Пермяков В.О., Белов I.Д. Металеві конструкції ферми

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 1.3. Схеми решіток:

а – трикутна; б – розкісна; в – трикутна з додатковими стояками;

г – шпренгельна; д – ромбічна; є – піврозкісна; ж – хрестова;

з, і – кріплення елементів решітки (1 – вузлова фасонка)

Напрямок розміщення розкосів у різних типах решіток

відіграє певну роль. Якщо перший від опори розкіс (він зветься

опорним, бо безпосередньо сприймає опорну реакцію балкової

ферми) спрямований знизу догори, тобто є висхідним, то він

працює на стиск, а якщо навпаки, тобто є низхідним з обпиранням

ферми на опору в рівні верхнього пояса, то − на розтяг. При

змінному обрисі поясів під час вибору напрямку опорних розкосів

беруться до уваги ще й довжини діагоналей у кожній панелі. Так,

для трапецоїдних ферм раціонально використовувати низхідні

опорні розкоси, бо в цьому випадку вони мають меншу довжину.

Для ферм з паралельними поясами напрямок опорних розкосів не

має суттєвого значення (дослідження показують, що незначну

(до 3 – 5 %) економію сталі можна досягти, використовуючи низ-

хідні розкоси). З метою уніфікації конструктивних рішень у

типових фермах використовують висхідні розкоси.

Розкісна решітка застосовується в трикутних фермах.

Як правило, перші від опори розкоси виконуються низхідними,

є і в

бо вони працюють на стиск та забезпечують зручність

конструювання опорних вузлів при менших власних довжинах.

Шпренгельна решітка (рис. 1.3, г) використовується в разі

необхідності зменшення довжин панелей у фермах великої висоти,

а також для виключення місцевого згину при позавузловому

прикладанні зовнішнього навантаження. Ромбічна (рис. 1.3, д) та

піврозкісна (рис. 1.3, є) решітки забезпечують велику жорсткість

ферми і є раціональними при великих поперечних силах. Такі типи

решіток застосовують у баштах, щоглах, мостах і рідко в

багатопрольотних покриттях.

Хрестова решітка (рис. 1.3, ж) застосовується в фермах,

елементи яких сприймають знакозмінні зусилля від навантажень,

що діють з різних боків, наприклад, у в’язевих системах покриттів,

мостах, висотних будівлях, у просторових фермах башт та щогол.

При цьому вважають, що від прикладеного з одного з боків

навантаження працюють тільки розтягнуті стержні, а стиснуті

виключаються з роботи. Якщо дія навантаження відбувається з

протилежного боку, то зберігається той самий принцип, тільки

розкоси міняються місцями.

Розміри панелей ферми визначаються під час вибору схеми

решітки та погоджуються з кроком несучих елементів покрівлі для

того, щоб навантаження від неї були прикладені у вузлах. Як несучі

елементи покрівлі розглядають ребра залізобетонних плит або

прогони, відстані між якими (довжина панелі), як правило,

дорівнюють 1,5 і 3 м. Оптимальний кут нахилу розкосів до поясів

визначається за умовами найменших витрат матеріалу решітки та

залежить від її типу: при трикутній становить 45°, розкісній − 35°.

За конструктивними міркуваннями кут нахилу беруть близьким

до 45°, бо при малих кутах вузлова фасонка, до якої кріпляться

розкоси у вузлах ферм, виявляється занадто витягнутою в ширину,

а при великих є занадто високою (рис. 1.3, з, і).

При відповідному обґрунтуванні допускається обпирання

прогонів та плит покриття між вузлами. В цих випадках пояс ферми

працює ще й на згин, що необхідно враховувати при розрахунках та

конструюванні. Якщо застосовується легка покрівля, то можна

використовувати розріджену схему решітки, скоротивши кількість

її елементів (так звані малоелементні ферми). Слід брати до уваги

той факт, що малоелементні ферми мають підвищену

деформативність.

1.3. Генеральні розміри ферм

Довжина ферми визначається її прольотом, який

встановлюють залежно від компонувальних і технологічних вимог.

При обпиранні ферм зверху на опори конструктивна довжина

включає розміри опорних частин конструкції, а розрахунковий

прольот може бути наближено взятий рівним відстані між

внутрішніми чвертями ширини опор (для розрізних ферм):

ll +=⋅+=

де

l – відстань між внутрішніми гранями опор;

− ширина опор.

Для середніх прольотів нерозрізних ферм розрахункові

прольоти підраховуються по осях опор.

Якщо ферма обпирається збоку на колони, то її конструктивна

довжина та розрахунковий прольот беруть такими, як відстань між

внутрішніми гранями колон.

Оптимальна висота ферм

, що відповідає найменшій масі

або вартості конструкції залежить від прольоту

, обрису поясів,

типу решітки та кількості панелей

. Очевидно, що зі збільшенням

висоти ферми знижується маса (вартість) поясів, так як діючі в них

зусилля обернено пропорційні висоті (

= , де М – балковий

згинальний момент у відповідному перерізі; h – висота ферми), та

підвищуються витрати матеріалу на елементи решітки

(збільшуються довжини розкосів та стояків). Для ферм з

паралельними поясами та трапецоїдних висота за умови мінімуму

маси [1] визначається так:

при трикутній решітці:

;17.0 += n

opt

при розкісній решітці:

( )

;17.0

+= n

opt

при трикутній решітці з додатковими стояками:

( )

17.0

+= n

opt

З аналізу значень

opt

h , знайдених за наведеними формулами,

випливає, що найбільша висота відповідає трикутній решітці,

а найменша (приблизно на 40 % менша, ніж при трикутній) –

розкісній. Причому lh

opt













−≈

. Проте в практиці висота ферм

береться дещо нижчою за оптимальну, що пов’язано з вимогами,

встановленими за умовами транспортування металевих конструкцій

на відкритому рухомому складі [2]. Висота вихідних марок

(елементів заводського виготовлення, що являють собою частини

конструкції, з яких на будівельному майданчику вона складається

до проектних розмірів) не повинна перевищувати висоти

монтажного габариту залізничної платформи – 3800 мм.

За цими ж міркуваннями лімітуються й довжини вихідних марок –

не більш ніж 13,5 м, а при використанні спецплатформ – не більш

ніж 18 м.

Слід зауважити, що при оптимізації зведених витрат на ферму

оптимальна висота значно знижується порівняно з

opt

h , яка

відповідає мінімуму маси конструкції, та досягає приблизно

1/8 – 1/10 прольоту.

Під час проектування покриттів виробничих будівель для

скорочення числа типорозмірів ферм, їх деталей та примикаючих

до них елементів (в’язей, прогонів, колон) проведена уніфікація

конструктивних рішень покрить. Така уніфікація базується на

модульній координації розмірів у будівництві, яка регламентує при

основному модулі М = 100 мм приймати прольоти ферм кратними

збільшеним модулям – 60 М та 30 М. При відповідному техніко-

економічному обґрунтуванні можливі відступи від вимог

модульності, якщо цього вимагають умови, сформульовані

технічним завданням на конкретний об’єкт або при цьому

досягається певна економія матеріалу. Проте і в цих випадках

проводиться уніфікація розмірів і поперечних перерізів у межах

запроектованої споруди, зберігається “уніфікованість”

конструктивних рішень вузлів.

В уніфікованих схемах ферм з паралельними поясами

прийняті єдині розміри панелей, що дорівнюють 3000 мм, та

прольоти 18, 24, 30 і 36 м. Висота ферм прийнята по зовнішнім

граням елементів 3150 мм. При проектуванні будівель з прольотами

18 та 24 м, в яких за умовами експлуатації не вимагається

підвищена висота міжферменого простору, висота ферм із парних

кутиків може бути зменшена до 2550 мм. Інші висоти приймаються

в фермах з безфасонковими вузлами, в яких окремі елементи

проектують з труб (

2900

мм між осями поясів) та замкнених

гнутозварних профілів (

2000

мм між зовнішніми гранями

поясів).

Уніфіковані ферми мають трикутну решітку з додатковими

стояками. При цьому опорний розкіс проектують висхідним для

уніфікації вузлових сполучень ферм з опорами. При обпиранні

покрівлі через 1500 мм для запобігання місцевого згину панелей

поясів застосовують шпренгельну решітку.

Ферми прольотами 18 м виконують з горизонтальними

нижніми поясами, верхні мають похил 1,5 %. При прольотах 24, 30

та 36 м ферми проектують з паралельними поясами, похил яких

складає 1,5 %. Для зручності транспортування ферми виготовляють

у вигляді окремих винахідних марок довжиною 12-15 м з

подальшим об’єднанням їх в монтажних стиках. Для запобігання

великих прогинів ферм, що порушує зовнішній вигляд покриття, а в

окремих випадках й умови нормальної експлуатації (наприклад, при

підвішуванні кранів до нижнього пояса), ферми виготовляють з

будівельним підйомом, тобто зі зворотним вигином. При дії

зовнішніх навантажень будівельний підйом погашається і ферма

приймає проектне положення.

Теоретично лінію будівельного підйому можна отримати при

виготовленні всіх стержнів довше (для стиснутих) або коротше

(для розтягнутих) на величину їх пружної деформації під

навантаженням. Тоді початкова довжина кожного стержня

визначається так:













±=∆±=

llll 1

поч.

де

− довжина стержня в розрахунковій схемі ферми (у проектно-

му положенні);

=∆ − подовження або скорочення стержня від

зовнішнього навантаження.

Практично будівельний підйом задається за спрощеною

кривою, стрілка якої при прольотах ферм 36 м та більше дорівнює

прогину від постійного та тривалого тимчасового навантаження.

Для ферм з паралельними поясами будівельний підйом

улаштовують незалежно від прольоту, приймаючи його таким, що

дорівнює прогину від сумарного нормативного навантаження плюс

1/200 прольоту. Таким чином, ферми з експлуатаційними

навантаженнями зберігають певний підйом у середині прольоту, що

необхідно для надання похилу покрівлі.

Будівельний підйом реалізується при збиранні ферм з окремих

вихідних марок. При цьому перетини поясів улаштовують у

монтажних стиках (рис. 1.4).

200

f/l=

буд

Рис. 1.4. Улаштування будівельного підйому

1.4. Забезпечення стійкості ферм

Ферма – плоска конструкція, яка має значну жорсткість

у власній площині внаслідок відносно великої висоти самої

конструкції. У той же час у перпендикулярному напрямку (поза

площини ферми) її жорсткість недостатня і втрата стійкості

стиснутого верхнього пояса може статися на розрахунковій

довжині, яка дорівнює всьому прольоту ферми (рис. 1.5, б). Крім

того, навіть за наявності прогонів та інших несучих елементів

покрівлі, кріплення яких до ферм розглядається як шарнірне,

система покриття не має достатньої кількості зв’язків для

забезпечення її геометричної незмінності.

Щоб надати системі покриття стійкості, необхідно прикріпити

усі ферми до будь-якої „нерухомої точки”, тобто до достатньо

жорсткої геометрично незмінної конструкції. Для цього в покриттях

влаштовують жорсткі просторові блоки, які складаються з двох

суміжних ферм, об’єднаних горизонтальними і вертикальними

елементами, що звуться „в’язями”. Кожна грань такого блоку

повинна бути геометрично незмінною (геометрична незмінність

двох граней блока, що утворені самими фермами, забезпечена їх

схемами), тому при виборі схеми горизонтальних в’язей по верхнім

і нижнім поясам і вертикальних в торцях блока (тобто на опорах)

необхідно враховувати цю вимогу (рис.1.5, а).

буд

Рис. 1.5. В’язі по фермах:

а – схема просторового блока; б – схема покриття

при відсутності в’язей; в – те ж при наявності в’язевого блока;

1 – ферми; 2 – вертикальні в’язі; 3 – горизонтальні в’язі;

4 – прогони; 5 – розтяжки в рівні нижніх поясів;

6 – вузол кріплення прогонів до горизонтальних в’язей

в рівні верхніх поясів; 7 – осі поясів при втраті стійкості

поза площиною ферми

Жорсткі блоки розміщують зазвичай в торцях будівлі, а решту

ферм прив’язують до них спеціальними елементами (стиснутими

розпорками, розтягнутими розтяжками) або використовують для

цього поздовжні елементи покрівлі (прогони, ребра залізобетонних

плит), які одночасно зі своїми основними функціями відіграють

б в

роль в’язей при умові їх закріплення до вузлів в’язевої системи.

Розпірки розміщуються в рівні верхніх поясів та між опорами ферм

в рівні їх нижніх поясів. Розтяжками вважаються елементи в’язей,

поставлені по прольоту в рівні нижніх поясів кроквяних ферм.

В’язі виконують такі функції: забезпечують геометричну

незмінність та просторову жорсткість покриття під час монтажу

і експлуатації; скорочують розрахункові довжини елементів ферми

поза її площиною, зокрема стиснутих верхніх поясів; сприймають

зусилля, що виникають від навантажень, прикладених у

поздовжньому напрямку будівлі, наприклад, від вітрового

навантаження, діючого на її торець.

Несучі елементи покрівлі – профільований сталевий настил,

прогони, залізобетонні плити – утворюють достатньо жорсткий

диск у горизонтальному напрямку. Враховуючи це, можна

відмовитися від влаштування спеціальних діагональних

горизонтальних в’язей в рівні верхнього пояса навіть у жорсткому

просторовому блоці. Проте, щоб забезпечити загальну стійкість

ферми під час монтажу, коли елементи покрівлі ще відсутні,

необхідно збільшити кількість вертикальних в’язей, окрім опорних.

Вертикальні в’язі розміщують так, щоб фактична гнучкість

стиснутого пояса поза площиною ферми під час монтажу не

перевищувала граничного значення 220 [3], тобто

[]

220=λ≤=λ

Виходячи з цієї умови і визначаються відстані між

вертикальними в’язями

. З технологічної точки зору вертикальні

в’язі доцільно розміщати в площині стояків решітки ферм, відстані

між якими дорівнюють 6 м. Розміри панелей горизонтальної

в’язевої ферми по нижнім поясам теж визначаються відстанями між

вертикальними в’язями, а при необхідності, якщо фактична

гнучкість

розтягнутих поясів перевищує границю

[

]

400

l ,

необхідно ставити додаткові розтяжки.

При покрівлі із залізобетонних ребристих плит, які мають

бути закріплені до верхніх поясів ферм не менш, як у трьох точках,

розрахункові довжини стиснутих поясів визначаються відстанями

між ребрами. Якщо жорстким диском є профільований настил, то

стійкість верхніх поясів забезпечується прогонами, проте тільки

тими, які стикуються з вузлами в’язевої системи, тобто нерухомими

точками. Такими точками вважаються місця перетину прогонів

з вертикальними в’язями жорсткого блока, а також елементів

горизонтальних в’язів між собою (рис. 1.5, в).

Якщо покрівля не є жорстким диском, по верхнім поясам

ферм слід передбачити поперечні горизонтальні в’язеві ферми і

суміщати їх розташування з в’язевими фермами по нижнім поясам.

У будівлях з обпиранням кроквяних ферм на колони в рівні

верхнього пояса горизонтальні в’язеві ферми влаштовують в цьому

ж рівні, бо вони мають сприйняти горизонтальне навантаження від

вітру, прикладене в торець. При залізобетонних плитах покриття ці

навантаження сприймаються жорстким диском, утвореним

плитами, а при покрівлі з профільованого настилу слід

влаштовувати діафрагми жорсткості у вигляді балки, поясами якої

служать верхні пояси суміжних кроквяних ферм, розміщених у

торцях будівлі, а стінкою – профільований настил з підсиленим

кріпленням його до прогонів, або при їх відсутності –

безпосередньо до верхніх поясів ферм [2].

1.5. Типи перерізів елементів ферм

При виборі перерізу елементів ферм слід віддавати перевагу

профілям з великим радіусом інерції при найменшій площі

поперечного перерізу. Це пояснюється тим, що при роботі на стиск

необхідно звести до мінімуму втрати матеріалу, пов’язані

із забезпеченням стійкості стержня: чим більший радіус інерції, тим

менша гнучкість стержня, отже й більше значення коефіцієнта

поздовжнього згину