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 lx= ly (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 ix= iy, и, следовательно, λх = lx/ ix = λy. = ly/ iy.
В фермах из парных уголков близкие радиусы инерции (ix= iy) 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 iy = 2 ix. Для промежуточных раскосов, для которых lx= 0,8 ly, 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! |
Мы поможем в написании ваших работ!