Выбор статической схемы и очертания ферм
Классификация ферм и области их применения
Фермой называется система стержней (обычно прямолинейных), соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию при шарнирных узлах. При узловой нагрузке жесткость узлов несущественно влияет на работу конструкции, в первом приближении их можно рассматривать как шарнирные. В этом случае все стержни ферм испытывают только осевые усилия (растяжение или сжатие), что позволяет более полно, чем в сплошной балке, использовать материал.
Фермы экономичнее балок по расходу стали, но более трудоемки в изготовлении. Эффективность ферм по сравнению с балками со сплошными стенками растет с увеличением пролета и уменьшением нагрузки.
Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными.
Плоские фермы могут воспринимать нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскости связями или другими элементами. Пространственные фермы образуют жесткий пространственный брус, способный воспринимать нагрузку, действующую в любом направлении (рис. 8.1 б).
Основными элементами ферм являются пояса, образующие контур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек (рис. 8.2). Соединение элементов в узлах осуществляется путем непосредственного примыкания одних элементов к другим (рис. 8.3, а) или с помощью узловых вставок (фасонок) (рис. 8.3 б). Для снижения узловых моментов элементы ферм центрируются по осям центров тяжести.
|
|
|
Рис. 8.1. Плоская (а) и пространственная (б) фермы
Расстояние между соседними узлами поясов называется панелью (dB - панель верхнего пояса; dH - нижнего), а расстояние между опорами - пролетом (L).
Рис. 8.2. Элементы ферм: 1 - верхний пояс; 2 - нижний пояс; 3- раскосы; 4 - стойка
Рис.8.3. Узлы ферм: а - с непосредственным примыканием элементов;
б - на фасонках
Пояса ферм работают в основном на продольные усилия и изгибающие моменты (аналогично поясам сплошных балок); решетка ферм воспринимает в основном поперечную силу, выполняя функции стенки сплошной балки.
Знак усилия в элементах решетки («минус» - сжатие, «плюс» - растяжение) ферм с параллельными поясами можно определить, если воспользоваться «балочной аналогией».
Построим в балке траектории главных напряжений (рис. 8.4). Раскосы, направленные по линии главных растягивающих напряжений (нисходящие к середине пролета), работают на растяжение, а по линии главных сжимающих (восходящие к середине пролета) - на сжатие.
Рис. 8.4. Траектории главных напряжений в балке
Стальные фермы получили широкое распространение 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.
|
|
|
В зависимости от назначения и нагрузок фермы могут иметь самую разную конструктивную форму, и их можно классифицировать по различным признакам:
- по статической схеме - балочные (разрезные, неразрезные, консольные), арочные, рамные, комбинированные (рис. 8.5);
- по очертанию поясов - фермы с параллельными поясами, трапециевидные, треугольные, полигональные, сегментные (рис. 8.6);
- по системе решетки - треугольная, раскосная, крестовая, ромбическая и др. (рис. 8.7);
- по способу соединения элементов в узлах - сварные, клепаные, болтовые;
- по величине максимальных усилий - легкие (одностенчатые с сечениями из простых прокатных профилей (при усилии N<= 300 кН)) и тяжелые (двустенчатые с элементами составного сечения (N>3000 кН)).
Рис. 8.5. Системы ферм:
а - балочная разрезная; б - неразрезная; в, е - консольная; г - арочная; д - рамная; ж - комбинированная
Рис. 8.6. Очертания поясов ферм:
а - сегментное; б - полигональное; в - трапецеидальное; г - с параллельными поясами; д-з - треугольное
|
|
|
Рис. 8.7. Системы решетки ферм:
а - треугольная; б - треугольная с дополнительными стойками; в - раскосная с восходящим раскосом; г - раскосная с нисходящим раскосом; д - шпренгельная; е - крестовая; ж -перекрестная; з - ромбическая; и - полураскосная
Промежуточными между фермой и сплошной балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами либо сверху аркой. Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающий момент в балке и повышают жесткость системы. Комбинированные системы просты в изготовлении (вследствие меньшего числа элементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижными нагрузками.
Эффективность ферм и комбинированных систем можно повысить, создав в них предварительное напряжение.
В фермах подвижных крановых конструкций и покрытий больших пролетов, где уменьшение массы конструкций дает большой экономический эффект, возможно применение алюминиевых сплавов.
Выбор статической схемы и очертания ферм
Выбор статической схемы и очертания ферм, являющийся первым этапом проектирования конструкций, зависит от назначения и архитектурно-конструктивного решения сооружения и производится на основании сравнения возможных вариантов.
|
|
|
В покрытиях зданий, мостах, транспортных галереях и других подобных сооружениях наибольшее применение нашли балочные разрезные системы. Они просты в изготовлении и монтаже, не требуют устройства сложных опорных узлов, но весьма металлоемки. При больших пролетах (более 40 м) разрезные фермы получаются негабаритными, и их приходится собирать из отдельных элементов на монтаже.
Для двух и более перекрываемых пролетов применяются неразрезные фермы. Они экономичнее по расходу металла и обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту. Но, как во всяких внешне статически неопределимых системах, в неразрезных фермах при осадке опор возникают дополнительные усилия, поэтому их применение при слабых просадочных основаниях не рекомендуется. Кроме того, необходимость создания неразрезности усложняет монтаж таких конструкций.
Рамные фермы экономичны по расходу стали и имеют меньшие габаритные размеры, однако более сложны в монтаже. Их применение рационально для большепролетных зданий. Использование арочных систем хотя и дает экономию стали, приводит к увеличению объема помещения и поверхности ограждающих конструкций. Их применение диктуется в основном архитектурными требованиями. Консольные фермы используются для навесов, башен, опор ЛЭП.
Очертание ферм должно соответствовать их статической схеме и виду нагрузок, определяющему эпюру изгибающих моментов. Для ферм покрытий необходимо также учитывать материал кровли и требуемый уклон для обеспечения водоотвода, тип узла сопряжения с колоннами (жесткий или шарнирный) и другие технологические требования.
Очертание поясов ферм в значительной степени определяет их экономичность. Теоретически наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов. Для однопролетной балочной системы с равномерно распределенной нагрузкой это будет сегментная ферма с параболическим поясом (рис. 8.6 а).
Однако криволинейное очертание пояса резко повышает трудоемкость изготовления. Поэтому такие фермы применяются крайне редко. Более приемлемым является полигональное очертание (рис. 8.6 б), близкое к эпюре моментов. В тяжелых большепролетных фермах дополнительные конструктивные затруднения из-за перелома поясов в узлах не так ощутимы, так как из условия транспортировки пояса разрезные из отдельных прямолинейных стержней, соединяемых при монтаже ферм.
Для легких ферм полигональное очертание нерационально, поскольку усложнение узлов не окупается незначительной экономией стали.
Фермы трапецеидального очертания (рис. 8.6 в) хотя и не совсем соответствуют эпюре моментов, имеют конструктивные преимущества, прежде всего за счет упрощения узлов. Кроме того, применение таких ферм в покрытии позволяет устроить жесткий опорный узел, что повышает жесткость здания.
Фермы с параллельными поясами (рис. 8.6 г) по своему очертанию далеки от эпюры моментов и неэкономичны по расходу стали. Однако равные длины элементов решетки, одинаковая схема узлов, наибольшая повторяемость элементов и деталей и возможность их унификации способствуют индустриализации их изготовления. Благодаря этим преимуществам фермы с параллельными поясами стали основными для покрытия производственных зданий.
Фермы треугольного очертания (рис. 8.6 д - з) рациональны для консольных систем, а также для балочных систем при сосредоточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы). При распределенной нагрузке треугольные фермы имеют повышенный расход металла. Кроме того, у них есть ряд конструктивных недостатков. Острый опорный узел сложен и допускает только шарнирное сопряжение с колоннами. Средние раскосы получаются чрезвычайно длинными, и их сечение приходится подбирать по предельной гибкости, что вызывает перерасход металла. Однако в ряде случаев их применение для стропильных конструкций диктуется необходимостью обеспечения большого (свыше 20%) уклона кровли или требованиями создания одностороннего равномерного освещения (шедовые покрытия).
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 167; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!