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

Подождите немного. Документ загружается.

Найбільше розповсюдження в кроквяних фермах одержали

таврові перерізи, скомпоновані з двох прокатних кутиків.

Ці перерізи зручні в конструктивному відношенні, забезпечують

просте сполучення з фасонками у вузлах. Комбінуючи типи та

розміри кутиків, можна конструювати перерізи з різними радіусами

інерції, що дозволяє при різних розрахункових довжинах стержня

(в площині −

l та поза площиною ферми −

) підбирати

рівностійкий (

≈

) стержень.

Для поясів ферм найбільш раціональними є перерізи,

сформовані з двох нерівнобоких кутиків. Якщо розрахункова

довжина пояса в площині та поза площиною ферми однакова

(

l =

), то з умови рівностійкості необхідно забезпечити рівність

радіусів інерції перерізу

i та

. У цьому випадку застосовують

нерівнобокі кутики, розміщені більшими полицями разом

(рис. 1.6, а), для яких

i = 0,32

та

= 0,2

. Якщо розрахункова

довжина

вдвічі більша ніж

l , то нерівнобокі кутики слід

розміщати малими полицями разом (рис. 1.6, б). Для цього перерізу

≈

, де hi

28.0

та

24.0

Тавровий переріз з двох рівнобоких кутиків (рис. 1.6, в)

характеризується співвідношенням радіусів інерції

8.0/

≈

Таке ж співвідношення розрахункових довжин відповідає

стиснутим елементам решітки, при цьому

i = 0,3

та

= 0,22

Проте в практиці такий тип перерізу широко застосовується й для

поясів у зв’язку з обмеженістю випуску нерівнобічних кутиків.

Для стояків, особливо в монтажних вузлах та в площині

розміщення вертикальних в’язей, використовують хрестовий

переріз з двох рівнобічних кутиків (рис. 1.6, г), для яких радіуси

інерції в обох напрямках однакові (

i = 0,2

= 0,2

Рис. 1.6. Типи перерізів елементів ферм:

а – з нерівнобоких кутиків великими полицями разом;

б – те ж малими полицями разом; в – з рівнобоких кутиків;

г – хрестових кутиків; д – з тавра; є – з двотавра; ж – з труби;

і – з гнутозварного квадратного профілю; к – з гнутозварного

прямокутного профілю

Враховуючи можливості металургійної промисловості,

перерізи з двох рівнобічних кутиків в даний час є основними для

кроквяних ферм, включаючи типові конструкції. Використання для

елементів ферм широкополичкових таврів та двотаврів, круглих

труб та замкнених гнутозварних профілів дозволяє підвищити

ефективність конструкції завдяки більш раціональному розподілу

матеріалу по перерізу, застосуванню безфасонкових вузлів, що

забезпечує безпосереднє сполучення розкосів з поясами,

підвищенню корозійної витривалості стержнів з меншою

поверхнею зіткнення з навколишнім середовищем при одночасному

зниженні маси ферм. Так, при використанні в традиційних схемах

широкополичкових таврів (рис. 1.6, д) зі збереженням решітки

зі спарених кутиків маса ферми знижується на 10-12 % внаслідок

скорочення витрат сталі на вузлові фасонки. У тавровому перерізі

зберігається наближено співвідношення радіусів інерції (

i =0,3

та

=0,2

), відповідно до перерізу, що скомпонований з двох

рівнобічних кутиків.

Прокатні широкополичкові двотаври (рис. 1.6, є) застосо-

вують у поясах, що працюють на місцевий згин (навантаження

прикладене поза вузлами). У цьому випадку необхідно розвивати

переріз в площині ферми для одержання більшого значення

моменту опору. При цьому

i = 0,43

та

= 0,24

. З урахуванням

зручності сполучення елементів решітки з горизонтальними

поверхнями поясів, розкоси та стояки проектують із замкнених

гнутозварних профілів (рис. 1.6, і, к). Проте, у зв’язку з техно-

логічними складнощами їх виготовлення (потрібне точне різання

торців гнутозварних профілів відповідно до куту нахилу розкосів

і високоякісне зварювання різних за товщинами елементів) такі

ферми не знайшли широкого застосування. Можна вико-

ристовувати решітку з гарячекатаних кутиків зі з’єднанням їх з

поясами на фасонках. Проте, в цьому випадку зростає

трудомісткість виготовлення ферм і матеріалоємність, тому такий

варіант можливий лише при відповідному обґрунтуванні [2].

У фермах зі зварних труб (рис. 1.6, ж) забезпечується

рівностійкість стержнів за рахунок рівності радіусів інерції

i =

= 0,35

. Форма перерізу виключає утворення осередків

корозії, суттєво скорочує сумарну поверхню ґрунтування та

фарбування. Труби є майже ідеальною формою для стиснутих

елементів, бо при мінімальній площі перерізів забезпечують високі

значення радіусів інерції завдяки віднесенню матеріалу на певну

відстань від центра ваги. Внаслідок цього, а також враховуючи

відсутність вузлових фасонок маса трубчастих ферм на 15-20 %

менша ніж ферм зі спарених кутиків. Незважаючи на більш високу

вартість трубчастих профілів, такі ферми раціональні.

Аналогічними особливостями відрізняються й ферми,

спроектовані зі замкнених гнутозварних прямокутних (для поясів)

та квадратних (для решітки) профілів. Загальним недоліком труб

та замкнених профілів є необхідність герметизації внутрішніх

порожнин для запобігання утворенню осередків корозії.

При розробці індивідуальних геометричних схем ферм,

що відрізняються генеральними розмірами (інші прольоти або

висоти), доцільно орієнтуватись на типові рішення, враховуючи той

факт, що саме для них пристосоване технологічне обладнання

заводів металевих конструкцій і нароблений багатий практичний

досвід складання ферм з відправних марок за типовими

монтажними вузлами.

Вказані типи перерізів використані в типових рішеннях ферм,

розроблених відповідно до габаритних схем одноповерхових

виробничих будівель (ГОСТ 23837-79). На рис. 1.7 наведені схеми

типових кроквяних ферм з членуванням їх на відправні марки.

Типові ферми зі спарених кутиків, а також з поясами з таврів та

решіткою з двох кутиків мають трикутну решітку з додатковими

стояками (рис.1.7, а). Аналогічні схеми використовують для ферм

з поясами з широкополичкових двотаврів та круглих труб з деякими

відступами, пов’язаними з особливостями сполучення елементів

у вузлах.

Ферми з поясами з широкополичкових таврів та перехресною

решіткою з поодиноких кутиків (рис. 1.7, б) відрізняються

простотою рішення вузлових сполучень, де елементи решітки

безпосередньо з’єднуються з поясами електродуговим зварюванням

з примусовим наскрізним проплавленням. При порівняно невели-

кому зниженні маси конструкції (до 10 %) суттєво скорочується

трудомісткість її виготовлення (на 25-30 %) за рахунок зменшення

кількості деталей та довжин зварних швів. Їх рекомендують для

застосування в будівлях з агресивним середовищем, тому що

елементи таких ферм легко доступні для нанесення

антикорозійного захисту [2].

Рис. 1.7. Схеми типових ферм з паралельними поясами:

а – зі спарених кутиків та таврів;

б – з поясами з таврів і з решіткою з поодиноких кутиків;

в – із замкнених гнутозварних профілів

Застосування легких зварних ферм з елементами із замкнених

гнутозварних профілів (рис. 1.7, в), що проектуються з трикутною

решіткою та низхідним опорним розкосом, дозволяє відмовитись

від прогонного рішення покрівлі. Профільований сталевий настил

безпосередньо обпирається на верхні пояси ферм, які розташовані

з кроком 4 м, що відповідає несучій здатності настилу. Таке

рішення забезпечує зниження витрат матеріалів на 1 м

покриття

приблизно на 15-20 %.

2794206

36000

30000

24000

3150

3150 3150

2794206

24000

2550

3150

18000

30000

100 2900

2000

24000

2000 2000

18000

36000

206 2794

3150

30000

3150

1.6. Робота і розрахунок ферм

Статичний розрахунок ферм у більшості випадків проводять

припускаючи наявність шарнірів у вузлах. При цьому ферму

розглядають як статично визначувану систему, в елементах якої

виникають тільки поздовжні зусилля. Таке припущення

справедливе для ферм з кутиків і таврів, а також з труб, двотаврів

та замкнених профілів при співвідношенні висоти (діаметра) пояса

до довжини панелі менше 1/10 для конструкцій, що експлуатуються

в кліматичних районах з температурою зовнішнього повітря

вище ніж – 40°С, та 1/15 – при температурі нижче вказаної межі.

При більших співвідношеннях розрахункові зусилля визначають

з урахуванням жорсткості вузлів як у статично невизначуваній

системі, тобто з урахуванням виникаючих у вузлах згинальних

моментів.

Можливість введення шарнірів у вузлах ґрунтується на

особливостях роботи ферми під зовнішніми навантаженнями.

До напружень 100-150 МПа елементи працюють пружньо, а при

подальшому зростанні напружень спостерігається розвиток

пластичних деформацій, в основному, у вузлах за рахунок

наявності в них концентрації напружень. Пластичні деформації

знижують ефект защемлення у вузлах, отже й додаткові

напруження, викликані жорсткістю примикаючих до вузла

стержнів. У результаті в граничному стані вузол може бути умовно

ототожнений з шарнірним, що хоча й призводить до певної

неточності при пошуку зусиль (фактичні осьові зусилля в стержнях

при пружній роботі в середньому на 10 % менші ніж теоретичні),

але такий підхід суттєво спрощує статичний розрахунок.

Основною причиною руйнування ферм є втрата стійкості

стиснутими елементами. Досвід показує [1], що втрата стійкості

суттєво залежить від геометричних і фізичних недосконалостей

стержнів: неточне центрування елементів, наявність вигинів та

інших дефектів, пов’язаних з виготовленням, неакуратним

транспортуванням, недоліками при монтажі та експлуатації

конструкції. Частіше ці недосконалості виявляються в більш

гнучких стержнях (в елементах решітки), для яких вплив

початкових ексцентриситетів і можливих кривин згідно з вимогами

[3] враховують введенням коефіцієнта умов роботи 8.0

(для стиснутих елементів решітки, крім опорних, при гнучкості

≥

Якщо стійкість стержнів ферми забезпечена, то руйнування

ферми відбувається в результаті появи тріщин у зварних швах, які

прикріплюють елементи решітки до вузлових фасонок. Такий

характер руйнування особливо ймовірний при повторних чи

вібраційних навантаженнях. При повторних навантаженнях ферми,

в елементах яких виникли пластичні деформації, працюють

пружньо до напружень, що були досягнуті на попередніх

навантаженнях. Підвищення області пружньої роботи (явище

наклепу) знижує пластичність та в місцях наявності концентрації

напружень, якими є зварні шви, сприяє крихкому руйнуванню.

Аналогічно діють концентратори й при вібраційних впливах,

внаслідок чого вібраційна міцність знижується до 80-100 МПа та

може бути вичерпана за невелике число циклів.

Знизити вплив концентрації напружень можна застосуванням

пологих швів, відмовою від флангових швів, плавним примиканням

стержнів до фасонок, проте ці заходи ускладнюють виготовлення

ферм.

Крихке руйнування можливе й при експлуатації ферм при

температурах нижче ніж – 40°С. У цьому випадку також необхідно

зменшувати вплив концентраторів напружень та виконувати

розрахунок з урахуванням наявності додаткових напружень від

жорсткості вузлів, тобто не використовуючи спрощену (шарнірну)

розрахункову схему.

Ферми розраховують на дію постійних (власна вага

конструкцій покриття та покрівлі з утеплювачем) та тимчасових

(від підвісного підйомно-транспортного обладнання, снігу та вітру)

навантажень. Як правило, ці навантаження діють на ферми у

вигляді зосереджених сил, прикладених у вузлах. Значення цих сил

визначається окремо для кожного типу навантаження для того, щоб

при встановленні розрахункових зусиль можна було знаходити

невигідні їх комбінації.

Зосереджені сили прикладаються до ферми в тих вузлах,

в яких обпираються несучі елементи покрівлі (прогони чи ребра

залізобетонних плит покриття) або елементи кріплення підвісної

стелі. Розрахункове вузлове навантаження визначається за

формулою:

2cos













+= ,

де

g та

g − розрахункове поверхневе навантаження відповідно

від власної ваги конструкцій покриття (ферм, в’язей, ліхтарів) та

покрівлі; α − кут нахилу верхнього пояса до горизонту; В – крок

ферм;

d та

d − довжина примикаючих до вузла панелей.

Аналогічно визначається вузлове навантаження від снігу та

від вітру (при куті нахилу покрівлі більше ніж 30°).

Статичний розрахунок ферм виконується відомими методами

будівельної механіки (графічними, аналітичними, чисельними).

Урахування жорсткості вузлів допускається вести наближеними

методами [3].

При позавузловому прикладанні навантаження та при

наявності розцентрування вузлів виникають додаткові згинальні

моменти в стержнях. У першому випадку розрахунок ферм

проводять на дію зосереджених сил, що дорівнюють реакціям

балок, прольотом яких є панель ферми, а згинальні моменти від

позавузлових навантажень визначають наближено: прольотний

момент у крайній панелі дорівнює 0,8 М

, у проміжних панелях −

0,67 М

, у вузлах − 0,45 М

, де М

– згинальний момент

в однопрольотній балці, прольот якої дорівнює довжині панелі

пояса ферми. Усі наведені коефіцієнти зниження балочного

моменту М

враховують наявність нерозрізності поясів ферми.

У деяких випадках (частіше за конструктивними міркуван-

нями) у фермах з поясами з широкополичкових двотаврів та

круглих труб допускають розцентрування осей у вузлах (рис. 1.8).

У результаті у вузлі виникає момент

∆

де

NNN

−

∆

− різниця зусиль у суміжних панелях поясів;

е – ексцентриситет. Момент в і-му стержні, що примикає до вузла,

дорівнює:

∑

M ,

де

n = − лінійна жорсткість і-го стержня;

∑

n − сума лінійних

жорсткостей усіх стержнів вузла.

Якщо значення

n в елементах пояса значно перебільшують

такі ж показники в елементах решітки, то умовно вважають, що

вузловий момент слід розподілити тільки між елементами пояса.

Тоді

;MM

−

= ,

де М

та М

l та

l , е

та е

− відповідно згинальні моменти,

довжини поясів та зміщення рівнодіючого зусилля по осі пояса

(рис. 1.8) кожного з двох примикаючих до вузла елементів пояса.

Ексцентриситети е допускається не враховувати при ,

≤

де

− висота перерізу пояса.

Рис. 1.8. Розподіл згинаючих моментів у вузлі

з розцентруванням осей елементів решітки

Окрім розрахунку ферм на експлуатаційні навантаження

необхідно додатково перевірити їх у монтажному стані при

частковому навантаженні верхнього пояса елементами покрівлі.

Незважаючи на те, що в цьому випадку розрахункові зусилля менші

ніж виникаючі в процесі експлуатації, під час монтажу можлива

втрата стійкості стиснутого пояса поза площиною ферми внаслідок

відсутності необхідного розкріплення його в цьому напрямку.

Для додержування потрібної гнучкості (не більш ніж 220)

встановлюють тимчасові (на період монтажу) розпірки між

фермами. При перевірці монтажне навантаження складається

з власної ваги ферм та плит покриття і розміщується тільки на

половині прольоту.

Відносні прогини ферм від нормативного навантаження не

мають перевищувати граничних, які дорівнюють

300

для ферм, які

несуть підвісне підйомно-транспортне обладнання, та

250

− для

інших ферм. При наявності будівельного підйому максимальний

вертикальний прогин визначають як різницю повного прогину та

значення будівельного підйому.

1.7. Розрахункові довжини та граничні гнучкості

елементів ферм

Розрахункові довжини елементів наскрізних кроквяних ферм

призначають з урахуванням впливу примикаючих до вузлів ферм

стержнів, що перешкоджають поздовжньому згину елемента, який

втрачає стійкість. При цьому розрахункові довжини, отже й

гнучкості стержнів, визначають для двох напрямків, за якими

можлива втрата стійкості: у площині (

xef

та

) та поза

площиною (

yef

та

) ферми.

Втрата стійкості стиснутого стержня в площині ферми

супроводжується його випинанням та поворотом навколо центрів