Системы решеток ферм и их характеристики

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

От системы решетки зависят масса фермы, трудоемкость ее изготовления, внешний вид. Решетка должна соответствовать схеме приложения нагрузок, поскольку нагрузки во избежание местного изгиба пояса передаются, как правило, на ферму в узлах.

Треугольная система решетки. В фермах трапецеидального очертания или с парал­лельными поясами весьма рациональной является треугольная система решетки (рис. 8.2 а), дающая наименьшую суммарную длину решетки и наименьшее число уз­лов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры. В фермах, поддерживаюших прогоны кровли или балки настила, к треугольной решетке часто добавляются дополнительные стойки (рис. 8.6 е), а иногда и подвески (если нагруз­ка приложена к нижнему поясу), 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 возможно использование треугольной си­стемы решетки.

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 необходимо стремиться, чтобы наиболее длинные элементы - раскосы - были растянутыми, а стойки - сжатыми. Это требование удовлетворяется при нисходящих раскосах в фермах с параллельными поясами (рис. 8.7 г) и при восходящих - в треугольных фермах. Однако в треуголь­ных фермах восходящие раскосы образуют неудобные для конструирования узлы и имеют большую длину, так как идут по большой диагонали. Поэтому в треугольных фермах рациональны нисходящие раскосы

(рис. 8.6 д). Хотя они и получаются сжатыми, 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 усилия (при большой узловой нагрузке).

Раскосная решетка более трудоемка, чем треугольная, 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. 8.7 д). Устройство шпренгельной решетки более трудоемко и иногда требует дополнительного расхода металла. Однако такая решетка дает возмож­ность получить рациональное расстояние между элементами поперечной конструкции при рациональном угле наклона раскосов, а также уменьшить расчетную длину сжатых стержней.

Шпренгельную решетку особого вида имеет треугольная ферма, показанная на рис. 8.6 е. Эта система применяется при крутых кровлях (α = 35...45°) и сравнительно боль­ших для треугольных ферм пролетах (l= 20...24 м). Она может быть расчленена на две полуфермы, связанные затяжкой. Стержни решетки и панели поясов такой системы имеют небольшую длину, конструирование узлов упрощается. Приподнятая затяжка увеличивает полезную высоту помещения. Образующие систему жесткие полуфермы и затяжка изготовляются на заводе; на место возведения их поставляют в виде отправо­чных элементов.

В фермах, работающих на двустороннюю нагрузку, как правило, устраивают крестовую решетку (рис. 8,7 е). К таким фермам относятся горизонтальные связевые фермы покрытий производственных зданий, мостов и других конструкций, верти­кальные фермы башен, мачт и высоких зданий. Весьма часто крестовую решетку проек­тируют из гибких стержней λ>220. В этом случае под действием нагрузки работают только растянутые раскосы; сжатые же раскосы вследствие своей большой гибкости выключаются из работы, теряя устойчивость, и в расчетную схему не входят.

С выпуском промышленностью широкополочных тавров с параллельными гранями полок разработаны стропильные фермы с поясами из тавров и перекрестной решеткой из одиночных уголков (рис. 8.7 ж). Такие фермы экономичнее по расходу металла и стоимости по сравнению с типовыми фермами со стержнями из парных уголков.

Ромбическая и полураскосная решетки (рис. 8.7 з, и)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.

8.2.4. Обеспечение устойчивости ферм.Плоская ферма неустойчива из своей плоско­сти. Чтобы придать ферме устойчивость, ее необходимо присоединить к какой-либо же­сткой конструкции или соединить связями с другой фермой, в результате чего образуется пространственный устойчивый брус (рис. 8.9 а). Для обеспечения устойчивости такого бруса (блока) необходимо, чтобы он был выполнен геометрически неизменяемым.

Рис.8.9. Завязка ферм в пространственные системы: а - тропильные фермы; б - башни; I – диафрагма

 

Грани блока (рис. 8.9 а)образуются двумя вертикальными плоскостями спаренных ферм (abb'a' и ded'e'), двумя перпендикулярными им горизонтальными плоскостями связей, расположенными по обоим поясам ферм (ebb'c' и ada'd') и не менее чем двумя вертикальными плоскостями поперечных связей (обычно в торцах ферм - abed и a'b'c'd'). При большой длине блока необходима постановка также промежуточных вер­тикальных связей. Поскольку этот 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 представляют собой также пространственные брусья, состоящие из ферм (рис. 8.9 б).

В покрытиях зданий решение усложняется из-за большого числа поставленных ря­дом плоских стропильных ферм. Фермы, связанные между собой только прогонами, не образуют неизменяемой системы; поэтому они имеют свободную длину из своей плос­кости, равную пролету, и легко могут потерять устойчивость (рис. 8.10 а).

 

Рис. 8.10. Связи, обеспечивающие устойчивость стропильных ферм:

а - при отсутствии связей; б - при наличии связей; 1 - прогоны; 2 - фермы; 3 - горизон­тальные связи; 4 - вертикальные связи; 5 - пространственный блок

 

Их устойчивость обеспечивается тем, что в конструкции покрытия создается не­сколько пространственных устойчивых блоков из двух соседних ферм, скрепленных связями в плоскости верхнего и нижнего пояса и вертикальными поперечными связя­ми (рис. 8.10 б). К этим жестким блокам прочие 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.

Если прогон не прикреплен к диагоналям связей в месте их пересечения, то рассто­яние между закрепленными в горизонтальном направлении точками верхнего пояса фермы равно двум панелям (рис. 8.10 б). Это должно учитываться при подборе сечения верхнего пояса ферм.

В беспрогонных покрытиях крупноразмерные панели крепятся к верхнему поясу фермы на сварке или на болтах и закрепляют пояс из плоскости фермы.

Стержни легких ферм

Наиболее распространенные типы сечений элементов легких ферм показаны на рис. 8.11.

Рис. 8.11. Типы сечений стержней легких ферм:

а и б - трубчатые; е, г, д, е, ж, к и л - с использованием прокатных уголков; з - двутавровое; и - тавровое

 

По расходу стали для сжатых стержней ферм наиболее эффективным является тон­костенное трубчатое сечение (рис. 8.11 а). Из всех типов профилей труба обладает наи­более благоприятным для сжатых элементов распределением материала относительно центра тяжести и при равной с другими профилями площади сечения имеет наиболь­ший радиус инерции (i = 0,353d), одинаковый во всех направлениях, что позволяет получить стержень наименьшей гибкости. Применение труб в фермах дает экономию стали до 20-25%.

Большим преимуществом труб является хорошая обтекаемость. Благодаря этому вет­ровое давление на них меньше, что особенно важно для высоких открытых сооружений (башен, мачт, кранов). На трубах мало задерживаются иней и влага, поэтому они более стойки против коррозии, их легко очищать и окрашивать. Все это повышает долгове­чность трубчатых конструкций.

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

Прямоугольные гнутозамкнутые сечения (рис. 8.11 б), обладая почти теми же пре­имуществами, что и трубчатые, позволяют упростить узлы сопряжения элементов и в последние годы нашли широкое применение. Вместе с тем нужно отметить, что фермы из гнутозамкнутых профилей с бесфасоночными узлами требуют высокой точности изготовления.

Технологические трудности не позволяют изготавливать гнутые профили толщиной более 10-12 мм, что ограничивает возможности их использования. Кроме того, боль­шие пластические деформации в углах гиба снижают хрупкую прочность стали, поэто­му фермы из гнутых профилей не рекомендуется применять в конструкциях, эксплуатирующихся при низких температурах.

До последнего времени легкие фермы проектировались в основном из стержней с сечениями, составленными из двух уголков (рис. 8.11 в-д). Такие сечения имеют боль­шой диапазон площадей, удобны для конструирования узлов на фасонках и прикрепле­ния примыкающих к фермам конструкций (прогонов, кровельных панелей, связей и т.п.). Существенными недостатками такой конструктивной формы является большое число элементов с различными типоразмерами, значительный расход металла на фасонки и прокладки, высокая трудоемкость изготовления и наличие щели между уголка­ми, затрудняющей окраску и способствующей коррозии. Кроме того, стержни с сече­нием из двух уголков, составленных тавром, неэффективны при работе на сжатие.

При относительно небольших усилиях стержни ферм могут выполняться из одиночных уголков (рис. 8.11 е). Такое сечение проще в изготовлении, особенно при бесфасоночных узлах, поскольку имеет меньше сборочных деталей и не имеет щелей, закрытых для очистки и окраски.

При проектировании ферм из одиночных уголков необходимо учитывать, что они не имеют оси симметрии в плоскости фермы. Для уменьшения асимметрии решетка прикрепляется к поясным уголкам с внутренней стороны. Все же такое решение созда­ет условия для закручивания пояса и требует надежного закрепления пояса связями.

Организация проката широкополочных двутавровых профилей (рис. 8.11 з), а также возможность получения тавров путем разрезки двутавров (рис. 8.11 и)создали условия для проектирования ферм со стержнями из одиночного профиля вместо сечения, со­ставленного из двух уголков. Такая конструктивная форма экономнее по расходу метал­ла и значительно менее трудоемка, поскольку более чем вдвое уменьшилось число сбо­рочных деталей.

Если пояс ферм помимо осевого усилия работает также на изгиб (при внеузловой передаче нагрузки), то рационально сечение из двутавра (рис. 8.12 з)или двух швеллеров.

Весьма часто сечения элементов фермы принимаются из разного вида профилей: пояса из двутавров, решетка из гнутозамкнутых профилей или пояса из тавров, решет­ка из парных или одиночных уголков. Такое комбинированное 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, когда площади одного уголка недостаточно, кресто­вое сечение из двух уголков. При больших усилиях применяются также двутавры.

Сжатые элементы ферм следует проектировать равноустойчивыми в двух взаимно перпендикулярных направлениях. При одинаковых расчетных длинах l_x= l_y (верхний пояс стропильной фермы без фонаря, опорный раскос и стойка и т.п.) этому условию отвечают сечения из трубчатых и квадратных гнутозамкнутых профи­лей, так как для них i_x= i_y, и, следовательно, λ_х = l_x/ i_x = λ_y. = l_y/ i_y.

В фермах из парных уголков близкие радиусы инерции (i_x= i_y) имеют неравнополочные уголки, поставленные большими полками вместе (рис. 8.11 г). Если расчетная длина в плоскости фермы в 2 раза меньше, чем из плоскости (элементы решетки при наличии шпренгеля, верхний пояс фермы на участке под фонарем и т.д.), то рацио­нально сечение из неравнополочных уголков, составленных вместе малыми полками (рис. 8.11 d), так как в этом случае i_y = 2 i_x. Для промежуточных раскосов, для которых l_x= 0,8 l_y, условию равноустойчивости ближе всего отвечает сечение из двух равнополочных уголков.

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, конеч­но, экономическими соображениями.

Стержни тяжелых ферм

Стержни тяжелых стальных ферм отличаются от лег­ких более мощными и развитыми сечениями, составленными из нескольких элемен­тов, что обусловлено их большими расчетными длинами и действующими в них значи­тельными усилиями. Сечения таких стержней обычно проектируют двухстенчатыми (рис. 8.12), а узловые сопряжения выполняются с помощью фасонок, расположенных в двух плоскостях. Стержни тяжелых ферм (как раскосы и стойки, так и пояса) имеют разные сечения, но для удобства сопряжения в узлах ширина элементов b 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 клепаными. Современные тяжелые фер­мы, как правило, проектируют из сварных стержней с монтажными узлами на высоко­прочных болтах.

Применяются следующие типы сечений стержней тяжелых стальных ферм

Н-образные сечения: сварные из двух вертикальных листов (вертикалов), связанных горизонтальным листом (горизонталом) (рис. 8.12 б), и клепаные из четырех неравно-полочных уголков, также связанных горизонтальным листом (рис. 8.12 в). Развитие таких сечений в смежных панелях производится путем прикрепления дополнительных вертикальных листов (рис. 8.12 г). Эти сечения удобно прикреплять к фасонкам, так как они имеют гладкую наружную поверхность и симметричны. В простейшей своем форме они малотрудоемки и в этом отношении существенно превосходят все остальные сече­ния. Если конструкция не защищена от попадания атмосферных осадков, то в горизон­тально расположенных элементах необходимо оставлять отверстия для стока воды диа­метром 50 мм. Н-образные сечения применяют как для поясов, так и для раскосов.

 

Рис. 8.12. Типы сечений стержней тяжелых ферм:

а, б и з - из прокатных и составных сварных двутавров; в и г - для клепаных ферм; д и и - из прокатных швеллеров; е и ж - из составных сварных швеллеров;

к и л - трубчатые прямо­угольные сварные

 

Швеллерное сечение состоит из двух швеллеров, поставленных полками внутрь (рис. 8.12 д). При этом используются как прокатные, так и составные швеллеры. Сечения в смежных стержнях изменяют приваркой к швеллерам листов. Стержни швеллерного сечения имеют хорошую устойчивость в обеих плоскостях, поэтому 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. 8.12 е, ж). Оно применяется главным образом для верхних поясов тяжелых мостовых ферм. Жесткость сечения значительно повышается, если сни­зу вертикальные ветви соединить решеткой (см. рис. 8.12 ж)или перфорированным листом.

Одностенчатое двутавровое сечение состоит из сварного или широкополочного про­катного двутавра, поставленного вертикально (рис. 8.12 з). Сжатые пояса двутаврового сечения требуют более частого закрепления из плоскости фермы, так как жесткость двутаврового профиля в плоскости, перпендикулярной стенке, значительно меньше, чем в плоскости стенки.

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

Замкнутое коробчатое сечение (рис. 8.12 и, к, л)обладает повышенной изгибной и крутильной жесткостью, что делает его наиболее рациональным для длинных сжатых элементов тяжелых ферм. Сечение может быть выполнено как из гнутых элементов, так и сварным, составленным из четырех листов.

 

Расчет ферм

---

Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 180; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!