Пути усовершенствования балочных конструкций

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Усовершенствование возможно через новые конструктивные формы:

· балки с перфорированной стенкой

· бистальные балки

· предварительно напряженные балки

· балки с гибкой стенкой

· балки с гофрированной стенкой

1. Балки с перфорированной стенкой

Образуются путем разрезки стенки прокатного двутавра по зигзагообразной линии с последующей раздвижкой и сваркой встык частей двутавров по выступам стенки.

Несущая способность сквозных двутавров в 1,3-1,5 раза выше чем у исходного двутавра,что определяется их большей высотой

Если на балку опираются сосредоточенные грузы, они должны располагаться над сплошными участками.

Более экономичны сквозные двутавры для однопролетных балок, если:

- верхнюю часть изготавливают из малоуглеродистой стали, нижнюю- из высокопрочной

- верхнюю часть из двутавра с более толстой стенкой нижнюю – с более тонкой.

2.Бистальные балки.

Если балки полностью изготовлены из высокопрочной стали, полностью все преимущества такой стали не используются, т. к. в стенке балки и в сечениях вблизи опор напряжения значительно меньше расчетных сопротивлений, а также местная устойчивость элементов из высокопрочной стали менее благоприятна, чем у таких же элементов из малоуглеродистой. Поэтому часто целесообразно применять бистальные балки, в которых сталь повышенной прочности применяется только в наиболее напряженных участках поясов, а вся стенка и пояса вблизи опор- из малоуглеродистой.

3.Предварительно напряженные балки

Предварительное напряжение осуществляется следующими способами:

- с помощью высокопрочной затяжки, помещаемой вблизи растянутого пояса, причем:

1)в разрезных балках- в средней части нижнего пояса

2)в неразрезных – в пролетной части у нижнего пояса и на участках у промежуточных опор в верхнем поясе.

При этом применяются балки с уменьшенным сечением нижнего пояса.

В таких балках сначала исчерпываются предварительные напряжения, обратные по знаку напряжениям от внешней нагрузки. Это увеличивает протяженность упругой работы основного материала конструкции.

Значительное суммарное растягивающее усилие в затяжке от ее предварительного напряжения и от действия внешней нагрузки делают рациональным изготовление ее из высокопрочных материалов (стальных канатов, пучков проволоки и т. д.)

4.Балки с гибкой стенкой

Если в балке двутаврового сечения, работающую на изгиб, уменьшать толщину стенки, то часть момента, воспринимаемая поясами, увеличивается. Суммарная площадь сечения поясов и стенки при этом уменьшается.

Ребра жесткости устанавливаются через (1-1,5)h. Стенка, потеряв устойчивость, образует складки между ребрами, направленные вдоль главных растягивающих напряжений («закритичекая» работа стенки) и балка продолжает нести нагрузку. Балка при этом как бы превращается в раскосную систему, в которой роль растянутых раскосов выполняют растянутые участки стенки, а роль сжатых стоек- ребра жесткости.

Применяются при статической нагрузке до 50кН/м из стали с

5.Балки с гофрированной стенкой.

Балки с гофрированной стенкой -разновидность балок с гибкой стенкой.

Стенка толщиной 2-8мм гофрируется на специальном стане, к ней специальным автоматом привариваются пояса.

Изгибающий момент воспринимаются почти исключительной поясами. Местная устойчивость гофрированной стенки, которая работает как оболочка со значительно большей жесткостью на изгиб, обеспечивается лучше и не требует ребер жесткоти.

Применяются при пролетах до 30 м.

Фермы

Фермой называется геометрически неизменяемая решетчатая конструкция, работающая на изгиб, элементы которой шарнирно соединены в узлах и работают на осевое растяжение или сжатие при узловом нагружении.

Допущение об идеальной шарнирности узлов противоречит действительной конструкции фермы, но довольно точно отражают фактическую работу ее элементов.

Расчет фермы по шарнирной схеме допускается, когда отношение высоты сечения к длине элемента не превышает 1/10 в конструкциях, эксплуатируемых при t ≥ -40°С, и 1/15 при t < -40°C.

Фермы по сравнению с балками более экономичны по затрате металла.

Фермы состоят из верхнего и нижнего поясов, соединенных между собой решеткой из раскосов и стоек. Расстояние между узлами решетки фермы называется панелью; расстояние между ее опорами – пролетом. Фасонка – деталь фермы, выполненная из листа для соединения стержней фермы в узле.

Разнообразие областей применения и конструктивных решений ферм позволяет классифицировать их по различным признакам:

по назначению – фермы пролетных строений мостов, покрытий (стропильные и подстропильные), транспортных эстакад, радио- и телебашень, опор линий электропередач, грузоподъемных кранов, гидротехнических затворов и других сооружений.

по очертанию поясов:

Очертание поясов зависит главным образом от назначения фермы и принятой конструктивной схемы сооружения.

- с параллель-ными поясами

трапециидальная

- арочные

-треугольные

по системе решетки:

- с треугольной решеткой

- с треугольной решеткой и дополнительными стойками

- с раскосной решеткой

Решетки специальных типов:

- со шпренгельной решеткой

- крестовая

- ромбическая

- полураскосная.

Система решетки зависит от схемы приложения нагрузки и специальных требований к ферме. Наиболее проста треугольная решетка. Дополнительные стойки ставят в тех случаях, когда в месте их расположения прикладываются сосредоточенные силы или когда хотят уменьшить длину панели верхнего сжатого пояса.

Особенностью раскосной решетки является то, что все раскосы имеют усилия одного знака, а стойки – противоположного; при восходящем направлении раскосов стойки растянуты, а при нисходящем – сжаты.

Шпренгельная решетка применяется при более частом приложении сосредоточенных сил к верхнему поясу.

Фермы с крестовой решеткой применяются обычно при двусторонней нагрузке. Крестовые раскосы проектируют их гибких элементов или тяжей; они воспринимают только растягивающие усилия, а при сжатии выключаются из работы. Благодаря этому фермы с крестовой решеткой рассчитываются как статически определимые системы.

Ромбическая и полураскосная решетка обладают повышенной жесткостью и применяются в конструкциях с большими поперечными силами

- по виду статической схемы – фермы разрезные, неразрезные, консольные.

- по значению наибольших усилий в элементах фермы

легкие – пролетом l до 50 м и с усилием в поясах N_max ≤ 5000 кн,

тяжелые – с усилием в поясах N_max> 5000 кн,

по конструктивному решению – обычные, комбинированные и с предварительным напряжением.

Компоновка ферм

В задачу компоновки фермы входят определение ее рациональной схемы с учетом ряда требований: экономичности по затрате металла, простоты изготовления, транспортабельности, требований унификации и типизации. Эти требования часто противоречат между собой, поэтому нужно найти оптимальное решение, наилучшим образом удовлетворяющее одновременно комплексу требований.

Масса фермы зависит от отношения ее высоты к пролету. Усилия в поясах фермы возникают главным образом от изгибающего момента, а в решетке – от поперечной силы.

Чем больше высота фермы, тем меньше усилия в поясах и их масса, но с увеличением высоты фермы увеличивается длина элементов решетки и ее масса. Условно минимального расхода металла отвечает равенство массы поясов и массы решетки вместе с фасонками, что достигается при h≈1/5 L (в балке масса поясов приблизительно равна массе стенки).

Столь большая высота неудобна при транспортировке. Ферму пришлось бы доставлять на строительную площадку отдельными элементами (россыпью) и собирать на месте монтажа.

Дополнительные затраты времени и средств при этом не окупаются экономией металла.

На практике стремятся к тому, чтобы при монтаже производилась только укрупнительная сборка фермы их двух половин (отправочных марок). Поэтому размеры фермы не должны выходить за пределы железнодорожного габарита (по вертикали 3,8 м, по горизонтали -3,2 м). Наиболее удобными в изготовлении являются фермы с параллельными поясами. Одинаковые длины стержней поясов и решетки, одинаковое решение промежуточных узлов и минимальное количество поясных стыков создают условия для максимально возможной унификации конструктивных схем и делают такие фермы индустриальными. Благодаря преимуществам в изготовлении фермы с параллельными поясами постепенно вытесняют фермы трапецеидального очертания.

При компоновке фермы одновременно с выбором системы решетки устанавливают размеры панелей фермы, размеры которых должны отвечать оптимальному углу наклона раскосов. Из конструктивных соображений – рационального очертания фасонки в узле и удобства крепления раскосов – желателен угол, близкий к 45°.

Посредством унификации геометрических схем ферм и типизации конструктивной формы можно стандартизировать конструктивные детали ферм и перейти на массовое их изготовление с помощью специализированных станков и приспособлений.

В настоящее время унифицированы геометрические схемы стропильных ферм производственных зданий (18, 24, 30, 36 м), мостов, радиомачт, радиобашен, опор ЛЭП.

В основу унификации стропильных ферм с рулонной кровлей положены модуль пролета производственных зданий и панель m=3 м, уклон кровли i=1,5 %, высота ферм на опоре 3150 мм по наружным краям поясов, треугольная решетка с возможностью добавления шпренгеля при кровельных плитах шириной 1,5 м.

В фермах больших пролетов (более 36 м), а также в фермах из алюминиевых сплавов или из высокопрочных сталей возникают большие прогибы.

Провисание ферм предотвращается устройством строительного подъема, т.е. изготовлением ферм с обратным выгибом, который под действием нагрузки погашается, в результате чего ферма принимает проектное положение.

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 (см. рис. 9.7, 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 (см. рис. 9.6, 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 шпрен- ге л ьную решетку (см. рис. 9.7, 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. 9.6, е. Эта система применяется при крутых кровлях (ɑ = 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 (см.рис. 9.7, е). К таким фермам относятся горизонтальные связе- вые 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 (см. гл. 3) разработаны стропильные фермы с поясами из тавров и перекрестной решеткой из одиночных уголков (см. рис. 9.7, ж). Такие фермы экономичнее по расходу металла и стоимости по сравнению с типовыми фермами со стержнями из парных уголков.

Ромбическая и полураскосная решетки (см. рис. 9.7, 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.

9.2.4. 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.9.9, а). Для обеспечения устойчивости такого бруса (блока) необходимо, чтобы он был выполнен геометрически неизменяемым.

Грани блока (рис. 9.9, а) образуются двумя вертикальными плоскостями спаренных ферм (abb'а' и dcd'c'), двумя перпендикулярными им горизонтальными плоскостями связей, расположенными по обоим поясам ферм (cbb'c' и ada'd') и не менее чем двумя вертикальными

Рис. 9.9. Завязка ферм в пространственные системы:

а — стропильные фермы; б — башни; 1 — диафрагма

Рис. 9.10. 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

плоскостями поперечных связей (обычно в торцах ферм — abсd и ada'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. 9.9, 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. 9.10, а).

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. 9.10, 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 (см. рис. 9.10, 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.

9.3. Типы сечений стержней ферм

9.3.1. Стержни легких ферм. Наиболее распространенные типы сечений элементов легких ферм показаны на рис. 9.11.

По расходу стали для сжатых стержней ферм наиболее эффективным является тонкостенное трубчатое сечение (рис. 9.11, 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 ( ), 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. 9.11, 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. 9.11, в—д). Такие сечения имеют большой диапазон площадей, удобны для конструирования узлов на фасонках и прикрепления примы-

Рис. 9.11. Типы сечений стержней легких ферм:

а и б— трубчатые; в, г, д, е, ж, к и л — с использованием прокатных уголков;

з — двутавровое; и - тавровое

кающих 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. 9.11, 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. 9.11, з), а также возможность получения тавров путем разрезки двутавров (рис. 9.11, 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 (см. рис. 9.11, 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 (см. подразд. 9.4.3) 1_х = 1_у (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 i_x = i_y и, следовательно, λ_х = l_x/i_x = λ_У= l_yi_y.

В фермах из парных уголков близкие радиусы инерции (i_x -i_y) имеют неравнополочные уголки, поставленные большими полками вместе (см. рис. 9.11, 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 (см. рис. 9.11, д), так как в этом случае i_y = 2i_x. Для промежуточных раскосов, для которых l_Х = 0,8ly, 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.

9.3.2. 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. 9.12), 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. 9.12, б), и клепаные из четырех неравнополочных уголков, также связанных горизонтальным листом (рис. 9.12, в). Развитие таких се-

Рис. 9.12. 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

чений в смежных панелях производится путем прикрепления дополнительных вертикальных листов (рис. 9.12, г). Эти сечения удобно прикреплять к фасонкам, так как они имеют гладкую наружную поверхность и симметричны. В простейшей своей 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.

Швеллерное сечение состоит из двух швеллеров, поставленных полками внутрь (рис. 9.12, 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. 9.12, е, ж). Оно применяется главным образом для верхних поясов тяжелых мостовых ферм. Жесткость сечения значительно повышается, если снизу вертикальные ветви соединить решеткой (см. рис. 9.12, ж) или перфорированным листом.

Одностенчатое двутавровое сечение состоит из сварного или широкополочного прокатного двутавра, поставленного вертикально (рис. 9.12, 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. 9.12, 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.

9.4. Расчет ферм

9.4.1 Определение расчетной нагрузки. Вся нагрузка, действующая на ферму, обычно прикладывается к узлам фермы, к которым прикрепляются элементы поперечной конструкции ( например, прогоны кровли или подвесного потолка), передающие нагрузку на ферму. Если нагрузка приложена непосредственно в панели, то в основной расчетной схеме она также распределяется между ближайшими узлами, но дополнительно учитывается местный изгиб пояса от расположенной на нем нагрузки. Пояс фермы при этом рассматривается как неразрезная балка с опорами в узлах.

Рекомендуется определять усилия в стержнях ферм отдельно для каждого вида нагрузки. Так, в стропильных фермах усилия следует определять для следующих нагрузок:

постоянной, в которую входит собственная масса фермы и всей поддерживаемой конструкции (кровли с утеплением, фонарей и т.п.);

временной — нагрузки от подвесного подъемно-транспортного оборудования, полезной нагрузки, действующей на подвешенное к ферме чердачное перекрытие, и т.п.;

кратковременной (например, атмосферной) — снег, ветер.

Расчетная постоянная нагрузка, действующая на любой узел стропильной фермы, зависит от грузовой площади, с которой она собирается (заштрихована на рис. 9.13), и определяется по формуле

(9.4)

где g_ф — собственная масса фермы и связей, кН/м², горизонтальной проекции кровли; g_кр ^— масса кровли, кН/м²; ɑ — угол наклона верхнего пояса к горизонту; b — расстояние между фермами; d_i_-1 и d_i — примыкающие к узлу панели; γ_g — коэффициент надежности для постоянных нагрузок.

В отдельных узлах к нагрузке, получаемой по формуле (9.4), прибавляется нагрузка от массы фонаря.

Рис. 9.13. Расчетная схема фермы

Снег — нагрузка временная, она может загружать ферму лишь частично. Загружение снегом одной половины фермы может оказаться невыгодным для средних раскосов.

Расчетную узловую нагрузку от снега

где S_g — масса снегового покрова на 1 м² горизонтальной проекции кровли.

Значение S_g должно определяться с учетом возможного неравномерного распределения снегового покрова около фонарей или перепадов высот.

9.4.2 Определение усилий в стержнях ферм. При расчете ферм со стержнями из уголков или тавров предполагается, что в узлах системы — идеальные шарниры, оси всех стержней прямолинейны, расположены в одной плоскости и пересекаются в центрах узлов (см. рис. 9.13). Стержни такой идеальной системы работают только на осевые усилия: напряжения найденные по этим усилиям, являются основными. В связи с фактической жесткостью узловых соединений в стержнях фермы возникают дополнительные напряжения, которые при отношении высоты сечения стержня к его длине h/l ≤ 1/15 расчетом не учитываются, так как они мало влияют на несущую способность конструкции.

9.4.3 Определение расчетной длины стержней. В момент потери устойчивости сжатый стержень выпучивается, поворачивается вокруг центров соответствующих узлов и вследствие жесткости фасонок заставляет поворачиваться и изгибаться в плоскости фермы остальные стержни, примыкающие к этим узлам (рис. 9.14).

Примыкающие стержни сопротивляются изгибу и повороту узла и этим препятствуют свободному изгибу стержня, теряющего устойчивость. Наибольшее сопротивление повороту узла оказывают растянутые стержни, поскольку их деформация от изгиба ведет к сокращению расстояния между узлами, между тем как от основного усилия это расстояние должно увеличиваться. Сжатые же стержни слабо сопротивляются изгибу, так как деформации от поворота и осевого усилия направлены у них в одну сторону, кроме того, они могут терять устойчивость одновременно.

Таким образом, чем больше растянутых стержней примыкает к сжатому стержню, и чем они мощнее, т.е. чем больше их погонная жесткость, тем выше степень защемления стержня и меньше его расчетная длина; влиянием сжатых стержней на защемление можно пренебречь.

где µ — коэффициент приведения длины, зависящий от степени защемления; I — расстояние между центрами узлов.

Рис. 9.14. Схема деформаций стержней при потере устойчивости сжатого стержня

Таким образом, расчетная длина I_Х = 0,8l в плоскости фермы определяется с некоторым запасом, в особенности для средних раскосов, жесткость которых по сравнению с примыкающими стержнями невелика.

Исключение составляет опорный восходящий раскос, условия работы которого в плоскости фермы такие же, как и у верхнего пояса вследствие чего расчетная длина опорного раскоса в плоскости фермы принимается равной расстоянию между.

Расчетная длина пояса в плоскости, перпендикулярной плоскости фермы, принимается равной расстоянию между узлами, закрепленными связями от смещения из плоскости фермы.

В беспрогонных покрытиях верхний пояс стропильных ферм закреплен в плоскости кровли жесткими плитами или панелями настила, прикрепленными к поясам ферм в каждом узле. В этом случае за расчетную длину пояса из плоскости фермы можно принимать ширину одной плиты.

Расчетная длина стержней решетки при выгибе их из плоскости фермы принимается равной расстоянию между геометрическими центрами узлов, так как фасонки весьма гибки из плоскости фермы и должны рассматриваться как листовые шарниры.

В трубчатых фермах с бесфасоночными узлами расчетная длина раскоса как в плоскости, так и из плоскости фермы с учетом повышенной крутильной жесткости замкнутых сечений может приниматься равной 0,9l.

В других случаях расчетные длины элементов ферм принимаются по нормам.

9.4.4 Предельные гибкости стержней. Элементы конструкций, как правило, должны проектироваться из жестких стержней. Особенно существенное значение гибкость X имеет для сжатых стержней, теряющих устойчивость при продольном изгибе.

Даже при незначительных сжимающих усилиях гибкость сжатых стержней не должна быть слишком большой. Очень гибкие стержни легко искривляются от случайных воздействий, провисают от собственной массы, в них появляются нежелательные эксцентриситеты, они вибрируют при динамических нагрузках. Поэтому для сжатых стержней устанавливается предельная наибольшая гибкость, которая является такой же нормативной величиной, как и расчетное сопротивление.

Значение предельной гибкости [λ], установленное в нормах, зависит от назначения стержня и степени его загруженности α = N/((φAR_yγ_c), где N— расчетное усилие; φAR_yγ_c — несущая способность стержня:

[λ]

Сжатые пояса, а также опорные стойки и раскосы, передающие

Опорные реакции................................................................................................. 180 — 60 α

Прочие сжатые стержни ферм............................................................................... 210—60 α

Сжатые стержни связей................................................................................................. 200

При этом α принимается не менее 0,5.

Растянутые стержни конструкции также не должны быть слишком гибкими, так как они могут погнуться при транспортировании и монтаже.

Особенно важно, чтобы стержни имели достаточную жесткость в конструкциях, подверженных динамическим воздействиям (для предотвращения вибрации стержней).

Для растянутых стержней ферм, подвергающихся непосредственному действию динамической нагрузки, установлены следующие значения предельной гибкости:

[λ]

Растянутые пояса и опорные раскосы........................................................................... 250

Прочие растянутые стержни ферм................................................................................ 350

Растянутые стержни связей............................................................................................ 400

В конструкциях, не подвергающихся динамическим воздействиям, гибкость растянутых стержней ограничивают только в вертикальной плоскости (чтобы предотвратить чрезмерное их провисание), установив для всех растянутых стержней предельную гибкость [λ]= 400.

9.5. Подбор сечений элементов ферм

В фермах из прокатных и гнутых профилей для удобства комплектования металла принимается обычно не более 5 — 6 калибров профилей.

Из условия обеспечения качества сварки и повышения коррозионной стойкости толщину замкнутых профилей (труб, гнутозамкнутых сечений) не следует принимать менее 3 мм, а для уголков — менее 4 мм. Для предотвращения повреждения стержней при транспортировке и монтаже не рекомендуется также применять профили размером менее 50 мм.

Профильный прокат поставляется длиной до 12 м. Для снижения трудоемкости изготовления в фермах пролетом до 24 м (включительно) изготавливаемых из двух отправочных элементов пояса принимают постоянного сечения.

Для снижения расхода стали целесообразно, особенно при больших усилиях, наиболее нагруженные элементы ферм (пояса, опорные раскосы) проектировать из стали повышенной прочности, а прочие элементы — из обычной стали.

Выбор стали для ферм производится в соответствии с нормами. Стержни ферм работают в относительно благоприятных условиях (одноосное напряженное состояние, незначительная концентрация напряжений и т.д.), поэтому для них могут применяться стали полуспокойной выплавки. Фасонки ферм работают в сложных условиях (плоское поле растягивающих напряжений, наличие сварочных напряжений, концентрация напряжений вблизи швов), что повышает опасность хрупкого разрушения и требует применения более качественной спокойной стали.

Подбор сечений элементов ферм удобно оформлять в табличной форме (табл. 9.1).

9.5.1. Подбор сечений сжатых элементов. Предельное состояние сжатых элементов ферм определяется их устойчивостью, поэтому проверка несущей способности этих элементов выполняется по формуле (см. гл. 2)

где γ_с — коэффициент условий работы, принимаемый по прил. 14.

Формула (9.8) содержит два неизвестных: площадь сечения А и коэффициент φ, являющийся функцией гибкости λ = l_ef/i и типа сечения (см. прил. 8).

Для подбора сечения необходимо наметить тип сечения, задаться гибкостью стержня, определить по прил. 8 коэффициент φ и найти требуемую площадь сечения

(9.9)

При предварительном подборе можно принять для поясов легких ферм λ = 60... 80 и для решетки λ = 100... 120. Большие значения гибкости принимаются при меньших усилиях.

Таблица 9.1

Подбор сечения стержней легких ферм

Элемент	Расчетное усилие. кН	Сечение	Площадь сечения А см²	Расчетные длины l_х/ l_y , см	Радиусы инерции, iх / iy см	Гибкости λх / λy	Предель ная гибкость [λ]	φ	γс	Проверка несущей способности
Верхний пояс	-535	┐┌ 160x100x9	45,8	258/ 516	2,85/ 7,75	90,5/ 66,6	124	0,546	0,95	21,4 < R_yy_с = = 22,8 кН/см²
Раскос	+535	┘└ 90x7	24,5	—	—	—	400	—	0,95	21,7 < R_cy_c = = 22,8 кН/см²

Примечание. Для сжатого пояса [λ] = 180 - 60α = 180 - 60∙0,94 = 124; α = N/(φ>A∙R_y∙y_c) = 535/ /(0,546∙45,8∙22,8) = 0,94.

По требуемой площади подбирается по сортаменту подходящий профиль, определяются его фактические геометрические характеристики A, i_x, i_y, находятся λ_x=l_x/i_x; λ_y=l_y/i_y. По большей гибкости уточняется коэффициент φ и проводится проверка устойчивости по формуле (9.8). Если гибкость стержня предварительно была задана неправильно и проверка показала перенапряжение или значительное недонапряжение, то проводят корректировку сечения, принимая промежуточное между предварительно заданным и фактическим значениями гибкости. Обычно второе приближение достигает цели.

Местную устойчивость сжатых элементов, выполненных из прокатных сечений, можно считать обеспеченной, поскольку из условий прокатки толщина полок и стенок профилей больше, чем требуется из условий устойчивости.

Для составных сечений предельные гибкости полок и стенок определяются в соответствии с нормами (см. гл. 2).

Пример 9.1. Требуется подобрать сечение верхнего пояса фермы по расчетному усилию N = 535 кН.

Расчетные длины стержня l_x = 2,58 м; l_y = 5,16 м. Материал — сталь С245; R_y = 24 кН/см². Коэффициент условий работы γ_с = 0,95; толщина фасонки 12 мм. Поскольку l_y = 21_х, принимаем тавровое сечение из двух неравнополочных уголков, расположенных узкими полками вместе. Задаемся гибкостью в пределах, рекомендуемых для поясов: λ=80. Принимаемому сечению соответствует тип кривой устойчивости с и, следовательно,

при

Требуемая площадь сечения . Принимаем сечение из двух уголков 125x80x10, поставленных вместе меньшими полками; А = 19,7x2 = 39,4 см²; i_x = 2,26 см; i_y = 6,18 см (следует обратить внимание, что индексы расчетных осей и осей по сортаменту для неравнополочных уголков могут не совпадать);

Сечение подобрано неудачно и имеет большое перенапряжение. Принимаем гибкость

(между предварительно заданной и фактической)

Принимаем два уголка: 160х100x9; А=22,90х2=45,8 см²; i_x = 2,85 см (i_y не лимитирует сечение);

Оставляем принятое сечение из двух уголков размером 160х100х9.

9.5.2. Подбор сечения растянутых элементов. Предельное состояние растянутых элементов определяется либо их разрывом , где — временное сопротивление стали, либо развитием чрезмерных пластических деформаций , где — предел текучести.

Стали с нормативным пределом текучести R_yn<44 кН/см² имеют развитую площадку текучести (см. гл. 1), поэтому, как правило, несущая способность элементов из таких сталей проверяется исходя из условия развития пластических деформаций по формуле

(9.10)

где А_п — площадь сечения нетто.

Затем по сортаменту выбирается профиль, имеющий ближайшее большее значение площади (если сечение не ослабляется отверстиями). Проверка принятого сечения в этом случае является формальной.

Пример 9.2. Требуется подобрать сечение растянутого раскоса фермы по расчетному усилию N= 535 кН. Материал — сталь С245; R_y = 24 кН/см²; = 0,95.

Требуемая площадь сечения А_тр = 535/(24 • 0,95) = 23,5 см². Сечение не ослаблено отверстиями. Принимаем два равнополочных уголка 90х7; А = 12,3 • 2 = 24,6 см²>А_тр.

9.5.4. Подбор сечений стержней по предельной гибкости. Ряд стержней легких ферм имеет незначительные усилия. Сечения этих стержней подбирают по предельной гибкости (см. подразд. 9.4.4). К таким стержням обычно относятся дополнительные стойки в треугольной решетке, раскосы в средних панелях ферм треугольного очертания, элементы связей и т.п.

Зная расчетную длину стержня l_ef и значение предельной гибкости [ ], определяют требуемый радиус инерции . По нему в сортаменте выбирают сечение, а затем проверяют несущую способность подобранного сечения.

9.6. Конструкции легких ферм

9.6.1. Общие требования к конструированию. Чтобы избежать дополнительных напряжений от расцентровки осей стержней в узлах, необходимо стремиться центрировать стержни в узлах по осям, проходящим через их центры тяжести (с округлением до 5 мм).

Узловые моменты, являющиеся следствием расцентровки стержней в узлах, определяются как произведение нормальных усилий стержней и внешних узловых сил на их плечи до точки пересечений осей двух раскосов (рис. 9.17).

Момент М= (H₂ – H₁)e₂– Fe₁ распределяется между элементами фермы, сходящимися в узле, пропорционально их погонным жесткостям. Если жесткость элементов решетки по сравнению с поясом мала, то момент в основном воспринимается поясом фермы. При постоянном сечении пояса и одинаковых панелях момент в поясе М_п = М/2.

Резку стержней решетки производят, как правило, нормально к оси стержня; для крупных стержней допускают косую резку в целях уменьшения размеров фасонок. Чтобы уменьшить сварочные напряжения в фасонках, стержни решетки не доводятся до поясов на расстояние a=6t-20 мм, но не более 80 мм (здесь t — толщина фасонки в мм). Между торцами стыкуемых элементов поясов ферм, перекрываемых накладками, следует оставлять зазор не менее 50 мм.

Толщину фасонок выбирают в зависимости от действующих усилий (табл. 9.2) и принятой толщины сварных швов. При значительной разнице усилий в стержнях решетки можно принимать две толщины в пределах отправочного элемента. Допустимая разница толщин фасонок в смежных узлах равна 2 мм.

Размеры фасонок определяются необходимой длиной швов крепления элементов. Необходимо стремиться к простейшим очертаниям фасонок, чтобы упростить их изготовление и уменьшить количество обрезков. Целесообразно унифицировать размеры фасонок и иметь на ферму не более одного-двух типоразмеров. Стропильные фермы пролетом 18-36 м разбивают на два отправочных элемента с укрупнительными стыками в средних узлах. Стыки целесообразно для удобства укрупнительной сборки и изготовления проектировать так, чтобы правая и левая полуфермы были взаимозаменяемыми.

Рекомендуемые толщины фасонок

Максимальное усилие в стержнях решетки, кН	До 150	160—250	260—400	410—600	610—1000	1010—1400	1410—1800	Более 1800
Толщина фасонки, мм	6	8	10	12	14	16	18	20

Для повышения жесткости узла может быть поставлена дополнительная планка 7. Уголки следует прикреплять обваркой по контуру. Допускается приварка уголка одним фланговым швом (у обушка) и лобовыми швами, а также центровка осей стержней решетки на обушок пояса (рис. 9.18, а). Если для прикрепления стержней решетки непосредственно к полке поясов не хватает места, то к полке пояса приваривают планку (см. рис. 9.18, б), создающую в узле необходимое уширение. Швы, прикрепляющие уголок, рассчитывают в соответствии с указаниями подразд. 4.5.

9.6.2. Фермы из парных уголков. В фермах со стержнями из двух уголков, составленных тавром, узлы проектируют на фасонках, которые заводят между уголками. Стержни решетки прикрепляют к фасонке флаговыми швами (рис. 9.19). Усилие в элементе распределяется между швами по обушку и перу уголка обратно пропорционально их расстояниям до оси стержня. Разность площадей швов регулируется толщиной и длиной швов. Концы фланговых швов для снижения концентрации напряжений заводят на торцы стержня на 20 мм.

К поясу фасонки рекомендуется прикреплять сплошными швами минимальной толщины. Фасонки выпускают за обушки поясных уголков на 10 — 20 мм.

Швы, прикрепляющие фасонку к поясу, при отсутствии узловых нагрузок рассчитывают на разность усилий в смежных панелях пояса (рис. 9.19, в)\

(9.15)

В месте опирания на верхний пояс прогонов или кровельных плит (рис. 9.19, в, г) фасонки не доводят до обушков поясных уголков на 10—15 мм.

Чтобы прикрепить прогоны, к верхнему поясу фермы приваривают уголок с отверстиями для болтов (см. рис. 9.19, в). В местах опирания крупнопанельных плит верхний пояс стропильных ферм усиливают накладками t = 12 мм, если толщина поясных уголков менее 10 мм при шаге ферм 6 м и не менее 14 мм при шаге ферм 12 м.

Рис. 9.18. Узлы ферм из одиночных уголков:

а — бесфасоночный; б — с дополнительными фасонками

Рис. 9.19. Узлы ферм из парных уголков:

а — центрирование стержней; б — узел при раскосной решетке; в — прикрепление прогонов;

г — прикрепление крупнопанельных плит

Во избежание ослабления сечения верхнего пояса не следует приваривать накладки поперечными швами.

Если к узлу приложена сосредоточенная нагрузка (см. рис. 9.19, в), то швы, прикрепляющие фасонку к поясу, рассчитывают на совместное действие продольного усилия (от разницы усилий в поясах) и сосредоточенной нагрузки.

Условно усилие ^передается на участки швов 1_Х и /₂ (см. рис. 9.19, в). Напряжения в швах от этого усилия

от продольного усилия

где — суммарная длина швов крепления пояса к фасонке.

Прочность шва проверяется на совместное действие усилий по формуле

Аналогично проверяется прочность соединения по границе сплавления (см. гл. 4).

Рис. 9.20. Заводской стык пояса с изменением сечения

При расчете узлов обычно задаются значением k_f и определяют требуемую длину шва.

Фасонки ферм с треугольной решеткой следует конструировать прямоугольного очертания, а с раскосной решеткой — в виде прямоугольной трапеции. Такие фасонки вырезают из листа с минимальным количеством отходов и наименьшей длиной резов.

Для обеспечения плавной передачи усилия и снижения концентрации напряжений угол между краем фасонки и элементом решетки должен быть не менее 15° (рис. 9.19, б).

Стыки поясов необходимо перекрывать накладками, выполненными из уголков (при одинаковой толщине поясов) или листов (рис. 9.20). Площадь сечения стыковых элементов должна быть не меньше площади сечения стыкуемых элементов. Уголки, перекрывающие стыки пояса, принимаются того же калибра, что и поясные. Для того чтобы прикрепить уголковую накладку, приходится срезать обушок и вертикальную полку уголка. Уменьшение его площади сечения компенсируется фасонкой.

При установке листовых накладок в работу включается фасонка. Центр тяжести сечения в месте стыка не совпадает с центром тяжести сечения пояса, и оно работает на внецентренное растяжение (или сжатие). Для облегчения работы фасонок стык пояса желательно вынести за пределы узла.

Крепление накладок к поясным уголкам целесообразно рассчитать из условия рав- нопрочности на полное усилие, которое может выдерживать накладка.

Для обеспечения совместной работы уголков их соединяют прокладками.

Расстояние между прокладками должно быть не более 40/ для сжатых элементов и 80/ для растянутых, где i — радиус инерции одного уголка относительно оси, параллельной прокладке. При этом в сжатых элементах ставится не менее двух прокладок. Если уголки не соединены прокладками, то при расчете каждый уголок рассматривают отдельно, а его гибкость определяют исходя из минимального для одного уголка радиуса инерции i_min.

Решения укрупнительного узла ферм при их поставке из отдельных отправочных элементов показаны на рис. 9.21. Приведенные решения обеспечивают сборку конструкции из двух симметричных взаимозаменяемых полуферм.

Конструкция опорных узлов зависит от вида опор (металлические или железобетонные колонны, кирпичные стены и т.д.) и способа сопряжения (жесткое или шарнирное).

Рис. 9.21. Укрупнительный стык стро а — на сварке; б — на болтах;

пильной фермы из парных уголков: 1 — линия сгиба стыковой накладки

При свободном опирании ферм на нижележащую конструкцию возможное решение опорного узла показано на рис. 9.22. Давление фермы F_R через плиту передается на опору. Площадь плиты определяется по несущей способности материала опоры:

, (9.19)

где — расчетное сопротивление материала опоры на сжатие.

Плита работает на изгиб от отпора материала опоры аналогично плите базы колонны (см. гл. 8).

Давление фермы на опорную плиту передается через фасонку и опорную стойку, образующие жесткую опору крестового сечения. Оси пояса и опорного раскоса центри-

руют на ось опорной стойки; таким образом, опорная реакция фермы проходит через центр жесткого креста.

Швы, приваривающие фасонку и опорную стойку к плите, рассчитывают на опорную реакцию:

(9.20)

Если торцы фасонки и опорной стойки фрезеруются, то усилие на плиту передается за счет плотного касания (смятия), и швы являются конструктивными.

В опорной плите устраивают отверстия для анкеров. Для компенсации возможного несовпадения анкерных болтов и отверстий диаметр отверстия делают в 2 — 2,5 раза больше диаметра анкеров, а шайбы анкерных болтов приваривают к плите.

Для удобства сварки и монтажа узла расстояние между нижним поясом и опорной плитой принимают обычно не менее 150 мм.

Аналогично конструируется опорный узел при опирании фермы в уровне верхнего пояса (рис. 9.22, б).

9.6.4. Фермы с поясами из широкополочных тавров с параллельными гранями полок.

Тавры с параллельными гранями полок получают путем продольного роспуска широкополочных двутавров. Тавры применяются в поясах ферм, решетка выполняется из спаренных или одиночных прокатных или гнутых уголков. По сравнению с фермами со стержнями из парных уголков фермы с поясами из тавров экономичнее по расходу металла на 10 —12 %, по трудоемкости на 15 —20 % и по стоимости на 10 —15 %. Экономия достигается за счет уменьшения числа деталей, размеров фасонок и длины сварных швов.

При небольших усилиях в раскосах швы их крепления к поясу могут быть размещены на стенке тавра (рис. 9.23, а). При больших усилиях (опорный и соседний с ним раскосы) для обеспечения необходимой длины швов приходится приваривать к стенке тавра узловую фасонку той же толщины (рис. 9.23, б). Стыковой шов соединения фа-

Рис. 9.23. Узлы ферм с поясами из тавров:

а — узел без фасонки; б — узел с дополнительной фасонкой и изменением сечения пояса встык; в — узел с изменением сечения пояса с помощью накладки и вставки; г — узел фермы

с перекрестной решеткой из уголков

сонки со стенкой тавра рассчитывается на срез от усилия, равного разности усилий в примыкающих панелях пояса.

Изменение сечения пояса может быть осуществлено встык (см. рис. 9.23, б) или с помощью листовой вставки и накладки (рис. 9.23, в).

Укрупнительные стыки отправочных марок выполняются на сварке или высокопрочных болтах.

Высокие экономические показатели имеют фермы с поясами из тавров и перекрестной решеткой из одйночных уголков (см. рис. 9.7, ж). Раскосы из одиночных уголков удается, как правило, прикрепить к стенке тавра без дополнительных фасонок (рис. 9.23, г). В месте пересечения раскосы соединяются на сварке или с помощью болта. Растянутый раскос препятствует потере устойчивости сжатого и уменьшает его расчетную длину как в плоскости, так и из плоскости фермы в 2 раза.

9.6.5. Фермы из труб. Узловые сопряжения трубчатых ферм должны обеспечивать герметизацию внутренней полости ферм, чтобы предотвратить возникновение там коррозии.

В трубчатых фермах наиболее рациональны бесфасоночные узлы с непосредственным примыканием стержней решетки к поясам (рис. 9.24, а). При выполнении фигурной резки концов специальными машинами узлы с непосредственным примыканием дают высококачественное соединение с минимальной затратой труда и материала. Стержни центрируют, как правило по геометрическим осям. При неполном использовании несущей способности поясной трубы допускается эксцентриситет не более одной четверти диаметра поясной трубы.

Расчет узлового сопряжения с непосредственным примыканием стержней решетки к поясам является теоретически сложной задачей, относящейся к области расчета пересекающихся цилиндрических оболочек.

Напряжения по длине шва распределяются неравномерно и зависят от отношения диаметров соединяемых труб, толщины стенки поясной трубы угла сопряжения труб, прочностных характеристик материала поясной трубы и т. п.

Форма сварного шва без снятия фаски получается переменной по длине линии соединения труб. При остром угле примыкания шов приближается к угловому, при тупом — к стыковому.

Рис. 9.24. Узлы трубчатых ферм:

а — с непосредственным примыканием; б — со сплющиванием концов стержней; в — на фа-

сонках; г — со вставками; 1 — заглушка

В результате снятия фаски с переменным углом ее наклона по длине реза торца трубы сварной шов на большей части своего протяжения может рассматриваться как стыковой.

Прочность шва, прикрепляющего трубчатый стержень решетки, можно проверить в запас прочности по формуле

(9.21)

где 0,85 — коэффициент условия работы шва, учитывающий неравномерность распределения напряжения по длине шва; l_w — длина шва, определяемая по формуле

(9.22)

Значение коэффициента зависящего от соотношения диаметров труб, приведены в табл. 9.3.

При недостаточной толщине пояса его можно усилить накладкой (см. рис. 9.24, а). Накладки вырезают из трубы того же диаметра, что и пояс, или выгибают из листа толщиной не менее одной и не более двух толщин стенки поясной трубы.

Если в узлах трубчатые стержни решетки пересекаются между собой, растянутый раскос целесообразно приваривать к поясу по всему контуру сечения, а сжатый раскос или стойку частично прирезать и приваривать к растянутому. Следует иметь в виду, что прирезка сжатого стержня усложняет обработку, а закрытая часть сварного шва (перекрываемая сжатым раскосом) недоступна для осмотра. Можно избежать прирезки к раскосам сжатой стойки устройством специального столика.

При передаче на пояса ферм сосредоточенных нагрузок (от массы кровли, подвесного транспорта и т.п.) необходимо предусматривать детали для приложения этих нагрузок симметрично относительно осевой плоскости фермы вдоль боковых участков стенки поясной трубы.

Укрупнительное соединение стропильных ферм в коньковом узле рекомендуется выполнять с центрирующей прокладкой, расположенной между фланцевыми заглушками.

Если нет станков для фигурной обработки торцов трубы, узлы трубчатых ферм можно выполнять со сплющиванием концов стержней решетки (рис. 9.24, б), а в исключительных случаях — на фасонках (рис. 9.24, в). Сплющивание концов допустимо лишь для труб из низкоуглеродистой или другой пластичной стали.

Узлы в местах перелома оси пояса, а также при большом числе сходящихся стержней можно в отдельных случаях выполнять с цилиндрическими или многоугольными узловыми вставками (рис. 9.24, г). При пространственном узле вставка делается шаровой.

Соединять трубы одинакового диаметра рационально встык на остающемся подкладном кольце (рис. 9.25, а).

Расчет такого соединения на растяжение и сжатие производят по формуле

(9.23)

где Dср — средний диаметр трубы с меньшей толщиной стенки; t — меньшая толщина стенки соединяемых труб.

Стыковое соединение получается равнопрочным с основным металлом при расчетном сопротивлении наплавленного металла не ниже расчетного сопротивления материала труб для сталей, неразупрочняемых при сварке. При более низком расчетном

Таблица 9.3

Значения коэффициента £

d/D	0,2	0,5	0,6	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9	0,95	1,0
%	1,00	1,01	1,02	1,03	1,04	1,05	1,06	1,08	1Д2	1,22

Рис. 9.25. Стыковые соединения труб:

а — прямой с подкладным кольцом; б — то же, косой; в — с наружными накладками; г — сварной через торцевой фланец; д — болтовое фланцевое

сопротивлении наплавленного металла стыковое соединение на подкладном кольце можно выполнять косым швом (рис. 9.25, б).

Если невозможно обеспечить достаточную точность подгонки труб для сопряжения встык и равнопрочность сварного шва, стыковые соединения труб равных диаметров можно выполнять с помощью парных кольцевых накладок, гнутых из листа или вырезаемых из трубы того же или несколько большего диаметра (рис. 9.25, в). Фигурные вырезы накладок позволяют увеличить длину шва для получения соединения, равнопрочного с основным металлом. Толщину накладок и сварного шва рекомендуется принимать на 20 % больше толщины стыкуе

Рис. 9.26. Опорные узлы трубчатых ферм:

я — через опорные фланцы; б и в — при шарнирном опирании фермы

мых труб.

Длина сварного шва при накладках с фигурными вырезами приближенно определяется по формуле

где а — размер лепестка (глубина фигурного выреза накладки вдоль оси трубы); п — число лепестков по периметру трубы.

Стыковые соединения труб разных диаметров, работающие на сжатие, а также соединения в местах перелома оси пояса могут выполняться с помощью торцевых прокладок (рис. 9.25, г). На монтаже часто применяются фланцевые соединения на болтах (рис. 9.25, д).

Примеры решения опорных узлов ферм приведены на рис. 9.26.

9.6.6. Фермы из гнутых профилей. Фермы из гнутосварных замкнутых профилей (ГСП). Проектируют с бесфасоночными узлами (рис. 9.27). Для упрощения конструкции узлов следует принимать треугольную решетку без дополнительных стоек, при которой в узлах к поясам примыкает не более двух элементов.

Рис. 9.27. Узлы ферм из гнутозамкнутых профилей

Рис. 9.28. Узел с расцентровкой осей стержней: а — схема узла; б — распределение моментов в поясе

Толщину стенок стержней ферм рекомендуется принимать не менее 3 мм. В одной ферме не должны применяться профили одинаковых размеров сечения, отличающиеся толщиной стенок менее чем на 2 мм.

Ширину стержней решетки b_v (из плоскости конструкции) следует принимать возможно большей, но не более из условия наложения продольных сварных швов и не менее 0,6 поперечного размера пояса В (t_n, t_p — толщина пояса и решетки).

Углы примыкания раскосов к поясу должны быть не менее 30° для обеспечения плотности участка сварного шва со стороны острого угла. Следует избегать пересечения стержней решетки в узлах во избежание двойной резки концов стержней.

Для свободного размещения стержней решетки на уровне примыкания их к поясу иногда приходится нарушать центрацию элементов (рис. 9.28).

Если эксцентриситет е > 0,025h, то при расчете следует учитывать узловой момент М= (N₅- N₁)e. Гибкость стержней решетки в плоскости фермы значительно больше гибкости пояса, поэтому узловой момент воспринимается в основном поясом.

Приближенно моменты в поясе можно определить по формулам:

(9.25)

(9.26)

где d₁ d₂ — длины панелей, примыкающих к узлу.

Заводские стыки стержней рекомендуется выполнять сваркой встык на остающейся подкладке, а монтажные стыки — фланцевыми на болтах.

Сварные швы, прикрепляющие стержни решетки к полкам поясов с полным проплавлением стенки профиля, рассчитывают, как стыковые (см. гл. 4).

Рис. 9.29. Узлы ферм из открытых гнутых профилей: а и б — промежуточный поясной; в — опорный

Фермы из открытых гнутых профилей. Узлы ферм из легких гнутых профилей во многих случаях также могут выполняться без фасонок.

При поясе фермы коробчатого сечения и раскосах из двух ветвей, соединенных планками, раскосы примыкают с двух сторон внахлестку к поясу и привариваются фланговыми швами (рис. 9.29, а). Если высота пояса недостаточна, то к нему в двух плоскостях стыковыми швами приваривают фасонки, к которым прикрепляют стержни решетки (рис. 9.29, б). Решение опорного узла показано на рис. 9.29, в.

Предварительно напряженные фермы.

Для разрезных ферм основной способ предварительного напряжения— натяжение их затяжками из высокопрочных материалов (стальных канатов, пучков высокопрочной проволоки и т.п.)

Затяжки размещают так, чтобы в результате их натяжения в наиболее нагруженных стержнях фермы возникли усилия, обратные познаку усилиям от внешней нагрузки:

1.Создание предварительного напряжения сжатия путем размещения затяжек в

пределах длины отдельных стержней, работающих на растяжение. (для

тяжелых ферм)