Стержневые несущие конструкции реферат

Обновлено: 05.07.2024

Сварные металлические конструкции благодаря своим высоким технико-экономическим качествам применяются во всех отраслях народного хозяйства. Широкое использование в строительстве металлических конструкций позволяет проектировать сборные элементы зданий и сооружений сравнительно малой массы, организовывать поточное производство конструкций на заводах и поточно-блочный монтаж их на строительной площадке.

. АНАЛИЗ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ

. ТИП ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ БАЛКИ

. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРА СЕЧЕНИЯ БАЛКИ

.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ БАЛКИ ИЗ УСЛОВИЯ ПРОЧНОСТИ

Нужна помощь в написании курсовой?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ БАЛКИ ИЗ УСЛОВИЯ ЖЕСТКОСТИ И МАКСИМАЛЬНОГО ПРОГИБА

.3 ВЫБОР ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ СЕЧЕНИЯ

.1 РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ

.2 ПРОВЕРКА ОБЩЕЙ УСТОЙЧИВОСТИ БАЛКИ

.3 ПРОВЕРКА МЕСТНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

. НАЗНАЧЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПЛАНОК, СОЕДИНЯЮЩИ ВЕТВИ БАЛКИ

. РАСЧЕТ КРЕПЛЕНИЯ СТЕРЖНЕВОЙ КОНСТРУКЦИИ К СТЕНЕ

Нужна помощь в написании курсовой?

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

поперечное сечение стержень прочность балка

Проектирование экономически эффективных металлических конструкций, основанное на правильном выборе конструктивных форм, использование типовых и унифицированных решений и соответствующем расчете — начальный и один из главных этапов создания сварной металлической конструкции.

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Стержневая конструкция одним концом жестко прикреплена к стенке, нагружена продольной силой Pz = 300 кН и поперечной Qy = 0,5Pz (x, y — главные оси поперечного сечения, z — продольная ось). Сила Pz приложена внецентренно, с эксцентриситетами ex — 0 и ey — 400 мм (ey > 0 при приложении силы Pz ниже центра сечения). Поперечное сечение ограничено габаритами hmax =450мм и bmax =300мм. Длина стержня L=2м. Материал — сталь ВСт3сп. Нагрузка циклическая, пульсирующая (с коэффициентом асимметрии цикла ρ=0), число циклов за срок службы n=106. При работе на выносливость наибольшую концентрацию напряжений создают угловые швы, присоединяющие конструкцию к стенке (6-я группа по СНиП).

Максимальное поперечное перемещение свободного конца при расчете на жесткость f= L/100=20мм.

Нужна помощь в написании курсовой?

2. АНАЛИЗ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ

На рисунке 1.а представлена схема приложения сил к стрежневой системе.

Рисунок 1. Схема приложения сил к стержневой конструкции.

После анализа исходных данных, преобразуем схему приложения сил (рисунок 1.б): воспользовавшись теоремой о параллельном переносе силы (известно из теор. механики), переносим силу Pz в точку пересечения осей X и У, прибавляя при этом пару сил с моментом, равным моменту силы Pz относительно точки, куда переносится сила (mPz= Pzx ey=120 кНм).

Из преобразованной схемы видно, что изгиб стержня происходит только относительно оси Х, т.е. Му=0.

Определим максимальный изгибающий момент, относительно оси X. Для этого определим опорные реакции и посмотрим эпюры поперечных сил и изгибающих моментов.

Рисунок 2. Эпюры поперечных сил и изгибающих моментов.

V=150 кН; H= 300 кН; m0= 360 кНм.

Нужна помощь в написании курсовой?

Как видно из рисунка 2, максимальный изгибающий момент относительно оси Х — Мх= 360 кНм.

Предположим, что поперечное сечение рассматриваемого стержня — сплошной прямоугольник.

Тогда площадь поперечного сечения:

А= hmaxx bmax =0,45х0,3=0,135 м2

Момент сопротивления сечения относительно оси X и У соответственно:

Значение относительных эксцентриситетов:

Согласно СНиП, если наибольший из эксцентриситетов имеет значение от 5 до 20, то стержневой элемент является изгибаемой балкой, при расчете которой необходимо учитывать действие сжимающей силы.

3. ТИП ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ БАЛКИ

Нужна помощь в написании курсовой?

Рисунок 3. Тип поперечного сечения балки.

4.ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРА СЕЧЕНИЯ БАЛКИ

4.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ БАЛКИ ИЗ УСЛОВИЯ ПРОЧНОСТИ

Рисунок 4. Схематизация сечения.

Для основной балки нагрузка является изгибающий момент. Условие прочности:

где [σ] — допускаемое напряжение.

Допускаемое напряжение из условий статической прочности и устойчивости:

где Ry= σT/γm — расчетное сопротивление по пределу текучести, для Ст3сп σT=250 МПа, γm=1,05 (коэф. надежности по материалу),

Нужна помощь в написании курсовой?

φ=0,6 — коэффициент зависящий от гибкости и учитывающий эксцентриситет.

Допустимое напряжение при работе на выносливость:

[σ]= ɑxγvxRv

где Rv=45 МПа — расчетное сопротивление, выбирается по СНиП в зависимости от марки стали и концентрации напряжений в сварном соединении; ɑ=1,63 — коэффициент зависящий от числа циклов нагружения (n=106); γv=2/(1- ρ)=2 — коэффициент, отражает зависимость допустимых напряжений от показателя асимметрии цикла (ρ=0).

Из двух значений допустимых напряжений выбираем меньшее:

Нужна помощь в написании курсовой?

Оптимальная высота балки из условий прочности:

4.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ БАЛКИ ИЗ УСЛОВИЯ ЖЕСТКОСТИ И МАКСИМАЛЬНОГО ПРОГИБА

Оптимальная высота балки из условия жесткости:

где E=2,06×105 МПа — модуль упругости.

Требуемый момент инерции сечения:

4.3 ВЫБОР ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ СЕЧЕНИЯ

Из условия равенства требуемых моментов инерции сечения (Jxσ=Jxf), определяем порог высоты балки, ниже которого действуют уравнения жесткости, а выше уравнения прочности.

Из расчета видно hσ˃h*, следовательно для данного сечения, при данных нагрузках оптимальной является высота hσ=724,5 мм. Но по условию задания высота балки ограничена hmax=450мм. Из этого следует что высота сечения h= hmax=450мм.

Нужна помощь в написании курсовой?

Требуемый момент инерции сечения:

Толщину стенки назначаем из условия обеспечения местной устойчивости:

Момент инерции двух стенок:

Суммарный момент инерции двух полок:

Площадь одной полки:

An1=2 Jxn/h=2×4,9406×10-4/0,45=21,9582×10-4 м2

Sn=An1/b=21,9582×10-4/0,3=0,0073 м=7 мм

Нужна помощь в написании курсовой?

5. ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ

5.1 РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ

Уточняем площадь поперечного сечения балки:

площадь двух стенокc=0,45х0,005х2=0,0045 м2

площадь 2 полокn=(0,3-2х0,005)х0,007х2=0,00406 м2

площадь всего сечения

Момент инерции сечения относительно оси Х:

Нужна помощь в написании курсовой?

Нормальное напряжение в балке:

Нормальное напряжение рассчитываем для двух точек:

место соединения полки швеллера со стенкой (y=h/2)

— край у швеллера (у=0)

Касательные напряжения в сечении:

где AQ=AC=0,0045 м2 — суммарная площадь сечения элементов, плоскость которых параллельна плоскости действия силы Qy.

Как видно из расчета, условие прочности не выполнено, присутствует большое перенапряжение. Это связано с тем, что оптимальная высота балки больше назначенной (габаритные размеры балки ограничены по условию задания). Для снижения напряжений необходимо увеличить площадь сечения балки.

Нужна помощь в написании курсовой?

— толщина стенки Sс=10 мм;

толщина полки Sп=15 мм;

высота и ширина балки без изменений.

Уточняем площадь поперечного сечения балки:

площадь 2 стенок

Нужна помощь в написании курсовой?

площадь 2 полок

площадь всего сечения

Момент инерции сечения относительно оси Х:

Нормальное напряжение в балке в месте соединения полки швеллера со стенкой (y=h/2)

у края швеллера (y=0).

Касательные напряжения в сечении:

где AQ=AC=0,009 м2 — суммарная площадь сечения элементов, плоскость которых параллельна плоскости действия силы Qy.

Нужна помощь в написании курсовой?

Условие прочности выполнено. Запас прочности составляет ≈ 8%.

Рисунок 5. Размеры элементов сечения.

Соединение полок швеллеров со стенкой осуществляется автоматической сваркой, шов У7; подготовка кромок и конструктивные размеры шва по ГОСТ 8713-79.

5.2 ПРОВЕРКА ОБЩЕЙ УСТОЙЧИВОЧТИ БАЛКИ

Сечение балки состоит из двух одинаковых ветвей — швеллеров, соединенных между собой планками (связями). Расстояние между осями связей — 1 м.

Рисунок 6. Швеллер.

Условие обеспечения устойчивости:

Нужна помощь в написании курсовой?

Стержневые пространственные конструкции в известной мере аналогичны массивным (сплошным) конструкциям — плитам, плоским дискам, оболочкам. С другой стороны, эти конструкции есть дальнейшее развитие плоских стержневых (решетчатых) конструкции.

Развитие современных технологических методов производства позволяет изготовлять крупные серии стандартных конструктивных элементов при сравнительно небольших затратах. Эти успехи в области технологии и обусловили экономическую эффективность применения стержневых пространственных конструкций.

Принцип стержневой пространственной конструкции известен человечеству с древнейших времен; он использован в монгольских юртах, в хижинах жителей тропической Африки, каркасных постройках средневековья, а в наше время — в конструкциях велосипеда, самолета, подъемного крана и пр.

В последнее время стержневые пространственные конструкции промышленного изготовления получили широкое распространение во многих странах, что объясняется простотой их производства и легкостью монтажа сооружений. Основная заслуга в создании и развитии этих конструкций принадлежит прежде всего Беллу Фепплю и Шведлеру, работавшим на рубеже XIX и ХХ столетий, а в ХХ веке—Ледереру, Маковскому, Отто, Райту, Фуллеру и др.

Элементарная стержневая пространственная конструкция — тренога (рис. 3.51, а), образованная тремя сходящимися в узле стержнями, не лежащими в одной плоскости. Из таких треног образуется, например, конструкция, показанная на рис. 3.51.б в таких конструкциях число стержней равно утроенному числу свободных (не прикрепленных к основанию) узлов. Эти стержневые системы принято называть. простейшими.

Приведенному соотношению отвечает также конструкция, показанная на рис. 3.52.в она, однако, уже не образуется, как предыдущая, из элементарных треног: такие системы называются преобразованными.

Если тренога не прикреплена к массивному основанию (обычно к земле), то для обеспечения ее геометрической неизменяемости необходимо ввести еще три стержня (рис. 3.51 г). При этом образуется пространственный четырехугольник - тетраэдр. Последовательным соединением таких элементов образуется так называемая свободная стержневая система.

Стержневая пространственная конструкция, узлы которой лежат на некоторой поверхности одинарной или двоякой кривизны, образует сетчатую оболочку. В зависимости or формы поверхности различают сетчатые цилиндрические оболочки, сетчатые купола, сетчатые конические оболочки и оболочки переноса (рис. 3.52).

Другой тип стержневых пространственных конструкций – призматические конструкции и плиты; здесь можно выделить трехгранные (трехпоясные) фермы (рис. 3.53 а) и стержневые (структурные) плиты (рис. 3.53 б).

Стержневые пространственные конструкции могут быть однослойными (одно-поясными), двухпоясными или многопоясными. Например, структурные плиты выполняют двухпоясными; сетчатые купола и цилиндрические оболочки при обычных пролетах делают однослойными (однопоясными).

Рис.3.51 Схема построения пространственных стержневых систем:

а – тренога (узел поддерживается тремя стержнями, не лежащими в одной плоскости);

б – простейшая система, образованная из треног; в – преобразованная статически определенная система; г – элементарная свободная система - тетраэдр; д – свободная система, образованная дополнением тетраэдра

Рис.3.52 Формы стержневых сетчатых оболочек:

а – сетчатая цилиндрическая оболочка; б – сетчатый купол;

в – сетчатая коническая оболочка; г – оболочка переноса

Рис.3.53 Формы стержневых конструкций с плоскими гранями:

а – трехпоясная ферма; б – структурная плита с полуоктаэдрической решеткой

Рис.3.54 Типы плоских стержневых решеток:

а - с двумя семействами пересекающихся стержней; б – с тремя семействами

стержней; в – диагональная; г – кольцевая

Перекрестно-стержневая конструкция при плане помещения, приближающемся к квадрату, превращается в пространственную сетку, состоящую из перекрещивающихся поясных стержней и пространственной решетки, поставленной по диагонали квадратных ячеек (рис. 3.54). Возможности такой конструкции (структуры) очень широки, так как ее можно опирать на колонны в любой точке. При этом все возможные варианты получаются на основе ограниченного сортамента стержней, что позволяет организовать их поточное производство с высокой степенью механизации и автоматизации технологических процессов. Расход материалов на такое пространственное покрытие на 20-30% ниже, чем в обычных покрытиях по стропильным фермам.

Перекрестно-стержневую конструкцию (структуру) выполняют главным образом из металла. Обычно она представляет собой систему из двух (четырех) плоских решетчатых дисков, раскрепленных в двух направлениях наклонными стержнями, которые образуют серию одинаковых пирамид с обращенными вниз вершинами, раскрепленными стержнями нижнего решетчатого диска.

Транспортировка перекрестно-стержневых конструкций осуществляется без применения специальных фермовозов, панелевозов и грузовых платформ, а укрупнительная сборка производится вручную и не требует высококвалифицированных рабочих. Возможная величина пролетов таких конструкций - 36 х 36 м.

Модульная сетка пространственных перекрестно-стержневых конструкций строится по ортогональной (преимущественно 3 х 3 м), треугольной или шестиугольной системам. Такие конструкции применяют для самых разнородных покрытий с опиранием по контуру на внутриконтурные колонны. Устраиваемые консоли по всем или некоторым сторонам могут придавать покрытию любую форму в плане. Подобные конструкции применяются при строительстве крупных павильонов (рис. 3.55).

Пространственные перекрестные стержневые системы являются одним из наиболее интересных и перспективных конструкций для применения в покрытиях и перекрытиях промышленных и общественных зданий.

Перекрестные системы могут быть плитообразными, т.е. иметь пояса параллельными друг другу и горизонтальными, а могут быть и вспарушенными, т. е. по существу относиться к разнообразным стержневым оболочкам (рис. 1, 2 и 3). К перекрестным конструкциям относятся пространственно работающие перекрестные балки, фермы, рамы и арки.

Все эти архитектурно разнообразные конструкции уже нашли широкое применение в строительной практике как у нас в России, так и за рубежом.

Особо следует отметить тот факт, что стержни пространственных конструкций могут быть выполнены не только из стали, но и из древесины. Это относится и к перекрестным клееным балкам прямоугольного сечения, которые нашли широчайшее применение особенно в современной Германии.

Рис. 3. Оболочки и купола

Естественно, что перечисленное разнообразие конструктивных форм, породило очень большое многообразие конструктивных решений узлов.

Пространственные конструкции известны человечеству с древнейших времен. Шалаши, юрты давно применялись нашими предками. Сама природа в виде морских раковин, трав в виде зонтичных структур, жесткого панциря у черепах и т. п. направляет пытливую мысль человека на использование естественных природных преимуществ пространственных систем для целей строительства.

Преимущества пространственных конструкций можно сформулировать в нескольких основных тезисах:

пространственность работы;
надежность от внезапных разрушений;
снижение строительной высоты;
возможность перекрытия больших пролетов;
свобода внутренней планировки;
архитектурная выразительность;
удобство размещений линий подвесного транспорта;
высокая транспортабельность конструкций;
возможность унификации элементов.

Имеется еще ряд преимуществ, связанных с быстротой возведения и высокой транспортабельностью, благодаря чему их выгодно применять в труднодоступных и удаленных районах нашей страны.

Пространственность работы конструкции позволяет выгодно ее применять при больших сосредоточенных нагрузках, особенно при воздействии подвижных сосредоточенных сил.

При этом строительная высота покрытия или перекрытия может быть очень небольшой (1/15-1/20 от пролета).

Рис. 4. Стержневые кристаллы:

А – куб (С); б – тетраэдр (Т); в – октаэдр (О);

г – полуоктаэдр (1/20); д – четверть октаэдра (1/40);

е – половина куба; ж – плоский равносторонний треугольник

Благодаря большой повторяемости стержней и узлов заводское производство может быть полностью автоматизировано. Вследствие этого пространственные несущие системы являются индустриальными конструкциями.

Основная трудность развития пространственных систем связана с решением узловых сопряжений. Узел является наиболее сложным и ответственным элементом конструкции.

Здесь много еще не решенных проблем как конструктивного, так и технологического характера.

1 – узловой элемент с резьбовыми отверстиями для болтов;

2 – высокопрочный болт; 3 – муфта вращения; 4 – конический наконечник; 5 – сварной шов; 6 – трубчатый элемент; 7 – монтажное отверстие

Наиболее известные болтовые соединения

Каждый тип узла имеет свои преимущества и недостатки. Именно технические характеристики того или иного узлового сопряжения предопределили и область рационального применения несущих пространственных конструкций, и величину ее наибольшего пролета.

Как видно из перечня, многие наиболее развитые страны внесли свой вклад в разработку, производство и внедрение того или иного типа узлового сопряжения.

Плитообразные структурные конструкции имеют самые разнообразные условия опирания (рис. 6). Каждое из конкретных условий опирания – это результат многочисленных исследований и конструктивных проработок, выполненных в различных странах. Практически все из указанных на рис. 6 условий опирания нашли практическое применение при реальном возведении зданий.

Рис. 6. Опирание структурных конструкций

Применительно к общественным зданиям и сооружениям спортивного назначения средних и больших пролетов рекомендуется опирание покрытий по периметру. При многоточечном опирании, структурные конструкции получаются еще легче, поэтому для большепролетных покрытий представляет интерес сочетание структурных плит с арочными подвесными системами. Эти типы систем обеспечивают взаимную устойчивость арок и стабилизацию вант.

Наконец, в г. Волжском был построен торговый центр пролетом около 60 метров, где стержневая структурная плита ортогонального типа усиливалась снизу предварительно напряженной шпренгельной затяжкой. Узел был решен с применением ванной сварки. Стержни – трубчатого сечения. Предварительное напряжение позволило снизить строительную высоту, удачно перераспределить усилия в стержнях и снизить расход стали на покрытие. Высота структурной плиты составила малую величину – 2 метра, а длина типовых поясных стержней 3 метра. Предварительное напряжение производилось раздвижкой стоек пространственного шпренгеля. В результате сравнения многих вариантов был принят вариант с жесткой затяжкой (сталь класса 52/40). Суммарный расход стали составил 85 кг/м 2 . Малая строительная высота покрытия позволила снизить эксплуатационные затраты на отопление и вентиляцию и уменьшила площадь стенового ограждения на 11500 м 2 .

Авторы: Николай Демидов, к.т.н., доцент, МГСУ; Варвара Меликова, магистр МГСУ

Колонна является древнейшей строительной конструкцией. Более 3000 лет тому назад египтяне вытесывали из камня колонны для надгробных памятников, а в V в. до н.э. колонна заняла центральное место в колоннадах общественных зданий у древних греков и римлян. Такие колонны воздвигались исключительно по эмпирическим правилам, заимствованным из окружающего мира.

Научный подход к изучению проблемы работы сжатых конструкций был начат в XVIII в., когда Петрус Ван-Мусшенбрук построил установку для испытаний на сжатие, а Леонард Эйлер получил свою знаменитую формулу, к которой мы будем неоднократно обращаться. Было установлено, что несущая способность центрально-сжатого стержня обратно пропорциональна квадрату его длины, т.е. в два раза более длинный стержень несет в четыре раза меньшую нагрузку. К сожалению, формула Эйлера, содержащая произвольное целое число, которому в то время не могли найти объяснения, а также слабое соответствие этой формулы экспериментальным данным (как мы сегодня знаем, плохо обоснованным) привели к ее забвению почти на 200 лет. Лишь в конце прошлого века эта формула получила всеобщее признание и дальнейшее развитие, которое продолжалось на фоне острых дискуссий до середины нашего столетия. С существом этих дискуссий мы познакомимся позднее, а сейчас рассмотрим лишь краткую характеристику конструкций, работающих на сжатие.

Колонны, стойки, стрелы кранов и другие продольно сжатые конструкции с точки зрения их расчета имеют общие черты с отдельными элементами, входящими в состав других конструкций или стержневых систем, например со стержнями ферм, элементами связей и т.п. Это позволяет их рассматривать в составе одной главы, но с разной степенью детализации. При всем многообразии такие конструкции имеют общие формальные признаки - все они работают на сжатие или на сжатие с изгибом, а их длина в 10. 20 раз и более превышает размеры поперечных сечений. Конструкция состоит из собственно стержня и опорных устройств, технические решения которых зависят от назначения конструкции и особенностей, узловых сопряжении.

По форме силуэта конструкции могут быть постоянного сечения, переменного сечения и ступенчатыми. Изменение сечения по длине позволяет снизить металлоемкость, но незначительно, поэтому такие стержни проектируют из архитектурных соображений либо когда снижение массы приводит к дополнительным эффектам, например в подвижных конструкциях типа крановых стрел.

Типичными представителями сжатых стержневых конструкций являются колонны и стойки, состоящие из стержня, оголовка, базы, иногда консоли. Оголовок служит для опирания и крепления вышележащих конструкций. База выполняет две функции - распределяет усилие, передаваемое колонной на фундамент, снижая напряжение до расчетного сопротивления фундамента, и обеспечивает прикрепление к нему колонны с помощью анкерных болтов. На консоли могут опираться подкрановые балки, стеновые панели, технологические коммуникации и т. п.

Мощные стержни типа колонн, стоек, элементов тяжелых ферм выполняют из одиночных широкополочных двутавров или составляют их из нескольких прокатных профилей. Составные стержни могут быть сплошностенчатыми - сплошными - и сквозными.

Последние в свою очередь делят на стержни с безраскосной решеткой, решетчатые и перфорированные. Ветви (пояса) безраскосных стержней объединяют планками из листовой стали, жесткими вставками или перфорированными листами. Перфорированные стержни могут быть выполнены также гнутосварными из зигзагообразно разрезанных листов или из прокатных профилей, которые после предварительной фигурной резки объединяют в крестообразное сечение. При всей своей привлекательности перфорированные стержни находят ограниченное применение, что связано с дополнительными операциями и необходимостью иметь оборудование для фигурной резки и гибки заготовок в форме гнутых швеллеров или уголков. При изготовлении стоек из перфорированных прокатных профилей необходимы операции правки, так как после резки исходного профиля полученные заготовки изгибаются в разные стороны вследствие наличия в исходном металлопрокате остаточных напряжений.

Элементы стержневых конструкций небольших поперечных размеров проектируют из круглых или прямоугольных труб, одиночных либо спаренных уголков.

По виду напряженного состояния стержни делят на центрально-сжатые, внецентренно сжатые и сжато-изгибаемые. Аналогичную классификацию используют для наименования растянутых элементов.

Общая характеристика и классификация ферм

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

Если нагрузка приложена в узлах, а оси элементов фермы пересекаются в одной точке (центре узла), то жесткость узлов несущественно влияет на работу конструкции и в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные. Тогда все стержни фермы испытывают только осевые усилия (растяжение или сжатие). Благодаря этому металл в фермах используется более рационально, чем в балках, и они экономичнее балок по расходу материала, но более трудоемки в изготовлении, поскольку имеют большое число деталей. С увеличением перекрываемых пролетов и уменьшением нагрузки эффективность ферм по сравнению со сплошностенчатыми балками растет.

Стальные фермы получили широкое распространение во многих областях строительства: в покрытиях и перекрытиях промышленных и гражданских зданий, мостах, опорах линий электропередачи, объектах связи, телевидения и радиовещания (башни, мачты), транспортерных галереях, гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах и т.д.

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

Плоские фермы могут воспринимать нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскости связями или другими элементами. Пространственные фермы образуют жесткий пространственный брус, способный воспринимать нагрузку, действующую в любом направлении. Каждая грань такого бруса представляет собой плоскую ферму. Примером пространственного бруса может служить башенная конструкция.

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

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

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

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

В зависимости от назначения, архитектурных требований и схемы приложения нагрузок фермы могут иметь самую разнообразную конструктивную форму. Их можно классифицировать по следующим признакам: статической схеме, очертанию поясов, системе решетки, способу соединения элементов в узлах, величине усилия в элементах.

По статической схеме фермы бывают: балочные (разрезные, неразрезные, консольные), арочные, рамные и вантовые.

В покрытиях зданий, мостах, транспортерных галереях и других подобных сооружениях наибольшее применение нашли балочные разрезные системы . Они просты в изготовлении и монтаже, не требуют устройства сложных опорных узлов, но весьма металлоемки. При больших пролетах (более 40 м) разрезные фермы получаются негабаритными и их приходится собирать из отдельных элементов на монтаже. При числе перекрываемых пролетов два и более применяют неразрезные фермы. Они экономичнее по расходу металла и обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту. Но как во всяких внешне статически неопределимых системах, в неразрезных фермах при осадке опор возникают дополнительные усилия, поэтому их применение при слабых просадочных основаниях не рекомендуется. Кроме того, необходимость создания неразрезности усложняет монтаж таких конструкций. Консольные фермы используют для навесов, башен, опор воздушных линий электропередач. Рамные системы экономичны по расходу стали, имеют меньшие габариты, однако более сложны при монтаже. Их применение рационально для большепролетных зданий. Применение арочных систем, хотя и дает экономию стали, приводит к увеличению объема помещения и поверхности ограждающих конструкций. Их применение диктуется в основном архитектурными требованиями. В вантовых фермах все стержни работают только на растяжение и могут быть выполнены из гибких элементов, например стальных тросов. Растяжение всех элементов таких ферм достигается выбором очертания поясов и решетки, а также созданием предварительного напряжения. Работа только на растяжение позволяет полностью использовать высокие прочностные свойства стали, поскольку снимаются вопросы устойчивости. Вантовые фермы рациональны для большепролетных перекрытий и в мостах. Промежуточными между фермой и сплошной балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами, либо сверху аркой. Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающий момент в балке и повышают жесткость системы. Комбинированные системы просты в изготовлении (вследствие меньшего числа элементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижными нагрузками. Весьма эффективно применение комбинированных систем при усилении конструкций, например, подкрепление балки, при недостаточной ее несущей способности, шпренгелем или подкосами.

В зависимости от очертания поясов фермы подразделяют на сегментные, полигональные, трапецеидальные, с параллельными поясами и треугольные.

Очертание поясов ферм в значительной степени определяет их экономичность. Теоретически наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов. Для однопролетной балочной системы с равномерно распределенной нагрузкой это будет сегментная ферма с параболическим поясом . Однако криволинейное очертание пояса повышает трудоемкость изготовления, поэтому такие фермы в настоящее время практически не применяют.

Более приемлемым является полигональное очертание с переломом пояса в каждом узле. Оно достаточно близко соответствует параболическому очертанию эпюры моментов, не требует изготовления криволинейных элементов. Такие фермы иногда применяют для перекрытия больших пролетов и в мостах, т.е. в конструкциях, поставляемых на строительную площадку "россыпью" (из отдельных элементов). Для ферм покрытий обычных зданий, поставляемых на монтаж, как правило, в виде укрупненных отправочных элементов из-за усложнения изготовления эти фермы в настоящее время не применяют. Вы их можете встретить только в старых сооружениях, построенных до 50-х годов.

Фермы трапецеидального очертания , хотя и не совсем соответствуют эпюре моментов, имеют конструктивные преимущества, прежде всего за счет упрощения узлов. Кроме того, применение таких ферм в покрытии позволяет устроить жесткий рамный узел, что повышает жесткость каркаса.

Фермы с параллельными поясами по своему очертанию далеки от эпюры моментов и по расходу стали не экономичны. Однако равные длины элементов решетки, одинаковая схема узлов, наибольшая повторяемость элементов и деталей и возможность их унификации способствует индустриализации их изготовления. Благодаря этим преимуществам фермы с параллельными поясами стали основными для покрытия зданий.

Фермы треугольного очертания рациональны для консольных систем, а также для балочных систем при сосредоточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы). При распределенной нагрузке треугольные фермы имеют повышенный расход металла. Кроме того, они имеют ряд конструктивных недостатков. Острый опорный узел сложен и допускает только шарнирное сопряжение с колоннами. Средние раскосы получаются чрезвычайно длинными, и их сечение приходится подбирать по предельной гибкости, что вызывает перерасход металла. Однако в ряде случаев их применение для стропильных конструкций диктуется необходимостью обеспечения большого (свыше 20 %) уклона кровли или требованиями создания одностороннего освещения (шедовые покрытия).

Выбор типа решетки зависит от схемы приложения нагрузок, очертания поясов и конструктивных требований. Так, во избежание изгиба пояса места приложения сосредоточенных нагрузок следует подкреплять элементами решетки. Для обеспечения компактности узлов угол между раскосами и поясом желательно иметь в пределах 30. 50°.

Для снижения трудоемкости изготовления ферма должна быть по возможности простой с наименьшим числом элементов и дополнительных деталей.

Треугольная система решетки имеет наименьшую суммарную длину элементов и наименьшее число узлов. Различают фермы с восходящими и нисходящими опорными раскосами. Если опорный раскос идет от нижнего опорного узла фермы к верхнему поясу, то его называют восходящим. При направлении раскоса от опорного узла верхнего пояса к нижнему - нисходящим. В местах приложения сосредоточенных нагрузок (например, в местах опирания прогонов кровли) можно установить дополнительные стойки или подвески. Эти стойки служат также для уменьшения расчетной длины пояса. Стойки и подвески работают только на местную нагрузку.

Недостатком треугольной решетки является наличие длинных сжатых раскосов, что требует дополнительного расхода стали для обеспечения их устойчивости.

В раскосной системе решетки все раскосы имеют усилия одного знака, а стойки - другого. Так, в фермах с параллельными поясами при восходящем раскосе стойки растянуты, а раскосы сжаты; при нисходящем - наоборот. Очевидно, при проектировании ферм следует стремиться, чтобы наиболее длинные элементы были растянуты, а сжатие воспринималось короткими элементами. Раскосная решетка более металлоемка и трудоемка по сравнению с треугольной, так как общая длина элементов решетки больше и в ней больше узлов. Применение раскосной решетки целесообразно при малой высоте ферм и больших узловых нагрузках.

Шпренгельную решетку применяют при внеузловом приложении сосредоточенных нагрузок к верхнему поясу, а также при необходимости уменьшения расчетной длины пояса. Она более трудоемка, но в результате исключения работы пояса на изгиб и уменьшения его расчетной длины может обеспечить снижение расхода стали.

Если нагрузка на ферму может действовать как в одном, так и в другом направлении (например, ветровая нагрузка), то целесообразно применение крестовой решетки. Раскосы такой решетки могут быть выполнены из гибких элементов. В этом случае сжатые раскосы вследствие большой гибкости выключаются из работы и решетка работает как раскосная с растянутыми раскосами и сжатыми стойками.

В фермах с поясами из тавров можно применить перекрестную решетку из одиночных уголков с креплением раскосов непосредственно к стенке тавра.

Ромбическая и полураскосная решетки благодаря двум системам раскосов обладают большой жесткостью; эти системы применяют в мостах, башнях, мачтах, связях для уменьшения расчетной длины стержней. Они рациональны при большой высоте ферм и работе конструкций на значительные поперечные силы.

Возможна в одной ферме комбинация различных типов решетки.

По способу соединения элементов в узлах фермы подразделяют на сварные и болтовые. В конструкциях, изготовленных до 50-х годов, применялись также клепаные соединения. Основными типами ферм являются сварные. Болтовые соединения, как правило, на высокопрочных болтах применяют в монтажных узлах.

По величине максимальных усилий условно различают легкие фермы с сечениями элементов из простых прокатных или гнутых профилей (при усилиях в стержнях N 3000кН).

Эффективность ферм может быть повышена при создании в них предварительного напряжения.

Из всего многообразия ферм в настоящем пособии рассмотрены только легкие разрезные балочные фермы, имеющие наиболее широкое применение

Читайте также: