий ее признак – распор, вызванный несмещаемостью ее опор. Очертание оси арки может быть параболическим, круговым, эллиптическим. Встречаются арки коробовые (многоцентровые), «ползучие» (опоры расположены на разных уровнях), а так же треугольные распорные системы (рис. 2.21).
Рис. 2.21 Очертания осей арок:
а – параболическая; б – круговая; в – эллиптическая;
г – коробовая; д – треугольная; е – «ползучая»
Пролеты арок – от 30 до 60м (в зависимости от материала), а уникальных арочных покрытий – до 100м. Они могут использоваться и как плоскостные несущие конструкции, и в составе пространственных покрытий в качестве диафрагм оболочек.
В зависимости от величины стрелы подъема арки делятся на пологие f= (1/8…1/6) l и подъемистые f= (1/4…1/2) l.
По статической работе различают арки трехшарнирные, двухшарнирные и бесшарнирные (рис. 2.22).
Рис. 2.22 Расчетные схемы арок и эпюры изгибающих моментов:
а – трехшарнирная; б – двухшарнирная; в – бесшарнирная
Трехшарнирная арка статически определима, она не чувствительна к смещениям опор и колебаниям температур; удобна в монтаже и перевозке в виде полуарок. Однако в силу неравномерного распределения изгибающих моментов по своей длине наиболее материалоемка.
Двухшарнирная арка единожды статически неопределима. Распор ее меньше, чем у трехшарнирной арки. Отличается более благоприятным распределением изгибающих моментов по своей длине, в силу чего получила наибольшее распространение.
Бесшарнирная арка трижды статически неопределима. Защемление ее в опорах способствует более равномерному распределению моментов по длине, благодаря чему конструкция отличается легкостью. Однако этот фактор делает ее чувствительной к осадкам опор и температурным воздействиям. Такая арка требует надежного основания и мощных фундаментов, что не всегда осуществимо по техническим и экономическим причинам.
В конструктивном решении арки бывают сплошного профиля (сплошностенчатые) или сквозные (решетчатые). Контуры арок, очерчиваемые их поясами, могут быть сегментными, серповидными или иметь постоянную высоту (рис. 2.23).
Распор в арках воспринимают затяжки, фундаменты или жесткие опорные конструкции (рис. 2.24). Пологие арки, как правило, имеют затяжки. Арки подъемистые, устанавливаемые на грунтовом основании, передают распор фундаментам, контрфорсам. При слабых грунтах или незначительных распорных усилиях, во избежание сдвига фундамента, устраивают в плоскости пола или под ним дополнительную затяжку. Чем положе арка, тем больше распор.
Рис. 2.23 Конструктивные схемы арок:
а, б, в – сплошного профиля; г, д, е – сквозные
Рис. 2.24 Основные способы восприятия распора арок:
а – затяжкой; б – грунтовым основанием и затяжкой; в – примыкающим сооружением
Металлические арки могут перекрывать пролеты от 30 до 150м.
Сплошностенчатые арки при пролетах до 60м имеют высоту сечения 1/50…1\80 пролета. Поперечное сечение поясов арок небольших пролетов выполняют обычно из прокатных профилей, а более мощных арок – в виде двутавровых или коробчатых профилей (рис. 2.25 а - в). Ребра жесткости устанавливают на расстояниях, примерно равных высоте сечения арки. Такие арки рассчитывают на прочность как сжато-изогнутые элементы.
Иногда из функциональных соображений проектируют системы из двух прямолинейных элементов (см. рис. 2.25 д). высоту их сечения принимают равной 1/15…1/20 пролета. По сравнению с криволинейными арками такие конструкции малоэффективны.
Рис. 2.25 Сечения поясов металлических арок:
а - в – сплошностенчатых; г-ж – сквозных
Сквозные (решетчатые) арки применяют при пролетах более 60м. Они проектируются преимущественно с параллельными поясами. Высота сечения таких арок составляет 1/30…1/60 пролета, поскольку они имеют меньшую жесткость. Пояса арок компонуют из уголков, швеллеров, двутавров, труб. При больших пролетах и усилиях сквозные арки делают пространственными с треугольным или четырехугольным поперечным сечением (рис. 2.25 г-ж). Решетка, выполняемая из одиночных профилей, – обычно треугольная, часто с дополнительными стойками, уменьшающими длину сжатых панелей.
Сечения сплошных и сквозных арок рекомендуется принимать постоянными по всей длине. Иногда двух- и трехшарнирные арки с целью экономии металла проектируют серповидными или сегментными.
Деревянные арки могут перекрывать пролеты от 12 до 100м. Сплошностенчатые арки по технологическим соображениям делают, как правило, с постоянным радиусом кривизны. Стрела подъема f= 1/4…1/10 пролета l.
Поперечное сечение криволинейной арки компонуется из пакета склееных досок толщиной до 33мм (дощатоклееные арки). Предпочтительна прямоугольная форма сечения с отношением сторон h/b ≤4. Высота сечения арки h= (1/30…1/50) l.
Железобетонные арки можно применять, начиная с пролета 18м, но экономичнее ферм они становятся при пролетах более 30м. наиболее целесообразно перекрывать ими пролеты от 36 до 80м.
Ось арки может иметь параболическое или круговое очертание (для упрощения изготовления). Наиболее распространенные – это двухшарнирные арки пролетом до 36м. их выполняют пологими со стрелой подъема f= (1/6…1/8) l. Распор обычно воспринимается затяжкой.
Большепролетные подъемистые арки имеют более сложное очертание оси. Их обычно выполняют трехшарнирными (из двух полуарок). Распор передается на фундаменты и грунты основания. При слабых грунтах устраивают затяжку, расположенную ниже уровня пола (рис. 2.26).
Арки могут быть сборными в виде монтажных блоков длиной от 6 до 12м или монолитными. Их выполняют из бетона классов В30 и В40. шаг арок 6…12м. По аркам укладывают железобетонные панели покрытия, крепящиеся с помощью сварки закладных деталей и выполняющие также функции горизонтальных связей.
Рис. 2.26 Варианты опирания железобетонных арок
и способы погашения распора:
а – затяжкой; б – контрфорсом; в – рамой; г – фундаментом; 1 – арка; 2 – затяжка;
3 – колонна; 4 – пилон; 5 – рама; 6 – фундамент; 7 – подпольная затяжка
3. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ НЕСУЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ