Модуль 13. Стропильные фермы и шпренгельные системы
Фермой называется стержневая система, остающаяся геометрически неизменяемой после условной замены ее жестких узлов шарнирами. Фермы относятся к классу сквозных конструкций, в которых пояса соединены между собой не сплошной стенкой, как у балок, а решеткой, состоящей из отдельных стержней - раскосов и стоек.
Деревянные фермы применяются, как правило, в статически определимых системах, как в отношении опорных закреплений, так и схемы решетки. Несущая способность статически определимых ферм зависит от прочности и устойчивости любого стержня, разрушение которого может вызвать потерю устойчивости и разрушение всей конструкции, вследствие этого к качеству материалов для изготовления ферм предъявляются повышенные требования. Фермы проектируют с минимально возможным числом узлов. Деревянные фермы бывают треугольные, прямоугольные, трапециевидные, сегментные и многоугольные. В фермах различают верхний и нижний пояса, раскосы и стойки. В современном строительстве применяются следующие типы ферм:
- трапециевидные и сегментные - под рулонную кровлю;
- треугольные - под кровлю из волнистых асбестоцементных листов, стальную, черепичную и другие подобные кровли с уклонами 1/3,1/4.
Пролеты ферм составляют: 9...21 м (45 м) - для треугольных и 12...30 м - для сегментных ферм. Шаг дощатых ферм в малоэтажном домостроении назначают от 0,5 до 2 м, шаг брусчатых и металлодеревянных ферм в покрытиях зданий - от 2 до 6 м.
Металлодеревянными фермами перекрывают пролеты больше 24 м. Узлы деревянных ферм крепятся гвоздями и болтами. В металлодеревянных фермах элементы, работающие на сжатие, изготовляют из древесины, работающие на растяжение – из стали.
Рис. Схемы фермы (вид спереди): а – деревянной; б – металлодеревянной
В современном строительстве применяются следующие типы ферм:
трапециевидные и сегментные - под рулонную кровлю;
- треугольные - под кровлю из волнистых асбестоцементных листов, стальную, черепичную и другие подобные кровли с уклонами 1/3,1/4.
Пролеты ферм составляют: 9...21 м (45 м) - для треугольных и 12...30 м - для сегментных ферм. Шаг дощатых ферм в малоэтажном домостроении назначают от 0,5 до 2 м, шаг брусчатых и металлодеревянных ферм в покрытиях зданий - от 2 до 6 м. Высота треугольных ферм в середине пролета между осями поясов назначается 1/5 пролета - при деревянном нижнем поясе и 1/6 - при металлическом нижнем поясе. Для сегментных ферм высота h = 1/ 6/... 1/ 8/. В треугольных и трапециевидных брусчатых фермах стыки верхнего пояса конструируют в узлах или вблизи узлов простым лобовым упором. Стыки нижнего пояса устраивают в середине длины панели или в центральном узле и перекрывают парными накладками на нагелях. При выборе типа решетки стремятся к уменьшению числа ее элементов и сокращению длины сжатых стержней, из-за опасности потери их устойчивости. Наиболее рациональна треугольная решетка. Элементы решетки ферм центрируются в узлах. Нижним поясам ферм при изготовлении придается строительный подъем /^ =1/200 пролета. При определении усилий в элементах фермы искажение геометрического очертания ферм строительным подъемом не учитывается.
Особенности деревянных и металлодеревянных ферм:
1. Верхние пояса работают как правило на сжатие с изгибом, т.е. пояса почти всегда неразрезные.
2. Верхние пояса всегда из дерева, нижний пояс может быть из МК или дерева. Если пояс металлический — форма металлодеревянная.
Причина: дерево при растяжении хрупкий материал, сильно влияют пороки, сложно решить стыки для нижнего пояса в дереве.
3. Решетка — сжатая → деревянная
растянутая →в металле или дереве.
4. Огнестойкость очень мала около 15 мин.
Фермы.
Особенности:
1. Верхние пояса работают как правило на сжатие с изгибом, т.е. пояса почти всегда неразрезные.
2. Верхние пояса всегда из дерева, нижний пояс может быть из МК или дерева. Если пояс металлический — форма металлодеревянная.
Причина: дерево при работе на растяжение разрушается хрупко, сильно влияют пороки.
Решетка ферм в сжатых стержнях выполняется из древесины, а в растянутых из стали или из древесины.
3. Огнестойкость ферм очень мала - около 15 мин.
· Фермы на зубчатых металлических пластинах.
Во всем мире половина ферм на зубчатых пластинах, при этом может быть любой тип решетки. Фермы используются в жилых домах.
Имеет место огромная скорость изготовления ферм. Например, два человека собирают 300 ферм в смену пролетом 24м.
Зубчатые пластины толщиной t=2÷3мм. Используется очень качественная сталь с относительным удлинением до 40%. Под каждую пластину подбирают свою сталь. За рубежом эти прокладки известны как генг нейл.
Это пластинки нагельного типа.
· Треугольные фермы.
Верхний пояс усилен шпренгелем.
Высокая транспортабельность.
Также называют треугольные, четырехпанельные, шестипанельные.
· Сегментные фермы.
Самые легкие (если верхний пояс неразрезной).
Верхний пояс могут делать разрезным из отдельных клееных блоков длиной около 6м, а в узлах металл.
Ферма с полураскосной решеткой (самая длинная ферма):
· Многоугольные фермы.
Верхний пояс это неразрезная двухпролетная балка.
· Пятиугольные (трапециевидные) фермы.
Со сжатым или растянутым опорным раскосом.
· Ферма на лобовых врубках.
Lmax==47м (Москва — манеж 1817г).
Особенности расчета верхнего пояса фермы.
Это сжатоизогнутый стержень.
Задано: прочность верхнего пояса 
Мпол—полный момент.
Мпол= Мq- МN
МN=N-eср
eср= 
Мq= 
ξ—учитывает деформации оси при совместном действии Q и N/
ξ=1- 
; λk= 
Если верхний пояс криволинейный.
Здесь нет эксцентриситета в узлах.
Разгрузка МN образуется за счет стрелы подъема fо
λk= 
Все остальное тоже (аналогично предыдущему).
Используются чаще всего металлодеревянные фермы, где нижний пояс, как правило, металлический.
Все элементы из дерева, а соединительные детали из металла или пластмассы.
Достоинство этих ферм - малый вес, а недостаток- малая огнестойкость и большая трудоёмкость.
Типовые серии разработанные для металлодеревянных ферм.
-треугольные фермы для сельскохозяйственных строений, размерами 18 и 24 м.
Фермы для одноэтажных промышленных зданий.
L=24 м.
Металлодеревянные сегментные фермы с неразрезным верхним поясом.
L=15, 18, 21, 24 м.
Схема изменяется в f (l).
Самые лёгкие фермы.
Не типовые решения
1.Сегментные металлодеревянные фермы с клееным верхним поясом.
Пролет ферм обычно до 36 м. Высота ферм hф в зависимости от пролета L равна hф =(1/6-1/7) L. Например для фермы пролетом 24 м шаг узлов принимают примерно 6м.
При увеличении пролёта до 60 м используют полураскосную решётку.
В сегментных фермах усилие в решётке настолько мало, что сечение подбирают по предельной гибкости.
2. Брусчатые фермы.
3. Треугольные фермы.
а) 4-х панельные.
Типовые для сельскохозяйственного строительства.
б) 6-ти панельные.
4.Трапециевидные или пятиугольные фермы.
а) сжатый опорный раскос.
б) растянутый опорный раскос - металлический.
Сильно напряженная решетка, трудно решаются узлы.
5.Фермы на лобовых врубках.
6.Фермы с накладками в узлах. Накладки - это зубчатые металлические пластины (генд нейл).
Накладка-это тонкая металлическая пластина нагельного типа толщиной 1,5-2 мм. изготавливаемая штамповкой из качественной стали с относительным удлинением 
. Нагели пластины за счет конструктивного исполнения должны обеспечивать хорошую работу на сдвиг в узле выдёргивание после запрессовки.
Фермы могут иметь любое очертание и схему решетки.
Особенности проектирования ферм.
При изготовлении ферм задают строительный подъём равный 
L.
Верхние пояса работают, как правило, с вне узловой нагрузкой и рассчитываются как сжато-изогнутые стержни. Податливость узлов значительно больше, чем в МК, ЖБК и т.д.
Прогибы реальных ферм больше выычисленных по Мору в связи с деформациями древесины в узлах.
Особенности расчёта сжатых верхних поясов.
При 
; 
а) Криволинейный верхний пояс, верхний пояс из блоков.
Проверка прочности по краевым напряжениям с учётом деформированной схемы.
б) Верхний пояс прямолинейный.
назначаются с учётом местного смятия в узлах.
Здесь нет эксцентриситета в узлах.
Разгрузка МN образуется за счет стрелы подъема fо
λk=
Все остальное тоже (аналогично предыдущему).