Фермы

Фермами называются решетчатые конструкции, работающие, как балки, на изгиб. Конструкция фермы состоит из отдельных стержней, которые соединяются в узлах и образуют геометрически неизменяемую систему. Нагрузка на ферму действуют, как правило, в узлах, поэтому во всех ее стержнях возникают только продольные усилия сжатия или растяжения при работе в целом на изгиб. Благодаря этому металл в фермах используется более рационально, чем в балках, и они экономичнее балок по массе, но более трудоемки в изготовлении. Поэтому применяют фермы для перекрытия больших пролетов при относительно небольших нагрузках. В современном строительстве фермы применяют в самых разнообразных сооружениях промышленного, коммерческого и гражданского назначения.

Характеристика, классификация, компоновка и типы сечений элементов ферм

                Фермы состоят их верхнего и нижнего поясов, соединенных между собой решеткой из раскосов и стоек. Расстояние между узлами решетки фермы называется панелью, расстояние между ее опорами – пролетом. Разнообразие областей применения и конструктивных решений ферм позволяет классифицировать их по различным признакам:

- по назначению - фермы мостов, покрытий (стропильные и подстропильные), транспортных эстакад, грузоподъемных кранов, гидротехнических затворов и др. сооружений;

- по очертанию поясов – фермы с параллельными поясами, полигональные, арочные и треугольные (рис.1, а-г). Очертание поясов зависит главным образом от назначения фермы и принятой конструктивной схемы всего сооружения;

- по системе решетки – фермы с треугольной решеткой и треугольной с дополнительными стойками решеткой (рис.6, д), фермы с раскосной (рис.6, е), шпренгельной решеткой (рис.6, ж) и решетками специальных типов: крестовой, ромбической, полураскосной (рис.6, з,и,к).

Рис. 1 Элементы ферм и их классификация по очертанию поясов и типу решетки

а – с параллельными поясами; б – полигональные; в – арочные (сегментные); г – треугольные; д- с треугольной решеткой; е – с раскосной решеткой; ж – со шпренгельной решеткой; з, и, к – со специальными решетками

                Система решетки зависит от схемы приложения нагрузок и специальных требований к ферме. Наиболее проста треугольная решетка. Дополнительные стойки ставят в тех случаях, когда в месте из 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 чаще всего применяются при двусторонней нагрузке. Крестовые раскосы проектируют из 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. Решетки ромбическая и полураскосная обладают повышенной жесткостью и применяются в конструкциях с большими поперечными силами.

                В зависимости от вида статической схемы различают фермы разрезные, неразрезные и консольные. По значению наибольших усилий в элементах фермы разделяют на легкие (пролетомl до 50 м с наибольшим усилием в поясах Nмакс̴̴ 5000 кН) и тяжелые; по конструктивному решению наобычные, комбинированные и с предварительными напряжением.

КОМПОНОВКА ФЕРМ

                В задачу компоновки фермы входит определение ее рациональной схемы с учетом ряда требований: экономичности по затрате металла, простоты изготовления, транспортабельности, требований унификации и типизации. Эти требования часто входят в противоречия между собой, поэтому необходимо 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 возрастают длина решетки и ее масса. Наименьшая масса фермы достигается, когда масса поясов примерно равна массе решетки. Теоретическое значение отношения высоты к пролету для ферм наименьшей массы довольновелико: hопт / l= ¼ - ⅙. Изготовленные на заводе отправочные элементы ферм в случае доставки их к месту монтажа железнодорожным транспортом должны иметь высоту не более 3900 мм.

                Таким образом оптимальные по затрате металла фермы пролетом более 18 м уже получаются негабаритными для перевозки. Фермы высотой более 3900 мм приходится собирать на месте монтажа, а это усложняет и удорожает строительство. Выгоднее сделать более тяжелую фермус отношением h/l до ⅟10, но габаритную по условиям перевозки.

                При компоновке схем ферм важнейшее значение придается удовлетворениютребований унификации и типизации для снижения стоимости и трудоемкости заводских и монтажных работ. Например, ширина стандартных сборных железобетонных плит для покрытия промышленных зданий диктует постоянный размер панелей ферм независимо от пролета; сопряжение ферм с колоннами в многопролетных зданиях требует одинаковой конструкции опорного узла и высоты на опоре ферм разных пролетов; применение сборочных кондукторов, упрощающих изготовление однотипных конструкций, возможно при полном подобии узлов фермы и т.д.

                В соответствии с этими требованиями рациональные схемы ферм получаются, если: отношение высоты к пролету принимается h/ l= ⅟ 7 - ⅟10; фермы пролетом до 36-42 м имеют высоту не более 3900 мм; угол наклона раскосов в пределах 33 - 55⁰.

Типы сечений стержней ферм

                Легкие фермы пролетом до 36 - 42 м с наибольшими продольными усилиями в стержнях до 5000 кН большей частью делают с сечениями элементов из парных уголков. Комбинируя состав сечения их равнобоких уголков или из неравнобоких, соединенных малыми или большими полками, получают равноустойчивое в обеих плоскостях сечение, хорошо работающее на продольную силу.

                В узлах стрежни соединяются при помощи листовых фасонок открытыми, хорошо доступными швами (рис.2, а). Фермы с элементами их гнутых профилейна 10-15% легче, чем фермы из уголков (рис.2, б). Такие профили небольшой мощности поставляет металлургическая промышленность, а более мощные изготовляют на гибочных прессах заводы металлических конструкций.

                Наиболее рациональной формой сечения элементов ферм является трубчатое сечение; фермы из труб экономичны по массе, хорошо сопротивляются коррозии (рис.2, в).

                Весьма рациональна конструкция фермы с применением разных марок сталей: элементы, имеющие большие усилия (пояса, опорные раскосы), проектируют из стали повышенной прочности, а остальные слабонагруженные элементы решетки – из обычной углеродистой стали.

                Фермы из алюминиевых сплавов применяются редко, их элементы изготовляют из специальных прессованных профилей, гнутых листов или труб.

                Сечения элементов тяжелых ферм с усилиями в стержнях свыше 5000 кН обычно принимаются составными из сварных двутавров или прокатных профилей. Большие усилия в стержнях легче передаются в узлы через две фасонки, поэтому такие фермы называют двухстенчатыми. Тяжелые фермы применяют для перекрытия больших пролетов.

Рис. 2 Типы сечений стержней ферм

а – из прокатных уголков; б – из гнутых профилей; в – из труб