14. Фермы. Классификация ферм. Конструктивные решения

Фермой называют систему стержней (обычно прямолинейных), соединенных между собой в узлах и образующих геомет­рически неизменяемую кон­струкцию.

Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными.

Плоские фермы (рис. 7.1, а) могут воспринимать нагрузку, при­ложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскости связями или другими элементами. Пространствен­ные фермы (рис. 7.1, б, в) образуют жесткий пространственный брус, способный воспринимать нагрузку, действующую в любом на­правлении.

Основными элементами ферм являются пояса, образующие кон­тур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек (рис.7.2).

Расстояние между узлами пояса называют панелью (d), рас­стояние между опорами — пролетом (L), расстояние между осями (или наружными гранями) поясов — высотой фермы (h_ф).

Пояса ферм работают в основном на продольные усилия и мо­мент (аналогично поясам сплошных балок); решетка ферм воспри­нимает в основном поперечную силу, выполняя функцию стенки сплошной балки.

Соединения элементов в узлах осуществляют путем непосредст­венного примыкания одних элементов к другим (рис. 7.3, а) или с помощью узловых фасонок (рис. 7.3, б). Для того чтобы стерж­ни ферм работали в основном на осевые усилия, а влиянием моментов можно было пренебречь, элементы ферм следует центри­ровать по осям, прохо­дящим через центры тяжести.

Компоновка ферм

Первым этапом проектирования конструкций является их ком­поновка. На этой стадии вы должны выбрать статическую схему и очертание фермы, назначить вид решетки и определить генеральные размеры. Компоновка конструкций в решающей степени определяет их экономичность, поэтому к этому этапу проектирования следует подходить особо внимательно.

Рациональное конструктивное решение должно быть экономич­ным по затрате металла, просто в изготовлении, транспортировке и монтаже, быть надежным и долговечным.

Выбор статической схемы и очертания ферм

Выбор статической схемы и очертания ферм зависит от назначе­ния и архитектурного решения сооружения.

При выборе статической схемы ферм (разрезная, неразрезная) необходимо учитывать свойства оснований. При просадочных осно­ваниях использование статически неопределимых систем может привести к значительным дополнительным усилиям от осадки фун­даментов.

Определение генеральных размеров ферм

Пролет фермы в большинстве случаев назначают, исходя из тех­нологических и архитектурных требований, он оговаривается в тех­ническом задании. В тех же случаях, когда пролет конструкции не диктуется технологическими требованиями (например, эстакады, поддерживающие трубопроводы, транспортерные галереи и т.п.), его назначают на основе экономических соображений с тем, чтобы сум­марная стоимость ферм и опор была наименьшей.

Высоту ферм принимают, как и для балок, с учетом минимиза­ции расхода стали, обеспечения необходимой жесткости, возможно­сти транспортировки укрупненными элементами.

Усилия в поясах балочных ферм возникают от изгибающего мо­мента, а в решетке - от поперечной силы. Чем больше высота фер­мы, тем меньше усилия в поясах и их масса. Масса решетки, наобо­рот, с увеличением высоты фермы возрастает, так как увеличивается длина раскосов и стоек. Следовательно, может быть найдена опти­мальная высота фермы, при которой общая масса поясов и решетки будет наименьшей. Для ферм-с параллельными поясами и трапецеи­дальных оптимальная высота h_опт составляет1/4…1/5 пролета l . По условиям транспортировки предельная высота конструкций не должна превышать 3,85 м. Обычно с учетом требований транспортировки, мон­тажа и других факторов высоту ферм принимают в пределах 1/7…1/12 пролета l (меньшие значения принимают при меньших нагрузках).

По аналогии со сплошностенчатыми балками для ферм с парал­лельными поясами и трапецеидальных можно определить минималь­ную (из условий жесткости) высоту:

l/f – предельный допустимый прогиб фермы; σ_n – максимальное напряжение в поясе от нагрузки, при которой проверяется жесткость.

Прогиб конструкций определяют от нормативной нагрузки при коэффициенте надежности по нагрузке равном 1. При полном исполь­зовании прочностных свойств стали, т.е. при действии расчетных нагрузок σ = Ry , при нормативной нагрузке:

q_n и p_n – постоянная и временная нормативные нагрузки; γ_fq и γ_fp – соответствующие к-ты надежности по нагрузке.

Прогиб ферм можно компенсировать устройством строительного подъема, т.е. изготовлением ферм с обратным выгибом, который под воздействием нагрузки погашается и ферма приходит в проектное положение. Строительный подъем назначают согласно нормам рав­ным прогибу от постоянной нагрузки плюс половина от временной нагрузки.

Размеры панели должны соответствовать расстоянию между эле­ментами, передающими нагрузку на ферму, и отвечать оптимально­му углу наклона раскосов. Оптимальный угол наклона раскосов в треугольной решетке составляет 45° , в раскосной решетке - 35° . Из конструктивных соображений — рационального очертания фасонки в узле и удобства прикрепления раскосов - желателен угол, близкий к 45°. При малых углах фасонки получаются слишком вытянутыми, при больших - высокими, что делает их громоздкими и неэконо­мичными. В стропильных фермах размеры панелей принимают в зависимости от системы кровельного покрытия.

Унификация и модулирование геометрических размеров ферм позво­ляет стандартизировать как сами фермы, так и примыкающие к ним элементы (прогоны, связи и т.д.). Это приводит к сокращению числа типоразмеров деталей и дает возможность при массовом изготовле­нии конструкций применять специализированное оборудование и перейти на поточное производство.

Размеры панели должны соответствовать расстоянию между эле­ментами, передающими нагрузку на ферму, и отвечать оптимально­му углу наклона раскосов. Оптимальный угол наклона раскосов в треугольной решетке составляет 45° , в раскосной решетке - 35° . Из конструктивных соображений — рационального очертания фасонки в узле и удобства прикрепления раскосов - желателен угол, близкий к 45°. При малых углах фасонки получаются слишком вытянутыми, при больших - высокими, что делает их громоздкими и неэконо­мичными. В стропильных фермах размеры панелей принимают в зависимости от системы кровельного покрытия.

Унификация и модулирование геометрических размеров ферм позво­ляет стандартизировать как сами фермы, так и примыкающие к ним элементы (прогоны, связи и т.д.). Это приводит к сокращению числа типоразмеров деталей и дает возможность при массовом изготовле­нии конструкций применять специализированное оборудование и перейти на поточное производство.