Узлы легких ферм. Расчет и конструирование.

Чтобы обеспечить совпадение конструктивной схемы фермы с расчетной, необходимо стержни центрировать в узлах по осям, проходящим через их центры тяжести

При смещении в легких фермах центров тяжести поясов с оси более чем на 5% высоты пояса необходимо учитывать возникающие в узлах моменты. Очертание фасонок определяют схемой узла и длиной швов или числом заклепок, прикрепляющих стержней решетки фермы.

Необходимо стремиться к простейшим очертаниям фасонок, чтобы упро­стить их изготовление, уменьшить обрезки и придать ферме более конструктивный, спокойный вид.

Толщину фасонок рекомендуется принимать одинаковой во всех узлах фермы. При значительной разнице усилий в стержнях решетки можно принимать две толщины в пределах отправочного элемента. Допустимая разница толщин фасонок в смежных узлах равна 2 мм. Стержни решетки из уголков или из швеллеров во избежание рез­кой концентрации напряжений рекомендуется приваривать с каждой стороны двумя фланговыми швами и одним лобовым швов (рве. IX.20).

При приварке только двумя фланговыми швами их концы выводят на торец стержня на длину 20—30 мм. Легкие стержни решетки из оди­ночных уголков можно приваривать, одним фланговым швом (по обуш­ку уголка) и лобовым швом

Узлы ферм из одиночных уголков.

В легких сварных фермах из одиночных уголков узлы можно проектировать без фасонок и стержни решетки приваривать или прикреплять болтами непосредственно к пол­ке поясного уголка

Для сближения с одной плоскостью центров тяжести решетки и поясов решетку целесообразно прикреплять к внутренней грани полки пояса

Узлы стержней из парных уголков.

В фермах со стержнями из двух уголков, составленных тавром, узлы проектируют на фасонках, которые заводят между уголками. Стержни решетки прикрепляют к фасонке обваркой уголков по контуру или фланговыми швами. Концы фланговых швов выводят на торцы элемента на длину 20 мм. Не рекомендуется принимать прерывистые швы, швы толщиной менее 5 мм и длиной менее 60 мм.

Швы, прикрепляющие фасонку к поясу, рассчитывают на разность усилий в смежных панелях пояса :

N = N2 — N1.

Если к узлу приложена сосредоточенная нагрузка (рис. 9. 18, е), то швы, прикрепляющие фасонку к поясу, воспринимают равнодействую­щее усилие от давления нагрузки F и разности усилий в смежных панелях.

Рис. 9. 18, е-крепление прогонов

В этом случае требуемую площадь швов (при нагрузке F, перпен­дикулярной поясу) можно определить из формулы

где Σkш/lш — суммарная расчетная площадь швов. Зная длину швов, можно получить катет углового шва kш. Задавшись катетом углового шва kш, можно получить требуе­мую длину швов.

В фермах с раскосной решеткой фасонке следует придавать очерта­ние прямоугольной трапеции (рис 9 18,б).

рис 9.18 б — узел при раскосной решетке

Для плавной передачи усилия от стержней решетки на пояс фасонку выпускают за стойку год углом не менее 15°.

Если в узлах ферм размещаются стыки поясов, то их следует перек­рывать специальными накладками, не включая, как правило, в работу стыка фасонку, работающую на перераспределение усилий между стер­жнями, примыкающим к узлу (рис. 9.19). Можно фасонку включать в работу стыка, если продолжить ее за узел фермы (рис. 9.19,б).

Рис. 9.19,б

Стык поясов можно перекрывать листовыми накладками, располо­женными по выступающим им полкам уголков (рис. 9.20, а), или уголковы­ми накладками со срезанной полкой и обработанными обушками

Рис. 9.20, а .

В стержнях таврового сечения из двух уголков между уголками ста­вят прокладки для связи стержней между собой и обеспечения их сов­местной работы. Расстояние между прокладками не должно превышать 40 i для сжа­тых стержней и 80 i для растянутых стержней (i—радиус инерции одного уголка). При этом в преде­лах длины одного сжатого элемента решетки следует ставить не менее двух прокладок.

Опорный узел легких ферм при свободном опирании их на нижеле­жащую конструкцию состоит из опорной плиты и фасонки (рис. 9.21).

Рис. 9.21 Опорный узел фермы.

Давление фермы на опорную плиту передается через фасонку и опорную стойку, образующих жесткую опору крестового сечения. Оси пояса и опорного раскоса центрируют на ось опорной стойки; таким об­разом, опорная реакция фермы проходит через центр жесткого креста. Швы, приваривающие фасонку и опорную стойку к плите, рассчи­тывают на опорную реакцию

Швы, прикрепляющие опорную стойку к фасонке, при обычной квад­ратной опорной плите рассчитывают на усилие, равное половине опор­ного давления.

Площадь опорной плиты определяют по несущей способности мате­риала опоры

где Fоп — опорная реакция фермы; Ron — расчетное сопротивление материала опоры сжатию.

В опорной плите устраивают отверстия для анкеров. Анкерные отверстия прикрывают прямоугольными шайбами, которые после установки фермы приваривают к опорной плите.

Фермы с поясами из широкополочных тавров

Тавры применяются в поясах ферм, решетка выполняется из спаренных или одиночных уголков. По сравнению с фермами со стержня­ми из парных уголков фермы с поясами из тавров экономичнее по массе металла на 10—12 %, по трудоемкости на 15—20 % и по стоимости на 10—15 %. Экономия достигается за счет уменьшения числа деталей, размеров фасонок и длины сварных швов. Наиболее высокие экономи­ческие показатели имеют фермы с перекрестной решеткой), у которых прикрепление раскосов из одиночных уголков к поясам не требует фасонок. При стержнях решетки из парных уголков и при ти­повой схеме решетки ферм, как правило, нужно иметь узловые уширения, чтобы получить необходимую длину сварных швов (рис. 9.22, а).

Рис. 9.22, а

Стыковые швы соединения узловых фасонок со стенками тавров следу­ет рассчитывать на срез от суммы расчетных усилий в примыкающих раскосах, спроектированных на ось пояса. Укрупнительные стыки стропильных ферм имеют конструкцию, обес­печивающую получение двух симметричных полуферм (рис. 9.22,б).

Для этого средняя стойка выполняется из двух уголков крестом. Пояса перекрываются вертикальными и гори­зонтальными накладками. Узловые уширения и стыковые накладки вы­полняются из той же стали, что и пояса.

Трубчатые фермы

В трубчатых фермах наиболее рациональны бесфасоночные узлы с непосредственным примыканием стержней решетки к поясам (рис. 9.24, а). Стержни цен­трируют по геометрическим осям; при неполном исполь­зовании несущей способности поясной трубы допускается эксцентриси­тет не более одной четверти диаметра поясной трубы. Прочность шва, прикрепляющего трубчатый стержень решетки, без снятия фаски можно проверить на запас прочности по формуле

гдеRуcв — расчетное сопротивление металла шва или металла границы сплавления шва; 0,85 — коэффициент условий работы шва, учитывающий неравномерность распределения напряжения по длине шва; β— коэффициент глубины проплавления шва ; кш — толщина углового шва; /ш — длина шва, опреде­ляемая по формуле

При недостаточной толщине пояса в месте узла его можно усилить накладкой (рис. 9.24,а).

Укрупнительное соединение стропильных ферм в коньковом узле рекомендуется выполнять с центрирующей прокладкой, расположенной между фланцевыми заглушками. Если нет станков для фигурной обработки торцов труб, узлы труб­чатых ферм могут выполняться со сплющиванием концов стержней ре­шетки (см. рис. 9.24, б), а в исключительных случаях — на фасонках (см. рис. 9.24, в).

Узлы в местах перелома оси пояса, а также при большом количестве сходящихся стержней могут в отдельных случаях выполняться с ци­линдрическими или многоугольными узловыми вставками (см. рис. 9.24, г).

При пространственном узле вставка делается шаровой.

Соединять трубы одинакового диаметра рационально встык на ос­тающемся подкладном кольце (рис. 9.25, а,). Расчет такого соединения на растяжение и сжатие производят но формуле

(9.28)

где Dср — средний диаметр трубы с меньшей толщиной стенки; t — меньшая толщи­на стенки соединяемых труб

Рис. 9.25, а

При более низком расчетном сопротивлении наплавленного металла стыковое соединение на подкладном кольце можно выполнять косым швом (рис. 9.25, б).

Рис. 9.25, б

Если невозможно обеспечить достаточную точность подгонки труб для сопряжения встык и равнопрочность сварного шва, стыковые соеди­нения труб равных диаметров могут выполняться с помощью парных кольцевых накладок, гнутых из листа или вырезаемых из трубы того же или несколько большего диаметра (рис. 9.25, в)

Рис. 9.25, в

Длина сварного шва при накладках с фигурными вырезами прибли­женно определяется по формуле

где а — размер лепестка ; п — число лепестков по периметру трубы .

Стыковые соединения труб разных диаметров, работающие на сжатие, а также соединения в местах перелома оси пояса могут выполняться с по­мощью торцевых прокладок (рис. 9.25,г).

Рис. 9.25,г

На монтаже часто применя­ются

фланцевые соединения на бол­тах

(рис. 9.25,д).

Рис. 9.25,д

В опорных узлах трубчатых ферм, так же как и в фермах из уголков, не­обходимо конструировать жесткую опорную стойку для передачи давле­ния на опору. Опорную стойку можно конструировать в виде ребер из лис­тов (рис. 9.26, а, б)

Рис. 9.26, а, б

или из обрезка трубы (рис. 9.26, в).

Опорная стойка заканчивается плитой, распределяю­щей давление от фермы на нижележащую конструкцию.

Фермы из гнутых профилей

Фермы из гнутосварных замкнутых профилей проектируют с бесфасоночными узлами и с беспрогонным опиранием кровли

Для свободного размещения стержней решетки на уровне примыка­ния их к поясу иногда приходится смещать центровку стержней с гео­метрической оси пояса (рис. 9.28). Узловые эксцентриситеты величиной не более 0,25 высоты пояса не учитываются при расчете. При наличии эксцентриситета в узле более 0,25hп узловой момент воспринимается
поясом

где L1, L2 — длина панелей, примыкающих к узлу.

Рис. 9.28.

При поясе фермы коробчатого сечения и раскосов из двух ветвей, соединенных планками, раскосы примыкают с 2-х сторон внахлестку к поясу и привариваются фланговыми швами (рис. 9.29, а).

Рис. 9.29, а

Если высота пояса недостаточна, то к нему в двух плоскостях стыковы­ми шва-ми приваривают фасонки, к которым прикрепляют стержни решетки (рис. 9.29, б).

Рис. 9.29, б

Опорные узлы должны иметь жесткую опорную стойку, состоящую из вертикальных ребер и горизонтальной опорной плиты, распределяю­щей давление фермы на опору (рис. 9.29, в).

Рис. 9.29, в.

Состав каркаса и его конструктивные схемы. Размещение колон в плане. Деформационные швы.

Каркасы производственных зданий в большинстве случаев проекти­руются так, что несущая способность (включая жесткость) поперек здания обеспечивается поперечными рамами, а вдоль — продольными элементами каркаса, кровельными и стеновыми панелями.

Поперечные рамы каркаса состоят из колонн (стоек рамы) и ригелей (в виде ферм или сплошностенчатых сечений). Продольные элементы каркаса — это подкрановые конструкции, под­стропильные фермы, связи между колоннами и фермами, кровельные прогоны (или ребра стальных кровельных панелей). Кроме перечисленных элементов в составе каркаса обязательно име­ются конструкции торцевого фахверка (а иногда и продольного), пло­щадок, лестниц и других элементов здания. Конструктивные схемы каркасов достаточно многообразны. В карка­сах с одинаковыми шагами колонн по всем рядам наиболее простая кон­структивная схема — это поперечные рамы, на которые опираются под­крановые конструкции, а также панели покрытия или прогоны (рис. а, б).

Такое конструктивное решение обеспечивает выполнение экс­плуатационных требований в большинстве машиностроительных цехов, в которых оборудование удобно размещается при относительно неболь­ших шагах колонн по внутренним рядам (6—12 м). Технологии произ­водств, размещенных во многих цехах металлургического производства (прокатные цехи, цехи раздевания слитков и т.д.), также позволяют ис­пользовать эту схему. Такая схема удобна для бесфонарных зданий и для зданий с продольными фонарями. При необходимости освещения с помощью поперечных фонарей их конструкции также могут быть использованы для опирания панелей по­крытия (рис. а, в).

При необходимости больших шагов колонн по всем рядам можно использовать схему с продольным фонарем, несу­щим часть нагрузки от покрытия (рис. г).

На конструкции фона­ря опираются прогоны, расположенные параллельно фермам. Для опирания другого конца прогонов между колоннами устраивается подстро­пильная ферма. В случаях повышенных требований по освещенности помещений иногда используются каркасы с шедовым покрытием (рис. д), в которых на ригели рам опираются конструкции поперечных фонарей, а на них — прогоны или панели покрытия.

При больших пролетах и шагах колонн эффективно применяются каркасы с пространственным ригелем (рис. 10.2, е). Ригель рамы вы­полняется в виде коробчатого сквозного сечения с консолями, на кото­рые опираются конструкции фонаря.

При относительно небольших пролетах используются сплошные рам­ные каркасы (рис. ж)

для одно- и многопролетных зданий с пролетами 12—24 м, высотой помещения 5—8 м без мостовых кранов и с кранами грузоподъемностью до 20 т, с фонарями и без. Эти каркасы выполняются в виде бесшарнирных систем, трехшарнирных, трехшарнирных с затяжкой. Мостовые краны опираются на консоли или уста­навливаются на легкие крановые эстакады.

Каркасы очень удобны в из­готовлении, транспортировке, монтаже. Сечения рам составные из швел­леров и листовой стали или из гнутосварных профилей. Производство таких каркасов поставлено на поток, и в связи с этим они весьма эко­номичны. Использование таких схем при изготовлении малыми серия­ми экономически не оправдано, так как они всегда несколько тяжелее, чем сквозные системы.

В цехах, где по средним рядам шаг колонн должен быть больше, чем по крайнему ряду, устанавливаются подстропильные фермы, на кото­рые опираются ригели рам (см. рис. а, разрез 2—2). При кранах большой грузоподъемности и с большим расстоянием между колонна­ми часто оказывается целесообразным совместить функции подстро­пильных ферм и подкрановых конструкций и предусмотреть по средне­му ряду подкраново-подстропильную ферму (см. рис.6, разрез 2— 2), на верхний пояс которой опирается кровля, а на нижний — краны. Конструктивные схемы каркасов различаются видом сопряжений (жесткое, шарнирное) ригеля с колонной. При жестком сопряжении

(рис. а) конструкция узла крепления фермы к колонне обеспечива­ет передачу моментов и в расчетной схеме принимается жесткий узел. При жестком сопряжении горизонтальные перемещения рам меньше, чем при таких же воздействиях на раму с шарнирным сопряжением. Большая жесткость необходима в цехах с мостовыми кранами, ра­ботающими весьма интенсивно. В этих цехах горизонтальные перемеще­ния колонн могут препятствовать нормальной эксплуатации мостовых кранов. Однако жесткое сопряжение препятствует типизации ферм, на которые в этом случае передаются значительные опорные моменты, раз­ные для рам с разными параметрами. Поэтому жесткое сопряжение можно рекомендовать главным образом для однопролетных каркасов большой высоты при кранах ВТ и Т режимов работы с числом циклов загружения крановой нагрузкой 2Х106 и более. В остальных однопро­летных каркасах более целесообразно шарнирное сопряжение (рис. 6).

В многопролетных цехах горизонтальные нагрузки на одну раму вос­принимаются несколькими (а не двумя, как в однопролетных) колонна­ми, и поэтому даже в цехах большой высоты часто оказывается возмож­ным использовать шарнирное сопряжение.

В многопролетных цехах с пролетами разной высоты возможны ре­шения, при которых часть узлов проектируется жесткими, а часть — шарнирными (рис. в).

Опирание колонн на фундаменты в плоскости рам обычно конструи­руется жесткими (см. рис. а-в), но возможно решение, при котором только часть колонн сопрягается с фундаментом жестко, а часть — шарнирно (рис.,г).

Такое решение часто оказывается эко­номически выгодным при больших тепловыделениях во время эксплуа­тации здания. Подкрановые конструкции в большинстве случаев опираются на ко­лонны каркаса, но возможны и конструктивные решения, при которых внутри цеха проектируется специальная крановая эстакада, состоящая из колонн, связей между ними, подкрановых и тормозных балок. Эста­када на вертикальные нагрузки работает раздельно с каркасом, и та­кое решение может оказаться целесообразным тогда, когда ожидается (после некоторого срока эксплуатации) увеличение грузоподъемности мостовых кранов. Каркасы промышленных зданий изредка проектируются в виде ви­сячих конструкций, складок, оболочек, структур.

Размещение колонн в плане принимают с учетом технологических, конструктивных и экономических факторов. Оно должно быть увязано с габаритами технологического оборудования, его расположением и на­правлением грузопотоков. Размеры фундаментов под колонны увязыва­ют с расположением и габаритами подземных сооружений (фундамен­тов под рабочие агрегаты, боровов, коллекторов и т.п.). Колонны раз­мещают так, чтобы вместе с ригелями они образовывали поперечные рамы, т.е. в многопролетных цехах колонны разных рядов устанавли­ваются по одной оси. Согласно требованиям унификации промышленных зданий, расстоя­ния между колоннами поперек здания (размеры пролетов) назначают­ся в соответствии с укрупненным модулем, кратным 6 м (иногда 3 м); для производственных зданий l=18, 24, 30, 36 м и более. Расстояния между колоннами в продольном направлении (шаг колонн) также при­нимают кратными 6 м. Шаг колонн однопролетных зданий (рис.)

, а также шаг крайних (наружных) колонн многопролетных зданий обыч­но не зависит от расположения технологического оборудования и его принимают равным 6 или 12 м. Вопрос о назначении шага колонн край­них рядов (6 или 12 м) для каждого конкретного случая решается срав­нением вариантов. Как правило, для зданий больших пролетов (1>=30 м) и значительной высоты (H>=14 м) с кранами большой грузо­подъемности (Q>=50 т) оказывается выгоднее шаг 12 м и, наоборот, для зданий с меньшими параметрами экономичнее оказывается шаг колонн 6 м. У торцов зданий колонны обычно смещаются с мо­дульной сетки на 500 мм для возможности использования типовых ог­раждающих плит и панелей с номинальной длиной 6 или 12 м. Смеще­ние колонн с разбивочных осей имеет и недостатки, поскольку у торца здания продольные элементы стального каркаса получаются меньшей длины, что приводит к увеличению типоразмеров конструкций. В многопролетных зданиях шаг внутренних колонн исходя из техно­логических требований (например, передача продукции из пролета в пролет) часто принимается увеличенным, но кратным шагу наружных колонн (рис. 11.2).

При больших размерах здания в плане в элементах каркаса могут возникать большие дополнительные напряжения от изменения темпера­туры. Поэтому в необходимых случаях здание разрезают на отдельные блоки поперечными и продольными температурными швами. Нормами проектирования установлены предельные размеры температурных бло­ков, при которых влияние климатических температурных воздействий можно не учитывать (табл. 11.1).

Характеристика здания	Стальной каркас	Смешанный каркас (железобе­тонные колонны)
длина блока вдоль здания	ширина блока поперек зда­ния	длина блока вдоль здания	ширина блока поперек здания
Отапливаемое   Неотапливаемое и горячие цехи	230 (160) 200 (140)	150 (110) 120 (90)

Размеры в скобках даны для зданий, эксплуатируемых при расчетных зимних температурах наружного воздуха от —40 до —65 °С. Наиболее распространенный способ устройства поперечных темпе­ратурных швов заключается в том, что в месте разрезки здания ставят две поперечные рамы (не связанные между собой какими-либо продоль­ными элементами), колонны которых смещают с оси на 500 мм в каж­дую сторону, подобно тому как это делают у торца здания (рис. a).

Продольные температурные швы решают либо расчленением много­пролетной рамы на две (или более) самостоятельные, что связано с ус­тановкой дополнительных колонн, либо с подвижным в поперечном на­правлении опиранием одного или обоих ригелей на колонну с помощью катков или другого устройства. В первом решении предусматривается дополнительная разбивочная ось на расстоянии 1000 или 1500 мм от основной (рис. а).Иногда в зданиях, имеющих ширину, превыша­ющую предельные размеры для температурных блоков, продольную раз­резку не делают, предпочитая некоторое утяжеление рам, необходимое по расчету на температурные воздействия.

В некоторых случаях планировка здания, обусловленная технологи­ческим процессом, требует, чтобы продольные ряды колонн двух про­летов цеха располагались во взаимно При этом также возникает необходимость в дополнительной разбивочной оси. Расстояние между осью продольного ряда колонн одного отсе­ка и осью торца примыкающего к нему другого отсека, принимается равным 1000 мм, а колонны смещаются с оси внутрь на 500 мм (рис. б) перпендикулярных направлениях.