Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЧАЛО 17-й темы
МК-О-17 Область применения и компоновка конструкций ферм.
2.2.1. Определение и характеристика ферм.
2.2.2. Области применения ферм.
2.2.3. Системы ферм.
2.2.4. Компоновка конструкций ферм.
2.2.4.1. Очертание ферм.
2.2.4.2. Генеральные размеры ферм.
2.2.4.3. Системы решеток ферм.
2.2.4.4. Панели ферм.
2.2.4.5. Устойчивость ферм. Связи.
2.2.4.6. Унификация, типизация и стандартизация на основе модулирования размеров ферм.
2.2.4.7. Строительный подъем в стропильных фермах.
2.2.1. Определение и характеристика ферм
Ферма - это решетчатая сквозная конструкция, которая состоит из отдельных прямолинейных стержней, соединенных между собой в узлах.
Основные элементы фермы:
Пояса – верхний и нижний, решетка (стойки и раскосы), узлы (места взаимного соединения стержней), опоры.
Рис. 17.1. Элементы стропильной фермы: 1- верхний пояс, 2 – нижний пояс, 3 – раскосы, 4 – стойка; dв – панель верхнего пояса, dн – панель нижнего пояса, hо – высота фермы на опоре, hф – высота фермы посредине.
Если нагрузки приложены в узлах и соединение элементов шарнирное, то в каждом отдельном стержне возникают только продольные усилия, вызывающие растяжение или сжатие.
Фермы по сравнению со сплошными балками экономичны по затрате металла, им легко придают любые очертания, требуемые условиями технологии, работы под нагрузкой или архитектуры, они относительно просты в изготовлении, их применяют при самых разнообразных нагрузках; в зависимости от назначения им придают самую разнообразную конструктивную форму - от легких прутковых конструкций до тяжелых ферм, стержни которых могут компоноваться из нескольких элементов крупных профилей или листов.
Легкие фермы, как правило, одноплоскостные, стержни которых составляются из прокатных или гнутых профилей; тяжелые фермы, как правило, двухплоскостные - их стержни составляются из мощных листовых или прокатных профилей.
|
Рис. 17.2. Типы сечений стержней легких ферм |
Рис. 17.3. Типы сечений стержней тяжелых ферм |
|
17.1. Ферма Ферма - это решетчатая сквозная конструкция (несущая или связевая), которая состоит из отдельных прямолинейных стержней, соединенных между собой в узлах и образующих неизменяемые фигуры – треугольники, которая при условной замене реальных соединений идеальными шарнирами остается геометрически неизменяемой. Фермам легко можно придать самую разнообразную конструктивную форму - от легких прутковых конструкций до тяжелых ферм, стержни которых могут компоноваться из нескольких элементов крупных профилей или листов. Основные элементы фермы: Пояса – верхний и нижний, решетка (стойки и раскосы), узлы (места соединений стержней), опоры. Фермы бывают металлические, деревянные и железобетонные. Если нагрузки приложены в узлах и соединение элементов шарнирное, то в каждом отдельном стержне возникают только продольные усилия, вызывающие растяжение или сжатие. Благодаря этому фермы по сравнению со сплошными балками экономичны по затрате металла |
|
17.2. Пояса фермы Пояса фермы – основные элементы фермы, воспринимающие усилия от изгибающих моментов и продольных сил. |
|
17.3. Решетка (стойки и раскосы) фермы Решетка фермы (раскосы и стойки) - элементы фермы, воспринимающие усилия от воздействия поперечных сил. |
|
17.4. Узел фермы Узел фермы – точка, где соединяются два и более стержней фермы (поясов, раскосов, стоек). Оси стержней сходящихся в одной точке должны пересекаться в одной точке. Иначе, усилия в узле будут передаваться с эксцентриситетом, а на узел будет действовать изгибающий момент, который необходимо дополнительно учитывать. |
|
17.5. Опоры фермы Опоры фермы – обычно шарнирные (подвижные и неподвижные), через которые опорные реакции ферм передаются на нижележащие конструкции. |
Промежуточными между фермой и балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки усиленной либо снизу подвешенной цепью (шпренгельная балка) или сквозной фермой, либо сверху аркой или фермой. Комбинированные системы просты в изготовлении и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижной нагрузкой. Возможность использования в комбинированных системах дешевых прокатных балок благоприятно сказывается на стоимости и трудоемкости изготовления этих систем.
В фермах подвижных крановых конструкций и покрытий больших пролетов, где уменьшение веса конструкций дает большой экономический эффект, возможно применение алюминиевых сплавов.
Эффективность ферм и комбинированных систем можно значительно повысить, создав в них предварительное напряжение.
2.2.2. Области применения ферм.
Стальные фермы широко применяются в покрытиях промышленных и гражданских зданий, ангаров, вокзалов и т.п., в пролетных строениях большепролетных мостов, радио и телевизионных башнях и мачтах, опорах воздушных линий электропередач.
Наибольшее распространение здесь имеют разрезные (однопролетные) балочные фермы, как самые простые в изготовлении и монтаже. Неразрезные и консольные системы ферм рациональны при большой собственной массе конструкций. Кроме того, неразрезные фермы можно применять исходя из требований эксплуатации, так как они обладают большей жесткостью и могут иметь меньшую высоту. Эксплуатационные или архитектурные требования могут обусловить применение консольных, арочных, рамных, висячих и вантовых ферм.
Рис. 17.4. Системы ферм: а, б, в, и – балочные фермы; г – рамные; д – арочные; е – висячие; ж – комбинированные.
Радио и телебашни, мачты, опоры воздушных линий электропередачи и другие аналогичные конструкции выполняются также в виде стальных ферм.
Башни и мачты представляют собой вертикальные консольные системы пространственных ферм.
2.2.3. Системы ферм.
Геометрическая схема фермы характеризуется очертанием поясов и видом решетки.
По очертанию поясов различают фермы:
1. С параллельными поясами
|
Наиболее простая по конструктивной форме и изготовлению |
2. Трапециевидная
3. Треугольная
Такие фермы применяются при кровле из плоских или волнистых асбестоцементных листов. Недостатками этих ферм является очень большая длина стержней решетки и возможность только шарнирного опирания.
4. Сегментные
Наиболее экономичная по затрате материала (стали), но имеет повышенную трудоемкость, вызванную разными длинами элементов решетки.
2.2.4.1. Очертание ферм.
При компоновке стропильных ферм решаются такие вопросы: выбор очертания ферм, определение генеральных размеров ферм (пролета и высоты), выбор системы решеток и панелей фермы, обеспечение устойчивости ферм, компоновка связей; устройство строительного подъема; унификация и модулирование геометрических размеров ферм.
Очертание стропильной фермы производственного здания зависит от назначения цеха, типа кровли, типа и размера фонаря, от типа соединения ферм с колоннами (шарнирное и жесткое) и т.п. Кроме того, очертание ферм должно соответствовать их статической схеме, а также виду нагрузки, определяющим эпюру изгибающих моментов (например, выступающие консоли рационально проектировать треугольными, с одним скатом, однопролетные фермы с равномерной нагрузкой - полигонального очертания).
Наиболее распространены следующие виды очертания ферм: треугольные, полигональные, трапециевидные и с параллельными поясами.
Треугольное очертание применяют, как правило, при значительном уклоне кровли, вызванном или условиями эксплуатации здания, или типом кровельного материала, а также для выступающих консолей. В других случаях такие фермы не применяются, так как имеют довольно много конструктивных и других недостатков.
Фермы полигонального очертания наиболее приемлемы для конструирования больших пролетов, так как такое очертание фермы соответствует эпюре изгибающих моментов, что дает значительную экономию стали. Дополнительные конструктивные затруднения из-за переломов пояса в тяжелых фермах не так ощутимы, потому, что пояса в таких фермах из условий транспортирования приходится стыковать в каждом узле.
Рис. 17.5. Фермы с различным очертанием поясов: а – сегментная; б – полигональная; в – трапециевидная; г – с параллельными поясами; д, е, ж – треугольные; и – треугольная (консольная).
Для легких ферм полигональное очертание нерационально, так как получающиеся в этом случае конструктивные усложнения не окупаются экономией стали.
Фермы трапециевидного очертания со слабо вспарушенным верхним поясом пришли на смену треугольным фермам благодаря появлению кровельных материалов, не требующих больших уклонов кровли, а кроме того, такое очертание балочных ферм лучше соответствует эпюре изгибающих моментов и имеет конструктивные преимущества (возможно устройство жестких рамных узлов; решетки не имеют длинных стержней в середине пролета).
Фермы с параллельными поясами имеют существенные конструктивные преимущества: одинаковые длины стержней поясов и решетки, минимальное количество стыков поясов; одинаковая схема узлов, которые обеспечивают комбинированную 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.
2.2.4.2. Генеральные размеры ферм.
Генеральные размеры, система решеток и размер панели ферм.
Эти три вопроса решаются комплексно, т.к. зависят один от другого.
К генеральным размерам ферм относятся пролет и высота ферм.
Пролет (длина) ферм в большинстве случаев определяется эксплуатационными и архитектурными требованиями, общекомпоновочным решением сооружения, и не могут быть рекомендованы по усмотрению конструктора. Пролет определяется в зависимости от конструкции узлов сопряжения с опорными конструкциями, по конструктивным соображениям. В случаях, когда пролет конструкции не диктуется технологическими требованиями, он должен назначаться на основе экономических соображений с тем, чтобы суммарная стоимость ферм и опор была наименьшей.
Высота ферм определяется в зависимости от очертания ферм, технологических и конструктивных требований, экономических требований, системы решеток и размера панели.
Так для треугольных ферм решающими являются пролет и уклон кровли, которые зависят от материала кровли. Обычно треугольные фермы проектируют под кровли, требующие значительных уклонов (25-45о), что дает высоту ферм h = (1/4-1/2)l , где l-пролет фермы, что значительно выше требуемой из условия наименьшей массы фермы, поэтому по расходу стали треугольные фермы неэкономичны. Кроме того, треугольные фермы имеют еще целый ряд конструктивных недостатков и поэтому применяются только в вынужденных случаях.
Высота других типов ферм определяется исходя из экономических требований и из условия жесткости. При этом используется такая же методика как при определении оптимальной и минимальной высоты сплошных балок.
Оптимальная высота ферм зависит от системы решеток: при раскосной решетке она примерно на 40% меньше, чем при треугольной решетке, и на 20% меньше оптимальной высоты ферм с треугольной решеткой и с дополнительными стойками; от числа панелей (оптимальная высота фермы уменьшается при егo увеличении).
Так для ферм с треугольной решеткой , для ферм с треугольной решеткой и дополнительными стойками и для ферм с раскосной решеткой , здесь n - число панелей.
По этим формулам высота получается равной (1/4-1/5)l. Обычно высота ферм принимается несколько меньшей (особенно для легких ферм) исходя из требований транспортировки (не более 3,85м), монтажа, унификации, целесообразностью уменьшения объема здания и другими соображениями.
Минимальная высота ферм из условия жесткости определяется из формулы Мора для прогибов f = Ni * *li / (Ei * Ai), где Ni - усилие в стержне фермы от заданной нагрузки; - усилие в том же стержне от единичной нагрузки; Aі - площадь сечения стержня и lі - его длина.
Так для ферм с параллельными поясами
где [l/f] - предельное отношение пролета к прогибу фермы; н - напряжения от нормативных нагрузок; [1+2(h/l)] - выражает влияние решетки.
Обычно, минимальная высота значительно меньше оптимальной и не имеет решающего значения. Только для ферм, работающих на подвижные нагрузки, где требования жесткости весьма высоки, они определяют высоту ферм.
2.2.4.3. Системы решеток ферм.
Выбор системы решетки определяет вес фермы, трудоемкость ее изготовления, внешний вид и должен соответствовать схеме приложения нагрузок, поскольку желательно, чтобы нагрузки передавались в узлах, иначе возникают местные изгибающие моменты в поясах и это утяжеляет фермы.
В стропильных фермах наиболее часто применяются такие типы решеток: наиболее экономичная по расходу материала - треугольная; с уменьшенной панелью - треугольная с дополнительными стойками или подвесками (при наличии подвесного потолка); при необходимости уменьшить высоту и воспринять более высокую нагрузку – раскосную решетку.
В фермах с раскосной решеткой желательно иметь короткие сжатые стойки и длинные растянутые раскосы.
Наиболее рациональные углы наклона раскосов в фермах с треугольной решеткой и треугольной с дополнительными стойками – 45о, а в фермах с раскосной – 35о.
Раскосная решетка еще и 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. Поэтому наиболее часто применяются первые два типа решетки.
Решетка фермы работает на поперечную силу и выполняет функции стенки сплошной балки. Решетка должна отвечать схеме приложения нагрузок.
|
Общая длина и количество узлов меньше чем в других типах решетки. Недостаток – значительная длина панелей. |
2. Раскосная решетка
|
Эффективна в невысоких фермах. От направления раскосов по отношению к опоре имеется возможность регулировать знаки усилий. Для ферм треугольного и сегментного очертания – нисходящие элементы сжаты, а восходящие растянуты. Для ферм с параллельными поясами и трапециевидных нисходящие элементы растянуты. |
3. Крестовая решетка применяется при знакопеременном нагружении
|
Наиболее жесткая; раскосы работают только на растяжение. При возникновении в одном из раскосов сжатия принимается, что он выключается из работы. |
4. Ромбическая решетка
|
Высокая жесткость; уменьшенный размер панели по сравнению с крестовой решеткой. Используется в мостах, башнях. |
5. Безраскосные фермы
|
Большие изгибающие моменты в поясах. |
|
Высокая несущая способность и жесткость; уменьшенный размер панели по сравнению с крестовой решеткой. Используется в мостах, башнях. |
|
Обеспечивает уменьшение размеров панелей для обеспечения передачи нагрузки в узлах фермы и для уменьшения расчетных длин поясов в плоскости ферм (для обеспечения устойчивости сжатых стержней). |
Кроме основных типов решетки, в фермах применяются еще специальные типы решеток: шпренгельная - применяется при большой высоте фермы для сохранения рационального угла наклона раскосов (35-45о) при уменьшении размеров панелей. Это необходимо в двух случаях - для обеспечения передачи нагрузки в узлах фермы и для уменьшения расчетных длин поясов в плоскости ферм (для обеспечения устойчивости сжатых стержней).
Крестовая - при работе фермы на двухстороннюю нагрузку и для обеспечения повышенной жесткости. К таким фермам относятся горизонтальные связевые фермы покрытий производственных зданий, мостов, вертикальные фермы башен, мачты и связи высоких зданий. Весьма часто крестовую решетку проектируют из гибких стержней. При этом принимается, что работают только растянутые раскосы; сжатые же раскосы вследствие своей большой гибкости выключаются из работы и в расчетную схему не входят. Для того, чтобы заставить работать оба раскоса в фермах создают предварительно растягивающие усилия. Это заставляет работать оба раскоса и тем самым увеличивается жесткость фермы.
Ромбическая - обладает повышенной жесткостью (по сравнению с обычными решетками) и уменьшает размер панелей (по сравнению с крестовой решеткой). Эта система применяется в связях, мостах, башнях, мачтах для уменьшения расчетной длины стержней.
Полураскосная - обладает большой жесткостью (благодаря двум системам раскосов) и уменьшенной панелью - особенно рациональна при работе конструкций на большие поперечные силы. Эта система решетки применяется в мостах, башнях, связях высоких зданий.
2.2.4.4. Панели ферм.
Одновременно с выбором системы решетки устанавливаются размеры панелей.
Размер панелей по верхним поясам стропильных ферм определяется системой кровельного покрытия: расстоянием между прогонами 1,5-4 м или шириной панелей и плит 1,5-3 м.
При беспрогонном покрытии панель часто принимается равной 3-4 м. При ширине плит 1,5 м 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 (профнастил с легким утеплителем).
Панель нижнего пояса составляет обычно 6 м, но при наличии подвесного потолка или подвесного транспорта может быть уменьшена за счет подвесок или шпренгельной решетки.
2.2.4.5. Устойчивость ферм. Связи.
Обеспечение устойчивости плоских стропильных ферм производится с помощью связей. Чаще всего из двух плоских ферм с помощью связей образуется пространственный устойчивый брус. Для обеспечения устойчивости такого бруса необходимо, чтобы все грани его были геометрически неизменяемы в своей плоскости. Грани бруса образуются двумя вертикальными стропильными фермами, двумя горизонтальными связевыми фермами в плоскости верхних и нижних поясов стропильных ферм и как минимум две связевых фермы по торцам бруса (блока). При большом пролете стропильных ферм количество вертикальных связевых ферм больше.
При большом шаге (12 и более м) стропильных ферм и кровле по прогонам, устройство связевых ферм затруднительно. В этом случае раскрепление верхних поясов ферм из плоскости осуществляется более частой (обычно через 6 м) постановкой вертикальных связевых ферм, а горизонтальные связи по верхним поясам не ставятся.
В качестве жестких блоков рационально использовать пространственные (например, трехгранные) фермы.
Такие жесткие блоки обычно устраиваются по торцам здания и при большой длине здания (60 и более м) - ставятся один или два промежуточных блока. Промежуточные стропильные фермы (между жесткими блоками) прикрепляются к этим жестким блокам с помощью распорок (в плоскости сжатых поясов) и растяжек (в плоскости растянутых поясов).
В качестве распорок могут иногда использоваться прогоны кровли, если жесткость их достаточна и они крепятся в узлах связевых ферм.
Рис. 17.6. Плоская и пространственные фермы: а – плоская ферма; б - пространственный устойчивый брус образован с помощью связей из двух плоских ферм; в – трехгранный пространственный устойчивый брус.
Рис. 17.7. Схема работы связей, обеспечивающих устойчивость стропильных ферм.
2.2.4.6. Унификация, типизация и стандартизация на основе модулирования размеров ферм.
Для снижения трудоемкости проектирования, изготовления и монтажа металлических конструкций ферм требуется унификация и типизация их конструктивной формы и на их основе стандартизировать конструктивные детали ферм и перейти на массовое их изготовление с помощью специализированных высокопроизводительных станков и приспособлений.
В основу унификации ферм кладется модулирование конструктивно-компоновочных размеров, причем для сокращения числа типоразмеров используются укрупненные модули (1,5; 3; 6 м). Унификация геометрических размеров ферм приводит к стандартизации, как самих ферм, так и примыкающих к ним элементов (прогонов, связей, колонн и т.п.). Унификация ферм должна проводиться по видам сооружений. В настоящее время унифицированы геометрические схемы стропильных ферм производственных зданий, мостов, радиомачт, радиобашен, опор линий электропередач.
Рис. 17.8. Унифицированные схемы стропильных ферм: а – пояса из тавров, решетка из парных уголков; б – пояса и решетка из гнутосварных замкнутых профилей (типа «Молодечно»).
Так, в основу унификации стропильных ферм с рулонной кровлей положены: модуль пролета 6 м, панели 3 м, уклон кровли i = 1,5%, высота ферм на опоре 3150 мм по наружным граням поясов. Треугольная решетка с возможностью введения шпренгеля при кровельных плитах шириной 1,5 м. Типизированные на основе унификации геометрических размеров стропильные фермы разных пролетов и мощностей могут быть собраны и сварены полуфермами в едином стационарном кондукторе-позиционере, что значительно снижает трудоемкость изготовления ферм и обеспечивает их взаимозаменяемость.
В типовых стропильных фермах для пролётов 18…36 м высота на опоре принята для трапециевидных 2200 мм, для ферм с параллельными поясами 3150 мм. Эта высота меньше оптимальной, но более удобная при транспортировании.
2.2.4.7. Строительный подъем в стропильных фермах.
В фермах больших пролетов (более 36 м), а также в фермах из алюминиевых сплавов или высокопрочных сталей возникают большие прогибы, которые ухудшают внешний вид конструкций покрытия и во многих случаях недопустимы по условиям эксплуатации (например, в производственных зданиях оборудованных подвесным подъемно-транспортным оборудованием).
Провисание ферм предотвращается устройством строительного подъема на величину прогиба от постоянных нагрузок.
Строительный подъем ферм осуществляется путем изготовления ферм с обратным выгибом.
Теоретически строительный подъем можно получить, изменяя длину каждого стержня на величину изменения длины стержня под действием нагрузки с обратным знаком. Но это трудно осуществимо. На практике строительный подъем в стропильных фермах, имеющих один монтажный стык посередине пролета, задается по треугольнику, а в тяжелых фермах больших пролетов с монтажными стыками в каждом узле - по многоугольнику, вписанному в окружность.
Рис. 17. 9. Схемы осуществления строительного подъема:
а – в легких фермах; б – в тяжелых фермах