Фермы
Ферма – система стержней, соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию. Фермы работают преимущественно на изгиб. Если нагрузка приложена в узлах, а оси элементов фермы пересекаются в центре узла, то жесткость узлов несущественно влияет на работу конструкции и их можно рассматривать как шарнирные. Стержни фермы работают на осевые усилия (растяжение – сжатие).
Параметры ферм: l =9-12м до 250 м и более; h ф=1-25м и более.
По сравнению со сплошными балками фермы более экономичны по затрате материала
Рис.12.1. Плоская (а) и пространственная (б) фермы
Основные элементы фермы – рис.12.2.
Рис.12.2. Элементы фермы: 1 – верхний пояс; 2 – нижний пояс; 3 – раскосы; 4 - стойки
Рис.12.3. Узлы ферм: а) – непосредственное примыкание элементов решетки к поясу; б) – соединение элементов с помощью фасонки
Классификация ферм:
Статическая схема (рис.12.4)
Рис.12.4. Система ферм:
а – балочная разрезная (до 40м);
б, в – неразрезная (не рекомендуются при слабых просадочных основаниях);
г – арочная;
д – рамная;
е – консольная
Очертание поясов (рис.12.5)
Рис.12.5. Очертания поясов ферм:
а – сегментное;
б – с параллельными поясами;
в – треугольное;
г – трапецеидальное
Очертания поясов ферм определяет их экономичность. Теоретически наиболее выгодное очертание – мо эпюре М, тогда усилия в стержнях минимальные.
Наиболее технологичны фермы трапецеидальные и с параллельными поясами или небольшим уклоном i =1,5% (одинаковые схемы узлов; примерно равные длины стержней; позволяют устроить жесткий рамный узел; минимальное количество стыков поясов → повторяемость конструктивных элементов; возможность их унификации и индустриализации изготовления).
Стропильные фермы треугольного очертания применяют для обеспечения большого уклона кровли (>20%) или для создания одностороннего освещения (шедовые покрытия). Недостатки: острый опорный узел попускает только шарнирное сопряжение с колоннами; стержни в средней части ферм чрезмерно длинные, подбираются по предельной гибкости → перерасход металла.
Сегментные и полигональные (с переломом пояса в каждом узле) фермы трудоемки в изготовлении из-за криволинейного очертания пояса (сегментная), стыков в узлах перелома поясов. В настоящее время практически не применяются.
Система решетки (рис.12.6).Решетка (по аналогии со стенкой балки) объединяет пояса и служит для восприятия Q. Решетка должна соответствовать схеме приложения нагрузок (в узлах).
 | |||
 |
 |
Рис.12.6. Системы решеток ферм:
а – треугольная;
б – треугольная со стойками;
в, г – раскосная;
д – шпренгельная;
е – крестовая;
ж – перекрестная;
и – ромбическая;
к – полураскосная.
(+) растяжение
(–) сжатие
Угол между раскосами и поясом α=40-50° (αопт=45°).
Треугольная система решетки – имеет минимальное количество узлов и стержней, технологична в изготовлении. Недостаток – редкое расположение узлов (при h =3 м 2 d =6 м; кровельные панели b =1м, 3м).
В местах приложения нагрузок (опирания прогонов кровли) и для уменьшения расчетной длины пояса устанавливают дополнительные стойки или подвески (б), работающие только на местную нагрузку.
Знак усилия в раскосах зависит от его направления по отношению к равнодействующей R: восходящие раскосы сжаты, нисходящие растянуты.
Стойки сжаты, подвески растянуты.
Недостаток треугольной системы: наличие длинных сжатых раскосов.
Раскосная системы решетки. Угол α=30-40° (αопт=35°). Все раскосы имеют усилия одного знака, стойки – другого (рис.12.6 б,в). Применение раскосной решетки целесообразно при малой высоте ферм и больших узловых нагрузках. Более трудоемкая, чем треугольная.
Шпренгельная решетка применяется при внеузловом приложении сосредоточенных нагрузок к верхнему поясу.
При h ф =4-5м и αрац=40-50° 2 d ~8-10м.
Устройство шпренгельной решетки более трудоемко, но в результате исключения работы пояса на изгиб, уменьшения его расчетной длины при рациональном α может быть обеспечено снижение расхода стали.
Крестовая решетка эффективна при работе фермы на двухстороннюю нагрузку. Применяется в горизонтальных связевых фермах для создания пространственной жесткости основного каркаса.
Раскосы выполняют их гибких элементов, работающих только на растяжение. Сжатые элементы выключаются из работы, и ферма работает как система с нисходящими раскосами. Решетка имеет большую жесткость.
Ромбическая и полураскосная решетки имеют большую жесткость применяются в мостах, башнях, мачтах для уменьшения расчетной длины стержней. Рациональны при большой высоте ферм и работе на большие поперечные силы.
В фермах с поясами из тавров применяют перекрестную решетку из одиночных уголков с креплением раскосов непосредственно к стенке тавра.
Соединение элементов фермы. По способу соединения: сварные, болтовые, клепаные.
По величине максимальных усилий: легкие фермы с сечением элементов из прокатных или гнутых профилей (N <3000 кН), тяжелые фермы с элементами составного сечения (N >3000 кН).
ГЕНЕРАЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫФЕРМ
Пролет ферм назначают исходя из технологических и архитектурных требований (в проектном задании).
l =18, 24, 30, 36 м и т.д. с учетом модуля 6 м;
в индивидуальном проектировании допускается модуль 3 м.
Высота ферм назначается с учетом минимизации расхода стали, обеспечения необходимой жесткости, возможности транспортировки укрупненными элементами.
Оптимальная высота фермы h опт определяется из условия минимизации расхода металла на пояс и решетку: g поясов= g решетки (с фасонками)
h опт=(1/5÷1/6) l – не отвечает требованиям транспортировки:
высота грузов при перевозке по ж/д в зависимости от типа платформы ≤3,85–4 м.
Высота ферм с параллельными поясами и трапециевидных с учетом допустимых прогибов и условий транспортировки
h ==(1/7÷1/10) l.
При l >36м предусматривается строительный подъем, равный прогибу от постоянных и длительных нагрузок:
Высота на опоре h 0:
при уклоне верхнего пояса 1:8, l =18÷36м h 0=2,2м;
с параллельными поясами h 0=3,15м.
Высота треугольных ферм h = h (l,α); α=25-40°, h≈(1/4÷1/2) l > h опт→ неэкономичны по расходу материала.
Шаг ферм. Подстропильные фермы.
b =6м
b =12м – при больших пролетах ферм и по условиям технологии производства при шаге колонн 12м.
Рис.12.7. Покрытие с подстропильными фермами: 1 – стропильная ферма; 2 – подстропильная ферма;; 3 – колонна