Фермы. Области применения. Типы ферм и их компоновка.

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; Наибольшее распространение имеют разрез­ные балочные фермы (рис. 9.1, а)

Неразрезные (рис. 9.1,б) и консольные (рис. 9.1, в) систе­мы ферм рациональны при большой собственной массе конструкции,

Кроме того, неразрезные фермы можно применять исходя из требова­ний эксплуатации, так как они обладают большей жесткостью и могут иметь меньшую высоту. Башни и мачты представляют собой вертикальные консольные си­стемы ферм (рис. 9.1, е).

Соответствующие эксплуатационные или ар­хитектурные требования могут обусловить применение арочных (рис. 9.1, г) или рамных (рис. 9.1, д) ферм.

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. 9.1, ж).

Очертание ферм должно соответствовать их статиче­ской схеме, а также виду нагрузок, определяющему эпюру изгибающих моментов.

Фермы треугольного очертания. Треугольное очертание придается стропильным фермам (рис. 9.2, а, г)

консольным навесам (рис. 9.2, б),

а также мачтам и башням (рис. 9.2, в).

Стропильные фермы треугольного очертания применяют, как прави­ло, при значительном уклоне кровли, вызываемом или условиями эк­сплуатации здания, или типом кровельного материала. Стропильные фермы треугольного очертания имеют ряд конструктивных недостатков. Острый опорный узел сложен, допускает лишь шарнирное сопряжение фермы с колоннами, при котором снижается поперечная жесткость одно­этажного производственного здания в целом. Стержни решетки в сред­ней части ферм получаются чрезмерно длинными, и их сечение прихо­дится подбирать по предельной гибкости, что вы­зывает перерасход металла.

Фермы трапецеидального очертания со слабо вспарушенным верх­ним поясом (рис. 9.3, а) пришли на смену треугольным фермам благо­даря появлению кровельных материалов, не требующих больших укло­нов кровли.

Трапецеидальное очертание балочных ферм лучше соответствует эпюре изгибающих моментов и имеет конструктивные преимущества. В сопряжении с колоннами позволяет устраивать жесткие рамные узлы, что повышает жесткость здания. Решетка таких ферм не имеет длинных стержней в середине пролета.

Фермы полигонального очертания (рис. 9.3,б и в) наиболее прием­лемы для конструирования тяжелых ферм больших пролетов, так как

очертания фермы соответствуют эпюре изгибающих моментов, что да­ет значительную экономию стали.

Дополнительные конструктивные за­труднения из-за переломов пояса в тяжелых фермах не так ощутимы, ибо пояса в таких фермах из условий транспортирования приходится стыковать в каждом узле.

Для легких ферм полигональное очертание нерационально, так как получающиеся в этом случае конструктивные усложнения не окупаются незначительной экономией стали.

Фермы с параллельными поясами (рис. 9.3, г, д) 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.

Генеральные размеры ферм

Определение пролета ферм. Пролет или длина ферм в большинстве случаев определяются эксплуатационными требованиями и общекомпо­новочным решением сооружения.

Пролеты стропильных ферм, определяются технологической или архитектурной схемой сооружения и уточняются в зависимости от типа сопряжений с сосед­ними элементами.

При свободном опирании ферм покрытий на опоры расчетный пролет фермы /0 может быть принят равным:

-для разрезных ферм — расстоянию между внутренними четвертями ширины опор, т. е.

l0=l+a/2

где / — расстояние в свету между опорами; а — ширина опоры;

-для средних пролетов неразрезных ферм l0=l+a.

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

Определение высоты, треугольных ферм. В треугольных фермах высота является функцией пролета и уклона кровли, которые зависят от материала кровли. Обычно треугольные фермы проектируют под кровли, требующие значительных уклонов (25—45°), что дает вы­соту ферм h=(1/4-1/2)l.

Определение оптимальной высоты трапецеидальных ферм и ферм с параллельными поясами. Если нет конструктивных ограничений, высота ферм может быть принята из условия наименьшего веса фермы Оптимальная высота фермы составит

Где lп=l/n , l- пролет,

n- число панелей.

При треугольной решетке оптимальное по весу соотношение:

При раскосной решетке оптимальное по весу соотношение:

При треугольной решетке с дополнительной стойками оптимальное по весу соотношение:

Определение высоты ферм из условий жесткости. Наименьшая воз­можная высота фермы определяется допустимым прогибом По формуле Мора можно получить для ферм с параллельными поя­сами при среднем значении аргументов формулу отношения наименьшей высоты к пролету

σ-максимальное напряжение в поясе от нагрузки, вызывающий прогиб.

Системы решеток ферм и их характеристика

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

Треугольная система решетки. В фермах трапецеидального очерта­ния или с параллельными поясами весьма эффективной является тре­угольная система решетки (рис. 9.4, а), дающая наименьшую суммар­ную длину решетки и наименьшее число узлов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры. В фермах, поддержи­вающих прогоны кровли или балки настила, к треугольной решетке час­то добавляются дополнительные стойки (рис. 9.4,6), а иногда и подвес­ки (рис. 9.4, в), 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 воз­можна треугольная система решетки (рис. 9.4,г). 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 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, а) 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. 9.5, в). Поэтому в треугольных фер­мах более приемлемы нисходящие раскосы (рис. 9.5,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 угольная, 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. 9.6, а). Применение шпренгельной решетки в высоких башнях уменьшает расчетную длину сжатых поясов (рис. 9.6, б) и тем самым позволяет снизить общий вес конструкции. В стро­пильных фермах шпренгельная решетка позволяет сохранить нормальное расстояние между прогонами, удобное для поддержания элементов кровли, или же создать промежуточный узел для опирания крупнопанельного настила (рис. 9.6, а). Шпренгельную решетку особого вида имеет треугольная ферма, по­казанная на рис. 9.6, в. Эта система применяется при крутых кровлях (а = 35-450) и сравнительно больших для треугольных ферм пролетах (/ = 20-24м).В фермах, работающих на двустороннюю нагрузку, устраивают крестовую решетку (рис. 9.6, г. Часто крестовую решетку проектируют из гиб­ких стержней. В этом случае под действием нагрузки работают только растянутые раскосы; сжатые же раскосы вследствие своей большой гибкости выключаются из работы и в расчетную схему не входят. Разработаны стропильные фермы с по­ясами из тавров и крестовой решеткой из одиночных уголков (рис. 9.3, е). Ромбическая и полураскосная решетки (рис. 9.6, д и 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.

Рис. 9.6. Специальные системы решеток

Панели.

Одновременно с выбором системы решетки устанавливают размеры панелей ферм. Поскольку нагрузка обычно прикладывается к узлам ферм, панели должны соответствовать расстояниям между элемента­ми, передающим нагрузку на ферму. Размеры панелей должны отве­чать оптимальному углу наклона раскосов. Оптимальный угол наклона раскосов в треугольной решетке составляет примерно 45°, в раскосной решетке—35°. Из конструктивных соображений — рационального очер­тания фасонки в узле и удобства прикрепления раскосов — желателен угол, близкий к 45°.В стропильных фермах размеры панелей определяются системой кровельного покрытия. Если по стропильным фермам укладывают про­гоны, панель, равная расстоянию между прогонами, определяется ви­дом кровельного настила и ее длина изменяется от 1,5 до 4 м. Применя­ются беспрогонные кровельные покрытия, в которых кровлю в виде профилированного настила, железо-бетонных панелей или металличес­ких щитов длиной 6—12 м и шириной 1,5—3 м укладывают непосредст­венно на поясе ферм. Беспрогонные покрытия являются более индустри­альными и часто более экономичными по расходу стали.

При беспрогонном покрытии панель часто принимается равной 3— 4 м. При ширине плит 1,5 м иногда целесообразно уменьшить с помо­щью шпренгельной решетки панель до 1,5 м; можно также, сохранив панель в 3 м, иметь верхний пояс, работающий на местный изгиб. Это решение менее экономично по расходу стали, но проще и применимо при легких кровлях.