Фермы. Области применения. Типы ферм и их компоновка.

Стальные фермы широко применяются в покрытиях промышленных и гражданских зданий, ангаров, вокзалов и т. п. Большепролетные мосты, радиобашни и мачты, опоры линий электропередачи и многие другие конструкции выполняются в виде стальных ферм; Наибольшее распространение имеют разрезные балочные фермы (рис. 9.1, а)

Неразрезные (рис. 9.1,б) и консольные (рис. 9.1, в) системы ферм рациональны при большой собственной массе конструкции,

Кроме того, неразрезные фермы можно применять исходя из требований эксплуатации, так как они обладают большей жесткостью и могут иметь меньшую высоту. Башни и мачты представляют собой вертикальные консольные системы ферм (рис. 9.1, е).

Соответствующие эксплуатационные или архитектурные требования могут обусловить применение арочных (рис. 9.1, г) или рамных (рис. 9.1, д) ферм.

Промежуточными между фермой и сплошной балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, усиленной либо снизу подвешенной цепью (шпренгельная балка) или сквозной фермой, либо сверху аркой или фермой (рис. 9.1, ж).

Очертание ферм должно соответствовать их статической схеме, а также виду нагрузок, определяющему эпюру изгибающих моментов.

Фермы треугольного очертания. Треугольное очертание придается стропильным фермам (рис. 9.2, а, г)

консольным навесам (рис. 9.2, б),

а также мачтам и башням (рис. 9.2, в).

Стропильные фермы треугольного очертания применяют, как правило, при значительном уклоне кровли, вызываемом или условиями эксплуатации здания, или типом кровельного материала. Стропильные фермы треугольного очертания имеют ряд конструктивных недостатков. Острый опорный узел сложен, допускает лишь шарнирное сопряжение фермы с колоннами, при котором снижается поперечная жесткость одноэтажного производственного здания в целом. Стержни решетки в средней части ферм получаются чрезмерно длинными, и их сечение приходится подбирать по предельной гибкости, что вызывает перерасход металла.

Фермы трапецеидального очертания со слабо вспарушенным верхним поясом (рис. 9.3, а) пришли на смену треугольным фермам благодаря появлению кровельных материалов, не требующих больших уклонов кровли.

Трапецеидальное очертание балочных ферм лучше соответствует эпюре изгибающих моментов и имеет конструктивные преимущества. В сопряжении с колоннами позволяет устраивать жесткие рамные узлы, что повышает жесткость здания. Решетка таких ферм не имеет длинных стержней в середине пролета.

Фермы полигонального очертания (рис. 9.3,б и в) наиболее приемлемы для конструирования тяжелых ферм больших пролетов, так как

очертания фермы соответствуют эпюре изгибающих моментов, что дает значительную экономию стали.

Дополнительные конструктивные затруднения из-за переломов пояса в тяжелых фермах не так ощутимы, ибо пояса в таких фермах из условий транспортирования приходится стыковать в каждом узле.

Для легких ферм полигональное очертание нерационально, так как получающиеся в этом случае конструктивные усложнения не окупаются незначительной экономией стали.

Фермы с параллельными поясами (рис. 9.3, г, д) имеют существенные конструктивные преимущества.

Равные длины стержней поясов и решетки, одинаковая схема узлов и минимальное количество стыков поясов обеспечивают в таких фермах наибольшую повторяемость деталей и возможность унификации конструктивных схем, что способствует индустриализации их изготовления. Эти фермы благодаря распространению кровель с рулонным покрытием стали основным типом в покрытиях зданий.

Генеральные размеры ферм

Определение пролета ферм. Пролет или длина ферм в большинстве случаев определяются эксплуатационными требованиями и общекомпоновочным решением сооружения.

Пролеты стропильных ферм, определяются технологической или архитектурной схемой сооружения и уточняются в зависимости от типа сопряжений с соседними элементами.

При свободном опирании ферм покрытий на опоры расчетный пролет фермы /0 может быть принят равным:

-для разрезных ферм — расстоянию между внутренними четвертями ширины опор, т. е.

l0=l+a/2

где / — расстояние в свету между опорами; а — ширина опоры;

-для средних пролетов неразрезных ферм l0=l+a.

При примыкании ферм к металлическим колоннам сбоку расчетный пролет фермы принимается равным расстоянию между колоннами в свету на отметке примыкания ферм.

Определение высоты, треугольных ферм. В треугольных фермах высота является функцией пролета и уклона кровли, которые зависят от материала кровли. Обычно треугольные фермы проектируют под кровли, требующие значительных уклонов (25—45°), что дает высоту ферм h=(1/4-1/2)l.

Определение оптимальной высоты трапецеидальных ферм и ферм с параллельными поясами. Если нет конструктивных ограничений, высота ферм может быть принята из условия наименьшего веса фермы Оптимальная высота фермы составит

Где lп=l/n, l- пролет,

n- число панелей.

При треугольной решетке оптимальное по весу соотношение:

При раскосной решетке оптимальное по весу соотношение:

При треугольной решетке с дополнительной стойками оптимальное по весу соотношение:

Определение высоты ферм из условий жесткости. Наименьшая возможная высота фермы определяется допустимым прогибом По формуле Мора можно получить для ферм с параллельными поясами при среднем значении аргументов формулу отношения наименьшей высоты к пролету

σ-максимальное напряжение в поясе от нагрузки, вызывающий прогиб.

Системы решеток ферм и их характеристика

Решетка ферм работает на поперечную силу, выполняя функции стенки сплошной балки.

Треугольная система решетки. В фермах трапецеидального очертания или с параллельными поясами весьма эффективной является треугольная система решетки (рис. 9.4, 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 добавляются дополнительные стойки (рис. 9.4,6), а иногда и подвески (рис. 9.4, в), позволяющие уменьшать, когда это необходимо, расстояния между узлами фермы. Дополнительные стойки целесообразны также для уменьшения расчетной длины сжатого пояса. Дополнительные стойки и подвески получаются весьма легкими, так как они работают только на местную нагрузку и не участвуют в передаче на опору поперечной силы. В фермах треугольного очертания также возможна треугольная система решетки (рис. 9.4,г). Общим недостатком треугольной системы решетки является наличие сжатых длинных раскосов, восходящих в фермах с параллельными поясами и нисходящих в треугольных фермах.

Раскосная система решетки. При ее проектировании нужно стремиться, чтобы наиболее длинные элементы — раскосы — были растянутыми, а стойки — сжатыми. Это требование удовлетворяется при нисходящих раскосах в фермах с параллельными поясами (рис. 9.5, а) и восходящих— в треугольных фермах. Однако в треугольных фермах восходящие раскосы образуют неудобные для конструирования узлы и имеют большую длину, так как идут по большей диагонали (рис. 9.5, в). Поэтому в треугольных фермах более приемлемы нисходящие раскосы (рис. 9.5,б); хотя они получаются сжатыми, но зато их длина меньше и узлы фермы более компактны. Применять раскосные решетки целесообразно при малой высоте ферм, а также тогда, когда по стойкам передаются большие угольная, и требует большего расхода материала, так как при равном числе панелей в ферме общая длина раскосной решетки больше и в ней больше узлов. Путь усилия от узла, к которому приложена нагрузка, до опоры в раскосной решетке длиннее, он идет через все стержни решетки и узлы.

Специальные системы решеток. При большой высоте ферм (примерно 4—5 м) и рациональном угле наклона раскосов (примерно 35—45°) панели могут получаться чрезмерно большими, неудобными для расположения кровельных прогонов и других элементов. Если давления прогонов небольшие, то можно допустить местный изгиб пояса, расположив прогоны на поясе между узлами. Однако при больших давлениях такое решение нерационально. Чтобы уменьшить размер панели, сохранив нормальный угол наклона раскосов, применяют шпренгельную решетку (рис. 9.6, а). Применение шпренгельной решетки в высоких башнях уменьшает расчетную длину сжатых поясов (рис. 9.6, б) и тем самым позволяет снизить общий вес конструкции. В стропильных фермах шпренгельная решетка позволяет сохранить нормальное расстояние между прогонами, удобное для поддержания элементов кровли, или же создать промежуточный узел для опирания крупнопанельного настила (рис. 9.6, а). Шпренгельную решетку особого вида имеет треугольная ферма, показанная на рис. 9.6, в. Эта система применяется при крутых кровлях (а = 35-450) и сравнительно больших для треугольных ферм пролетах (/ = 20-24м).В фермах, работающих на двустороннюю нагрузку, устраивают крестовую решетку (рис. 9.6, г. Часто крестовую решетку проектируют из гибких стержней. В этом случае под действием нагрузки работают только растянутые раскосы; сжатые же раскосы вследствие своей большой гибкости выключаются из работы и в расчетную схему не входят. Разработаны стропильные фермы с поясами из тавров и крестовой решеткой из одиночных уголков (рис. 9.3, е). Ромбическая и полураскосная решетки (рис. 9.6, д и е) благодаря двум системам раскосов также 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.

Рис. 9.6. Специальные системы решеток

Панели.

Одновременно с выбором системы решетки устанавливают размеры панелей ферм. Поскольку нагрузка обычно прикладывается к узлам ферм, панели должны соответствовать расстояниям между элементами, передающим нагрузку на ферму. Размеры панелей должны отвечать оптимальному углу наклона раскосов. Оптимальный угол наклона раскосов в треугольной решетке составляет примерно 45°, в раскосной решетке—35°. Из конструктивных соображений — рационального очертания фасонки в узле и удобства прикрепления раскосов — желателен угол, близкий к 45°.В стропильных фермах размеры панелей определяются системой кровельного покрытия. Если по стропильным фермам укладывают прогоны, панель, равная расстоянию между прогонами, определяется видом кровельного настила и ее длина изменяется от 1,5 до 4 м. Применяются беспрогонные кровельные покрытия, в которых кровлю в виде профилированного настила, железо-бетонных панелей или металлических щитов длиной 6—12 м и шириной 1,5—3 м укладывают непосредственно на поясе ферм. Беспрогонные покрытия являются более индустриальными и часто более экономичными по расходу стали.

При беспрогонном покрытии панель часто принимается равной 3— 4 м. При ширине плит 1,5 м иногда целесообразно уменьшить с помощью шпренгельной решетки панель до 1,5 м; можно также, сохранив панель в 3 м, иметь верхний пояс, работающий на местный изгиб. Это решение менее экономично по расходу стали, но проще и применимо при легких кровлях.