reforef.ru 1
  1. Центрально сжатые колонны. Общая характеристика.


В центрально-сжатых колоннах равнодействующая сила приложена по оси колонны и вызывает центральное сжатие расчетного поперечного сечения.

Центрально-сжатые колонны (рис) применяются для поддержания междуэтажных перекрытий и покрытий зданий, в рабочих площадках, путепроводах, эстакадах и т. п.



Центрально-сжатые стержни работают в составе конструктивных элементов и комплексов тяжелых решетчатых ферм и рам (рис. 8.1), сжатых элементов вантовых систем и т. п. Колонны передают нагрузку от вышележащей конструкции на фундаменты и состоят из трех частей, определяемых их назначением :

  • оголовок, на который опирается вышележащая конструкция нагружающая колонну;

  • стержень — основной конструктивный элемент, передающий нагрузку от оголовка к базе;

  • база, передающая нагрузку от стержня на фундамент.

По конструкции сечения колонны делятся:

- сплошные;

- сквозные.

Сплошные колонны по типу сечения:

- открытого сечения;

- замкнутого сечения.

Колонны и сжатые стержни проектируют почти исключительно стальными. Применять алюминиевые сплавы в сжатых стержнях, как правило, нерационально из-за плохой работы сплавов на продольный изгиб вследствие низкого модуля упругости. Однако в общем конструктивном комплексе, выполняемом из алюминиевого сплава, могут быть запроектированы и сжатые стержни из сплава.

Хорошо работают на центральное сжатие и экономны по затрате металла трубобетонные колонны, стержень которых состоит из стальной трубы, заполненной бетоном.

По статической схеме и характеру нагружения колонны могут быть одноярусные и многоярусные. Колонны и сжатые стержни бывают сплошными или сквозными


  1. Сплошные центрально-сжатые колонны. Подбор сечения.

Стержень сплошной колонны проектируют из прокатных профилей или листов, образующих открытое или замкнутое сечение (рисунок).



Рис. 23. Открытые сечения сплошных стержней



Рис. 24. Замкнутые сечения сплошных стержней

Чтобы колонна была равноустойчивой, гибкость ее в плоскости оси х должна быть равна гибкости в плоскости оси у, т. е. ?x = ?y. Однако в двутавровых сечениях при одинаковых расчетных длинах это условие не соблюдается, поскольку у них радиусы инерции получаются разными по величине. В двутавровом сечении радиус инерции относительно оси х: ix0.43h, а радиус инерции относительно оси у: iy0.24b, следовательно, для получения равноустойчивого сечения нужно, чтобы 0,43h=0,24b или b<=2h, что приводит к весьма неудобным в конструктивном отношении сечениям, практически неприменяемым.

Обычный прокатный двутавр вследствие незначительной ширины его полок меньше всего отвечает требованию равноустойчивости и поэтому применяется редко.

Сварной двутавр является основным типом сечения сжатых колонн.

Автоматическая сварка обеспечивает дешевый, индустриальный способ изготовления таких колонн.

Равноустойчивыми в двух направлениях и также простыми в изготовлении являются колонны крестового сечения.

Весьма рациональны колонны трубчатого сечения (рис. 24, a) с радиусом инерции i=0,35dср, где dср - диаметр окружности по оси листа, образующего колонну.

Сварка дает возможность получить колонны замкнутого сечения и других типов, например из двух швеллеров которое при больших нагрузках могут быть усилены.


Подбор сечения сплошной колонны.

1) Задавшись типом сечения колонны, определяем требуемую площадь сечения по формуле A
тр= N / (?*R*?);

2) Чтобы предварительно определить коэффициент ФИ, задаемся гибкостью колонны

?=l0/i;

3)Определяем в первом приближении требуемую площадь и требуемый радиус инерции, соответствующей заданной гибкости: i
тр=l0/ ?;

4) Зависимость радиуса инерции от типа сечения приближенно выражается формулами: rx=a1h; ry=a2h;

5) Отсюда определяются требуемые генеральные размеры сечения колоны:

hтр=iтр/a1; bтр=iтр/a2;

6) Откорректировав значения A, b и h, производят проверку сечения

ix=a1h; iy=a2b;

и напряжения

?= N / (?min*A) ? R*?;

Преимуществами колонн замкнутого сечения являются равноустойчивость, компактность и хороший внешний вид; к недостаткам относится недоступность внутренней полости для окраски. Чтобы избежать коррозии, такие колонны должны быть защищены от проникания внутрь влаги.

При заполнении стальной трубы бетоном получается эффективная комплексная конструкция (трубобетонная), в которой труба является оболочкой, стесняющей поперечные деформации заключенного внутри бетонного цилиндра. В этих условиях работы прочность бетона на сжатие значительно увеличивается, исключаются потери местной устойчивости трубы и коррозии внутренней ее поверхности.

В трубобетонном стержне бетон работает в основном на сжатие, а труба - на поперечное растяжение. Трубы могут быть как из малоуглеродистой, так и из низколегированной стали, бетон применяют высоких марок - от 250 до 500 и выше.


  1. Сквозные центрально-сжатые колонны. Подбор сечения.

Стержень сквозной центрально-сжатой колонны обычно состоит ив двух ветвей (швеллеров или двутавров), связанных между собой peшетками. Ось, пересекающая ветви, называется материальной; ось, параллельная ветвям, называется свободной. Расстояние между ветвями устанавливается из условия равноустойчивости стержня.



Швеллеры в сварных колоннах выгоднее ставить полками внутрь, так как в этом случае решетки получаются меньшей ширины и лучше используется габарит колонны.

Более мощные колонны могут иметь ветви из прокатных или сварных двутавров.

В сквозных колоннах из двух ветвей необходима обеспечивать зазор между полками ветвей (100 - 150 мм) для возможности окраски внутренних поверхностей.

Стержни большой длины, несущие небольшие нагрузки, должны иметь для обеспечения необходимой жесткости развитое сечение, поэтому их рационально проектировать из четырех уголков, соединенных решетками в четырех плоскостях. Такие стержни при небольшой площади сечения обладают значительной жесткостью, однако трудоемкость их изготовления больше трудоемкости изготовления двухветвевых стержней.

При трубчатом сечении ветвей возможны трехгранные стержни, достаточно жесткие и экономичные по затрате металла.

Решетки обеспечивают совместную работу ветвей стержня колонны и существенно влияют на устойчивость колонны в целом и ее ветвей. Применяются решетки разнообразных систем: из раскосов, из раскосов и распорок и безраскосного типа в виде планок.


В колоннах, нагруженных центральной силой, возможен изгиб от случайных эксцентриситетов. От изгиба возникают поперечные силы, воспринимаемые решетками, которые препятствуют сдвигам ветвей колонны относительно ее продольной оси.


Треугольные решетки, состоящие из одних раскосов, или треугольные с дополнительными распорками являются более жесткими, чем безраскосные, так как образуют в плоскости грани колонны ферму, все элементы которой при изгибе работают на осевые усилия, однако они более трудоемки в изготовлении.

Планки создают в плоскости грани колонны безраскосную систему с жесткими узлами и элементами, работающими на изгиб, вследствие чего безраскосная решетка оказывается менее жесткой. Если расстояние между ветвями значительно (0,8 - 1 м и более), то элементы безраскосной решетки получаются тяжелыми; в этом случае следует отдавать предпочтение раскоской решетке.

Безраскосная решетка хорошо выглядит и является более простой, ее часто применяют в колоннах и стойках сравнительно небольшой мощности (с расчетной нагрузкой до 2000 - 2500 кН).

Чтобы сохранить неизменяемость контура поперечного сечения сквозной колонны, ветви колонн соединяют поперечными диафрагмами, которые ставят через 3 - 4 м по высоте колонны.

Определение сечения ветвей.

1) Задаются гибкостью стержня ?=70…90 (при N<1500 кН), ?=40…60 (при N>1500 кН);

2) По гибкости ? определяют коэффициент продольно изгиба ?;

3) Вычисляют требуемую площадь сечения A1=N1/(?Ry?);

4) Определив требуемую площадь и требуемый радиус инерции (ixтр=l0/?) по сортамента;

5) подбирают соответствующий профиль;

6) Проверяют устойчивость по формуле ? = N / (?xA) ? R?;

7) Определяют расстояние между ветвями из условия равноустойчивости ?пр = ?x.


  1. База колонны. Типы. Конструктивные особенности.

Базой называют опорную часть колонны, передающую усилия с колонны на фундамент. По конструктивному решению базы могут быть с траверсой (рис А), с фрезерованным торцом(рис Б) и с шарнирным устройством в виде центрирующей плиты(рис В).




Базы с шарнирным устройством четко отвечают расчетной схеме, но из-за большей сложности монтажа в колоннах применяются редко.

При сравнительно небольших расчетных усилиях в колоннах (до 4000-5000 кН) чаще применяются базы с траверсами. Траверса воспринимает нагрузку от стержня колонны и передает ее на опорную плиту. Чтобы увеличить равномерную передачу давления с плиты на фундамент, жесткость плиты увеличивают дополнительными ребрами между ветвями траверсы(рис Д). В легких колоннах роль траверсы могут выполнять консольные ребра, приваренные к стержню колонны и опорной плите(рис Е). В колоннах с большими расчетными усилиями (6000 - 10000 кН и более) целесообразно фрезеровать торец базы. В этом случае траверса и ребра отсутствуют и плита, чтобы равномерно передать нагрузку на фундамент, должна иметь значительную толщину. Конструкция базы с фрезерованным торцом значительно проще и в этом случае позволяет вести монтаж более простым, безвыверочным способом.

При шарнирном сопряжении колонны с фундаментом анкерные болты ставятся лишь для фиксации проектного положения колонны и закрепления ее в процессе монтажа. Анкеры в этом случае прикрепляются непосредственно к опорной плите базы; благодаря гибкости плиты обеспечивается необходимая податливость сопряжения при действии случайных моментов (рис Д, Е). При жестком сопряжении анкеры прикрепляются к стержню колонны через выносные консоли и затягиваются с напряжением, близким к расчетному сопротивлению, что устраняет возможность поворота колонны(рис Ё).


Диаметр анкерных болтов при шарнирном сопряжении принимают равным d=20-30 мм, а при жестком d=24-36 мм. Для возможности некоторой передвижки колонны в процессе ее установки диаметр отверстия для анкерных болтов принимается в 1,5-2 раза больше диаметра анкеров. На анкерные болты надевают шайбы с отверстием, которое на 3 мм больше диаметра болта, и после натяжения болта гайкой шайбу приваривают к базе.


  1. Конструирование и расчет оголовка колонны.

Оголовок колонны предназначен для восприятия сосредоточенного давления вышележащих конструкций (балок, ферм и т.п.) и равномерного распределения по сечению стержня. При свободном сопряжении балки обычно ставят на колонну сверху, что обеспечивает простоту монтажа.В этом случае оголовок колонны состоит из плиты и ребер, поддерживающих плиту и передающих нагрузку на стержень колонны.



Если нагрузка передается на колонну через фрезерованные торцы опорных ребер балок, расположенных близко к центру колонны, то плита оголовка поддерживается снизу ребрами, идущими под опорными ребрами балок (рис. А, Б).

Ребра оголовка приваривают к опорной плите и к ветвям колонны при сквозном стержне или к стене колонны при сплошном стержне. Швы, прикрепляющие ребро оголовка к плите, должны выдерживать полное давление на оголовок. Проверяют их по формуле:

?= N / ( kш ?lш ) ? (??свy * Rсвy)min?.

Высоту ребра оголовка определяют требуемой длиной швов, передающих нагрузку на стержень колонны (длина швов нe должна быть больше 85?шkш ):

hр= N / ( 4kш (??свy Rсвy)min?).

Толщину ребра оголовка определяют из условия сопротивления на смятие под полным опорным давлением:

tp=N/lсмRсм, где lсм– длина сминаемой поверхности, равная ширине опорного ребра балки плюс две толщины плиты оголовка колонны.

Назначив толщину ребра, следует проверить его на срез:

?=0.5N/2hptp ? Rcp.


При малых толщинах стенок швеллеров сквозной колонны и стенки сплошной колонны их надо также проверить на срез в месте прикрепления к ним ребер. Можно в пределах высоты оголовка сделать стенку более толстой.

Чтобы придать жесткость ребрам, поддерживающим опорную плиту, и укрепить от потери устойчивости стенки стержня колонны в местах передачи больших сосредоточенных нагрузок, вертикальные ребра воспринимающие нагрузку, обрамляют снизу горизонтальными ребрами.Опорная плита оголовка передает давление от вышележащей конструкции на ребра оголовка и служит для скрепления балок с колоннами монтажными болтами, фиксирующими проектное положение балок.

Толщина опорной плиты принимается конструктивно в пределах 20-25 мм.

При фрезерованном торце колонны давление от балок передается через опорную плиту непосредственно на ребра оголовка. В этом случае толщина швов, соединяющих плиту с ребрами, так же как и с ветвями колонны, назначается конструктивно.

Большие опорные давления балок лучше передавать на колонну через ребра, расположенные над полками колонн.

Если балка, крепится к колонне сбоку, вертикальная реакция передается через опорное ребро балки на столик, приваренный к полкам колонны. Торец опорного ребра балки и верхняя кромка столика пристраиваются. Толщину столика принимают на 20-40 мм больше толщины опорного ребра балки.

Столик целесообразно приваривать к колонне по трем сторонам.

Сварные швы, приваривающие столик к колонне, рассчитывают по формуле:

?= 1,3N / ( kш ?lш ) ? ? (??свy * Rсвy)min.

Коэффициент 1,3 учитывает возможную непараллельность торцов опорного ребра балки и столика из-за неточности изготовления, что приводит к неравномерному распределению реакции между вертикальными швами.

Чтобы балка не зависла на болтах и плотно стала на опорный столик, опорные ребра балки прикрепляют к стержню колонны болтами, диаметр которых должен быть на 3-4 мм меньше диаметра отверстий.


  1. Фермы. Типы и область применения.

Фермой называется стержневая конструкция, у которой концы стержней соединены в узлах и образуют статически неизменяемую систему

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.

Фермы по сравнению со сплошными балками экономичны по затрате металла, им легко придают любые очертания, требуемые условиями технологии, работы под нагрузкой или архитектуры, они относительно просты в изготовлении.

Классификация ферм:

По статической схеме фермы бывают: балочные (разрезные, неразрезные, консольные), арочные, рамные и вантовые.

В зависимости от очертания поясов фермы подразделяют на сегментные, полигональные, трапецеидальные, с параллельными поясами и треугольные.

Системы решетки: Треугольная, Раскосная, Полураскосная, Шпренгельная, Ромбическая.

По способу соединения элементов в узлах фермы подразделяют на сварные и болтовые.

По величине максимальных усилий условно различают легкие фермы с сечениями элементов из простых прокатных или гнутых профилей (при усилиях в стержнях N<3000кН) и тяжелые фермы с элементами составного сечения (N >3000кН).

Фермы применяют при самых разнообразных нагрузках; в зависимости от назначения им придают самую разнообразную конструктивную форму - от легких прутковых конструкций до тяжелых ферм, стержни которых могут компоноваться из нескольких элементов крупных профилей или листов. Наибольшее распространение имеют разрезные балочные фермы как самые простые в изготовлении и монтаже(рис А). Неразрезные(рис Б) и консольные(рис В) системы ферм рациональны при большой собственной массе конструкции, так как в этом случае они могут дать значительную экономию металла. Кроме того, нёразрезные фермы можно применять исходя из требований эксплуатации, так как они обладают большей жесткостью и могут иметь меньшую высоту.




Башни и мачты(рис Е) представляют собой вертикальные консольные системы ферм. Соответствующие эксплуатационные или архитектурные требования могут обусловить применение арочных(рис Г) или рамных ферм(рис Д.

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 Ж). Распор цепи или арки, а также поддерживающее воздействие элементов фермы уменьшают изгибающий момент в балке. Комбинированные системы просты в изготовлении и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижной нагрузкой. Возможность использования в комбинированных системах дешевых прокатных балок благоприятно сказывается на стоимости и трудоемкости изготовления этих систем.

Эффективность ферм и комбинированных систем можно значительно повысить, создав в них предварительное напряжение.

В фермах подвижных крановых конструкций и покрытий больших пролетов, где уменьшение веса конструкций дает большой экономический эффект, возможно применение алюминиевых сплавов. В дальнейшем подробно рассматриваются в основном стропильные фермы, наиболее широко применяемые в промышленном и гражданском строительстве.ad


  1. Компоновка конструкций ферм.

Компоновка конструкции фермы сводится к следующим этапам:

    • Выбор очертания фермы;

    • Назначение генеральных размеров ферм;

    • Выбор системы решеток ферм и их характеристика;

    • Назначение размеров панели ферм.

Выбор очертания ферм является первым этапом их проектирования. Очертание ферм в первую очередь зависит от назначения сооружения.

Фермы треугольного очертания. Треугольное очертание придается стропильным фермам(рис А, Г), консольным навесам(рис Б), а также мачтам и башням(рис В).


Стропильные фермы треугольного очертания применяют, как правило, при значительном уклоне кровли, вызываемом или условиями эксплуатации здания, или типом кровельного материала.

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

Фермы полигонального очертания (рис Б, В) наиболее приемлемы для конструирования тяжелых ферм больших пролетов, так как очертания фермы соответствуют эпюре изгибающих моментов, что дает значительную экономию стали.

Фермы с параллельными поясами 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.



Назначение генеральных размеров ферм;

Пролет или длина ферм в большинстве случаев определяются эксплуатационными требованиями и общекомпоновочным решением сооружения и не могут быть рекомендованы по усмотрению конструктора.

Так, при свободном опирании ферм покрытий на опоры (колонны) сверху расчетный пролет фермы l0 (расстояние между осями опорных частей) в качестве первого приближения может быть принят равным для разрезных ферм - расстоянию между внутренними четвертями ширины опор, т. е:

L0=l+a/2, где l – расстояние между опорами, a- ширина опоры.

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


В случаях, когда пролет конструкции не диктуется технологическими требованиями (например, эстакады, поддерживающие трубопроводы и т. п.), он должен назначаться на основе экономических соображений с тем, чтобы суммарная стоимость ферм и опор была наименьшей.

Определение высоты ферм из условий жесткости. Наименьшая возможная высота фермы определяется допустимым прогибом. В обычных кровельных покрытиях жесткость ферм значительно превосходит требования, предъявляемые условиями эксплуатации. В конструкциях, работающих на подвижную нагрузку (стропильные фермы при подвесном транспорте, фермы подкрановых эстакад, мостовых кранов и т. д.), требования жесткости часто являются настолько высокими (f/l=1/750-1/1000), что они определяют высоту ферм. Иногда бывает необходимо установить высоту ферм из условия жесткости при изготовлении их из высокопрочной стали или алюминиевых сплавов.

От системы решетки зависят вес 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.

Системы решеток:

Треугольная система решетки. В фермах трапецеидального очертания или с параллельными поясами весьма эффективной является треугольная система решетки (рис 9.4 A), дающая наименьшую суммарную длину решетки и наименьшее число узлов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры.

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 A) 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 9.4 В). Поэтому в. треугольных фермах более приемлемы нисходящие раскосы (рис 9.4 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 усилия (при большой узловой нагрузке).


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 A).

В фермах, работающих на двустороннюю нагрузку, как правило, устраивают крестовую решетку (рис 9.6 Г). К таким фермам относятся горизонтальные связевые фермы покрытий производственных зданий, мостов и других конструкций, вертикальные фермы башен, мачт и высоких зданий.

Ромбическая и полураскосная решетки (рис 9.5 Д,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.



  1. Обеспечение устойчивости ферм.

Сквозная плоская система (ферма) легко теряет свою устойчивость из 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 9.7 А).

Для обеспечения устойчивости такого бруса (блока) необходимо, чтобы все грани его были геометрически неизменяемы в своей плоскости.

Грани блока (рис 9.7 А)образуются двумя вертикальными плоскостями спаренных ферм (abb'a' и dcc'd'), двумя перпендикулярными им горизонтальными плоскостями связей, расположенными по обоим поясам ферм (ebb'с' и daa'd'), и не менее чем двумя вертикальными плоскостями поперечных связей (обычно в торцах ферм - abed и a'b'c'd'). Поскольку этот пространственный брус в поперечном сечении замкнут и обычно достаточно широк, он обладает очень большой жесткостью при кручении и изгибе, поэтому потеря его общей устойчивости в изгибаемых системах невозможна. Конструкции мостов, кранов, башен, мачт, шпилей, укосин и др. представляют собой аналогичные пространственные брусья, состоящие из сквозных ферм(рис 9.7 Б).


В покрытиях зданий решение усложняется вследствие большого количества поставленных рядом плоских стропильных ферм. Такие фермы, связанные между собой только одними прогонами, не образуют неизменяемой устойчивой системы, так как они имеют свободную длину из своей плоскости, равную пролету, и легко могут потерять устойчивость. (рис 9.8 А). В этом случае устойчивость как в целом, так и отдельных элементов плоских ферм обеспечивается тем, что в конструкции покрытия создается несколько пространственных устойчивых блоков из двух соседних ферм, скрепленных как связями в плоскости верхнего, а иногда и нижнего пояса, так и вертикальными поперечными связями между стойками ферм, которые могут заменить связи по нижнему или верхнему поясу(рис 9.8 Б.). К этим жестким блокам прочие фермы прикрепляются горизонтальными элементами, препятствующими горизонтальному перемещению поясов ферм и обеспечивающими их устойчивость (обычно прогонами, 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, расстояние между закрепленными в горизонтальном направлении точками верхнего пояса фермы равно двум панелям(рис 9,8 Б). Это должно учитываться при подборе сечения верхнего пояса ферм.

В беспрогонных покрытиях верхние пояса ферм закрепляют с помощью кровельного настила и специальных элементов (тяжей), прикрепляющих пояса к поперечным горизонтальным связям.





  1. Определение расчетных нагрузок и усилий в стрежнях фермы.

Вся нагрузка, действующая на ферму, обычно бывает приложенной к узлам фермы, к которым прикрепляются элементы поперечной конструкции (например, прогоны кровли или подвесного потолка), передающие нагрузку на ферму. Если нагрузка приложена непосредственно в панели, то в основной расчетной схеме она также распределяется между ближайшими узлами, но при этом дополнительно учитывается местный изгиб пояса от расположенной на нем нагрузки: на опоре (в узле) - как на опоре неразрезной балки; в пролете - как в пролете неразрезной балки с умножением величин моментов на коэффициент 1,2.


Для удобства расчета рекомендуется определять усилия в стержнях ферм отдельно для каждого вида нагрузки. Так, в стропильных фермах следует составлять расчетные схемы отдельно для следующих нагрузок:


  • постоянной, в которую входит собственный вес фермы и вес всей поддерживаемой конструкции (кровли с утеплением, фонарей и т. п.);

  • временной - нагрузки от подвесного подъемно-транспортного оборудования, нагрузки полезной, действующей на подвешенное к ферме чердачное перекрытие, и т. п.;

  • кратковременной, атмосферной - снег, ветер.

Постоянная, временная и снеговая нагрузки относятся к основному сочетанию нагрузок, и расчет на них ведется с учетом установленных значений коэффициентов перегрузки; ветер при расчете обычных стропильных ферм относится к особому сочетанию нагрузок.

Расчетная постоянная нагрузка, действующая на любой узел стропильной фермы, определяется по формуле:

F=(gф+ gкр/cos?) * b * (d1+d2) * n /2, где gф- собственный вес фермы на 1 кН/м2 горизонтальной проекции кровли; gкр – вес кровли, альфа – угол наклона верхнего пояса к горизонту; b – расстояние между фермами; d1 и d2 – длины примыкающих к узлу панелей; n – коэффициент перегрузки для постоянных нагрузок.

В отдельных узлах к нагрузке, получаемой по формуле, прибавляется нагрузка от веса фонаря.

Снег - нагрузка временная, которая загружает ферму лишь частично загружение снегом одной половины фермы может оказаться невыгодным для средних раскосов.

Расчетную узловую нагрузку от снега определяют по формуле:

Fc = Pc * b * (d1+d2) * nc /2, Pc – вес снегового покрова, n – коэффициент перегрузки для снеговой нагрузки.


Значение Рс должно определяться с учетом возможного неравномерного распределения снегового покрова около фонарей или перепадах высоты здания.

Давление ветра учитывается только на вертикальные поверхности, а также на поверхности с углом наклона к горизонту более 30°, что бывает в башнях, мачтах, эстакадах, а также в крутых треугольных стропильных фермах и фонарях. Ветровая нагрузка, как и другие виды нагрузок, приводится к узловой. Горизонтальная нагрузка от ветра на фонарь при расчете стропильной фермы, как правило, не учитывается, так как ее влияние на работу фермы незначительно.

Определение усилий в стержнях ферм

При расчете ферм со стержнями из уголков или тавров предполагается, что в узлах системы - идеальные шарниры, оси всех стержней прямолинейны, расположены в одной плоскости и пересекаются в узле в одной точке (в центре узла). Стержни такой идеальной системы работают только на осевые усилия. Напряжения, найденные по этим усилиям, являются основными. В связи с фактической жесткостью узловых соединений в стержнях фермы возникают дополнительные напряжения, которые при отношении высоты сечения стержня к его длине, равном 1/15, расчетом не учитываются, так как они не влияют на несущую способность конструкции. В фермах со стержнями, имеющими повышенную жесткость и эксплуатирующимися при низкой температуре, влияние жесткости соединений в узлах более значительно. Поэтому для двутавровых, трубчатых и Н-образных сечений стержней расчет ферм по шарнирной схеме допускается при отношении высоты сечения к длине не более 1/10 для конструкций, эксплуатируемых при расчетной температуре -40 °С и выше, и не более 1/15 при расчетной температуре ниже -40 °С. При превышении этих отношений надлежит учитывать дополнительные изгибающие моменты в стержнях от жесткости узлов. При этом осевые усилия можно определять по шарнирной схеме, а дополнительные моменты определять приближенно. В верхних поясах стропильных ферм при беспрогонной кровле (равномерное распределение нагрузки на поясе фермы) моменты допускается определять по формулам:


  • пролетный момент в крайней панели

Мкп=g * lп2 / 10

  • пролетный момент промежуточных панелей

Мкп=g * lп2 / 12

  • момент в узле (опорный)

Мкп=g * lп2 / 18, где g – величина распределенной нагрузки ; lп – длина панели.

Кроме того, в стержнях фермы возникают напряжения от моментов в результате неполного центрирования стержней в узлах. Эти напряжения, не являющиеся основными, как правило, расчетом не учитываются, так как по малости допускаемых в фермах эксцентриситетов они лишь незначительно влияют на несущую способность ферм.

Смещение оси поясов ферм при изменении сечений не учитывается, если оно не превышает 1,5 % высоты пояса.

Расчет ферм следует выполнять на ЭВМ с использованием вычислительных комплексов (например SCAD, ЛИРА, ANSYS или Robot), что позволяет рассчитать любую схему фермы на статические и динамические нагрузки с учетом моментов жесткости узлов и смещения осей стержней.

ЭВМ автоматически выдает расчетные усилия в стержнях с учетом требуемых сочетаний нагрузок и может выполнить подбор сечений стержней из наиболее распространенных сварных и прокатных профилей.

При отсутствии ЭВМ усилия в стержнях ферм удобнее всего определять графическим методом, т. е. построением диаграмм Максвелла - Кремоны.

  1. Легкие фермы, типы сечений стержней. Их область применения.

Фермой называется стержневая конструкция, у которой концы стержней соединены в узлах и образуют статически неизменяемую систему.

По конструктивному признаку фермы делятся на легкие и тяжелые.

До последнего времени легкие фермы проектировались в основном из стержней с сечениями, составленными из двух уголков (рис 9.13 Б). 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 являлись: большое количество заготавливаемых элементов с различными типоразмерами, значительный расход металла на фасонки и прокладки, высокая трудоемкость изготовления и наличие щели между уголками, затрудняющей окраску. Кроме того, стержни с сечением из двух уголков, составленных тавром, неэффективно работают на сжатие.


Развитие сортамента - пуск прокатного стана широкополочных двутавров, производство электросварных труб и замкнутых гнутосварных профилей, а также возможность получения из широкополочных двутавров путем разрезки тавров с широкой полкой создали условия для проектирования ферм со стержнями из одиночного профиля вместо сечения, составленного из двух уголков. Новая конструктивная форма экономичнее по расходу металла и значительно менее трудоемка, так как более чем вдвое уменьшает количество используемых деталей; сечения стержней стали более эффективно работать на сжатие. Фермы со стержнями из одиночного профиля легко доступны для осмотра и окраски, что повышает их долговечность при эксплуатации. Фермы с меньшим количеством деталей более приспособлены для их изготовления (сборки и сварки) на поточных линиях.

Однако новая конструктивная форма ферм из-за ограниченности новых профилей и других конъюнктурных условий не может сразу вытеснить старую, и фермы различного назначения еще проектируют со стержнями из прокатных уголковых профилей, а конструктивная форма их продолжает совершенствоваться.

В фермах пространственной формы (башнях, мачтах, стрелах кранов и т. п.), где пояс является общим для двух перпендикулярных ферм, простейшим типом сечения пояса является одиночный уголок(рис 9.13 A). Крестовое сечение из двух уголков(рис 9.13 E) применяется в поясах решетчатых башен и мачт, когда площади одного уголка оказывается недостаточно. Сечения из одиночных уголков применяются также для слабонагруженных стержней решетки ферм. Разработанные типовые решения стропильных ферм из одиночных уголков позволяют экономить металл и снижать трудоемкость. Нужно учитывать, что стропильные фермы со стержнями из одиночных уголков в своей плоскости не имеют оси симметрии. Для уменьшения асимметрии решетка прикрепляется к поясным уголкам с внутренней стороны. Все же такое решение сопряжения поясов с решеткой создает условия для закручивания пояса, которое должно погашаться надежным закреплением пояса связями.


Сжатые стержни из двух уголков как при равных, так и при различных расчетных длинах легко скомпоновать равноустойчивыми в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Жесткость сечения, характеризуется его радиусами инерции, которые прямо пропорциональны генеральным размёрам сечения и могут быть приближенно выражены для таврового сечения из двух уголков соотношениями ix0.3h и iy0.2b(рис 9.13 Б-Г) .

Если расчетная длина стержня фермы одинакова в плоскостях x-x и y-y (опорные раскосы, пояса стропильных ферм, закрепленные в каждом узле кровельными плитами), то из условия равноустойчивости при работе стержня на продольный изгиб ?x= ?y необходимо, чтобы радиусы инерции относительно обеих осей были равны, т. е. ix= iy. Для этого нужно расположить неравнополочные уголки большими полками вместе.

Тавровое сечение из двух уголков, составленных вместе меньшими полками(рис 9.13 В), употребляется в случаях, когда расчетная длина стержня вне плоскости фермы в 2 раза больше, чем в плоскости. В таком сечении b 3h и, следовательно, iy=0,2 b=0.6 h=2ix т. е. жесткость стержня вне плоскости также в 2 раза больше, чем в плоскости ферм.

Тавровое сечение из двух равнополочных уголков(рис 9.13 Б), является наиболее распространенным для стержней решетки. Это сечение обеспечивает равноустойчивость сжатых стержней решетки так как имеет большую жесткость вне плоскости фермы ( относительно оси У-У), что отвечает большей расчетной длине сжатого раскоса вне плоскости фермы ly=1.25ix. Действительно, в таком случае iy=0,2 b=0.4 h=1.33ix, что соответствует указанному соотношению расчетных длин.


Современные типовые решения стропильных ферм имеют несколько видов. Остаются типовые решения со стержнями из двух прокатных уголков, имеются трубчатые фермы, у которых пояса и решетка выполняются из электросварных труб. Толщину стенки труб поясов рекомендуется принимать не менее 1/45-1/50 диаметра и, как правило, на 1-2 мм больше минимальной толщины, принимаемой для трубчатых стержней решетки. Трубчатые фермы используются при строительстве башен, мачт, кранов открытых эстакад и т. п.

Большим преимуществом трубчатых стержней является их хорошая обтекаемость. Благодаря обтекаемости ветровые давления на них меньше, на них мало задерживаются грязь и влага, поэтому они более стойки против коррозии, их легко очищать и окрашивать, что также повышает долговечность.



.
11. Тяжелые фермы, типы сечений стержней. Их область применения.

Беленя 225 стр.

Стержни тяжелых стальных ферм отличаются от легких более мощ­ными сечениями, составленными из нескольких элементов, что обуслов­лено их большими расчетными длинами и действующими в них значи­тельными усилиями. Сечения их обычно проектируют двухстенчатыми (рис. 9.14), а узловые сопряжения их между собой осуществляются в двух плоскостях. Стержни тяжелых ферм (как раскосы и стойки, так и пояса) в разных панелях имеют разные по размерам, но одного вида се­чения.

Тяжелые фермы, воспринимающие динамические нагрузки (желез­нодорожные мосты, краны и т. п.), иногда проектируются клепаными. Современные тяжелые фермы, как правило, конструируются из сварных стержней с узлами на высокопрочных болтах.

Применяются следующие типы сечений стержней тяжелых стальных ферм:

Н-образные сечения из двух вертикальных листов (вертикалов)', свя­занных горизонтальным листом (горизонталом) (рис. 9. 14, а), из че­тырех неравнобоких уголков, также связанных горизонтальным лис­том (рис. 9.14,6). Развитие этих сечений в смежных панелях происхо­дит в сварных сечениях посредством добавления вертикальных листов (рис. 9.14, в). Сечения эти удобно прикреплять к фасонкам, так как они имеют гладкую наружную поверхность и симметричны. В простейшей своей форме они малотрудоемки и в этом отношении существенно пре­восходят все остальные сечения. Если конструкция не защищена от падания атмосферных осадков, в расположенных горизонтально эле­ментах необходимо оставлять отверстия для стока воды. Н-образное сечение применяется как для поясов, так и для раскосов ферм;


швеллерное сечение — из двух швеллеров, поставленных полками внутрь (рис. 9.14, г). При этом используются как прокатные швеллеры (рис. 9.14, г), так и составленные из листов и уголков. Подобного типа сечения чаще всего применяются в клепаных конструкциях. Сечения в смежных стержнях изменяют наклёпкой или приваркой к швеллерам листов (рис. 9.1, д—е). Стержни швеллерного сечения имеют хорошую устойчивость в обеих плоскостях, и поэтому такое сечение целесообраз­но применять 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 — из двух вертикальных элементов, соединен­ных горизонтальным листом сверху (рис. 9.14, ж, з,и), применяется главным образом для верхних поясов тяжелых мостовых ферм. Жест­кость сечения значительно повышается, если снизу вертикальные ветви соединить решеткой (рис. 9.14, з);

одностенчатое двутавровое сечение — из широкополочного сварного или прокатного двутавра, поставленного вертикально (рис. 9. 14,к). Сжатые пояса двутаврового сечения требуют более частого закрепления из плоскости фермы, так как у них IУ значительно меньше, чем Iх;

трубчатые стержни, применяемые в сварных тяжелых фермах, име­ют тс же преимущества, что и в легких фермах (см. стр. 240).