Общие сведения

Форма очертания ферм в основном зависит от их назначения, нагрузок, типа кровли, статической схемы работы и т.д. По очер­танию поясов наиболее распространены фермы треугольного очер­тания, трапецеидального очертания, полигонального очертания и с параллельными поясами (рис. 9.2). Наиболее рациональными являются такие очертания, которые больше всего повторяют эпюру «М», построенную для балки, от таких же нагрузок, которые приложены к ферме. Поэтому от действия равномерно распреде­ленной нагрузки при прочих равных условиях (пролетах и т.п.) бо­лее экономичными по расходу материала будут фермы арочного очертания.

Наиболее распространенные системы решеток приведены на рис. 9.3. От системы решетки, принятой в ферме, зависит вес фер­мы, трудоемкость ее изготовления, внешний вид. Наибольшее рас­пространение получили треугольная система и раскосная система решетки. Треугольная решетка может дополняться стойками и под­весками (рис. 9.3, б, в, г). Особенностью раскосной решетки явля­ется то, что все раскосы имеют усилия одного знака, а стойки — противоположного. При восходящем направлении раскосов стой­ки сжаты, а при нисходящем они растянуты (рис. 9.3, д).

Железобетонные фермы и некоторые стальные (тяжелые сталь­ные фермы для мостов) могут выполняться безраскосными (рис. 9.4). Узлы безраскосной фермы выполняются жесткими. Без­раскосные фермы рассчитываются при помощи ЭВМ.

Высоту ферм принимают h = C/₅—^,/₄)l, высоту ферм с парал­лельными поясами и трапецеидальных ферм h = ('/₆—'/₈)/, наклон раскосов составляет 35—45°.

9.1.2. Стальные фермы: область распространения и простейшие конструкции

Стальные фермы в зависимости от пролета и величины дей­ствующей на них нагрузки подразделяются на легкие и тяжелые. Легкие предназначены для перекрытия пролетов в зданиях отно­сительно небольшого пролета, они воспринимают в основном ста­тические нагрузки (/ < 50 м; нагрузка до 500 кН), тяжелые — мос­товые фермы, способны перекрывать пролеты до 100 м и выдер­живать динамические нагрузки от транспорта. В дальнейшем будут рассматриваться только легкие стальные фермы.

Легкие стальные фермы разработаны для пролетов 18, 24, 30, 36 м, могут проектироваться пролетом 42 м. Наиболее целесооб­разно легкие фермы использовать пролетами 24—42 м, в этом случае они получаются наиболее экономичными. В унифицирован­ных фермах размер панелей принят 3000 мм, высота 2250, 2400, 3150 мм. Для уменьшения прогибов выполнен строительный подъем 1,5%. Опорами легких ферм служат стальные или желе­зобетонные колонны. Соединение ферм с колоннами часто про­ектируют шарнирным (рис. 9.5).

При проектировании ферм учитывают габариты грузов, кото­рые могут перевозиться по железной дороге (высота конструкций не должна превышать 3,8 м, ширина 3,2 м, длина 13 м при транс­портировании на одной платформе). В связи с этим часто фермы выполняются расчлененными на отправочные элементы, которые собираются на месте перед монтажом.

Металлические фермы, особенно большой длины, достаточно гибки и легко могут терять устойчивость под действием нагруз­ки, если не обеспечить пространственную жесткость всего покры­тия. Пространственную жесткость обеспечивают постановкой го­ризонтальных и вертикальных связей, в обеспечении жесткости участвуют прогоны и плиты покрытия (рис. 9.6).

9.1.3. Деревянные и металлодеревянные фермы: область распространения и простейшие конструкции

Деревянные фермы применяются в покрытиях гражданских и промышленных зданий, пролет которых более 9 м, так как наслонные стропила при больших пролетах передают значительный распop на стены и в связи с этим применяться не могут. Пролеты деревянных ферм назначаются от 9 до 36 м, иногда больше.

Учитывая, что в конструкциях на растяжение древесина рабо­тает хуже, чем на сжатие, наиболее ответственными элементами в деревянных фермах являются растянутые стержни. В современных конструкциях ферм растянутые деревянные стержни обычно заменяются металлическими стержнями, и получают в этом слу­чае металлодеревянную ферму. Металлодеревянные фермы часто выполняются с клееным верхним поясом и клееными сжатыми стержнями.

Наиболее выгодное с точки зрения работы очертание поясов (наиболее экономичное) — арочное или сегментное. Для скатных крыш часто выполняют фермы треугольного очертания с раскос­ной решеткой, при этом раскосы решетки направляют так, чтобы длинные оказывались сжатыми, а короткие растянутыми.

В фермах из цельной древесины пояса и раскосы при соеди­нениях на врубках могут выполняться прямоугольного (из бруса) или круглого сечения (из бревен). Так как цельная древесина ' ограничена по длине размерами сортамента, отдельные части фер­мы стыкуют при помощи накладок на нагелях. В ферме, изобра­женной на рис. 9.7, растянутые стойки выполнены из стали круг­лого сечения. Применение стальных элементов для растянутых стоек и укрепление опорных узлов стальными элементами позво­ляют более простыми методами осуществить изготовление фермы, но вместе с тем возможны варианты выполнения полностью де­ревянных ферм. Для улучшения работы (уменьшения прогибов) ферме придается строительный подъем

На рис. 9.8 показана конструкция металлодеревянной сегмент­ной фермы пролетом 24 м. Подобного типа фермы индустриальны, и по сравнению с другими деревянными фермами у них мень­ший расход древесины. Деревянные фермы с криволинейным очертанием верхнего пояса относительно легкие, имеют неболь­шое число монтажных элементов, и достаточно просто решаются их узлы. Верхний пояс изображенной фермы выполнен из клееной древесины. Стыки верхнего пояса перекрываются деревянными брусчатыми накладками на болтах. Прикрепление раскосов осу­ществлено на болтах через металлические накладки. Нижний пояс фермы выполнен из прокатных уголков.

Расчет деревянных ферм в настоящем учебнике не приводит­ся; ниже (см. параграф 9.2.4) даются некоторые особенности про­ектирования деревянных ферм.

Железобетонные фермы применяют при пролетах 18, 24, 30 м. Железобетонные фермы тяжелые, в изготовлении трудоемки, их применение оправдано только с точки зрения экономии металла (расход стали примерно в два раза меньше по сравнению со сталь­ными фермами). По стоимости они значительно дороже стальных и деревянных ферм. Некоторые конструкции железобетонных ферм приведены на рис. 9.9.

Для железобетонных ферм часто принимают арочное или сег­ментное очертание поясов. Это связано с тем, что при таком очер­тание решетка ферм испытывает незначительные усилия, так как форма верхнего пояса приближается к кривой давления (работает I как арка). Высота железобетонных ферм в середине пролета при-| нимается ('/₇—'/₉)/. Решетка выполняется либо совместно с бетони-' рованием поясов фермы, либо из заранее изготовленных железо­бетонных элементов с выпусками арматуры, которые устанавлива­ются в* ферму перед бетонированием поясов и утапливаются в узлы на 30—50 мм. Ширина сечения верхнего и нижнего поясов и ширина решетки, в случае ее изготовления одновременно с пояса­ми, принимается одинаковой (200—250 мм — при шаге ферм 6 м, 300—350 мм — при шаге ферм 12 м). Железобетонные фермы вы­полняются с раскосами или без раскосов. Безраскосные железобе­тонные фермы тяжелее, но их изготовление более технологично.

9.1.4. Железобетонные фермы: область распространения и конструкции

Для изготовления ферм принимают бетон классов В30—В50. Ниж­ний пояс ферм выполняется предварительно напряженным. Пред­варительно напряженная арматура охватывается замкнутыми конст­руктивными хомутами, устанавливаемыми с шагом 500 мм. Все ос­тальные элементы обычно армируются ненапрягаемой арматурой в виде сварных каркасов, вместе с тем бывают варианты изготовления ферм с предварительным напряжением растянутых элементов решет­ки. Для лучшей передачи усилий между элементами в узлах создают уширения — вуты. Опорные узлы ферм дополнительно армируют продольной ненапрягаемой арматурой и поперечными стержнями, обеспечивающими прочность узла по наклонному сечению и надеж­ность анкеровки предварительно напряженной арматуры.

Для крепления фермы к колоннам, крепления плит покрытия и в других случаях в ферме предусматриваются закладные детали. Пример армирования сегментной железобетонной фермы проле­том 24 м приведен на рис. 9.10. Расчет железобетонных ферм в настоящем учебнике не приводится.

9.2. Расчет и конструирование ферм

9.2.1. Общий порядок расчета ферм

1. Перед расчетом ферм принимают материал, из которого они будут изготавливаться, очертание поясов, систему решетки, при

этом все принятые параметры должны быть увязаны с конструктивными особенностями перекрываемого здания и сооружения. 1. Собирают нагрузки, приходящиеся на узлы фермы. При сбо­ре нагрузок учитывают собственный вес фермы и вес связей. Соб­ственный вес учитывается в зависимости от материала фермы и принимается ориентировочно.

3. Определяют усилия в стержнях фермы. При определении
усилий пользуются любым способом, рассматриваемым в техни­ческой механике, наиболее простым можно считать построение

диаграммы Максвелла — Кремоны.

4. Производят подбор сечения стержней фермы. Расчет сече­ния стержней проводится с учетом материала, из которого они выполнены. При расчете стержни рассматриваются как централь­но-растянутые и центрально-сжатые элементы (в железобетонных фермах сжатые стержни считаются внецентренно сжатыми).

5. Производят расчет прикрепления стержней фермы в узлах. Конструкция узлов и, соответственно, расчет прикрепления стер­жней в узлах зависят от материала фермы.

6. Выполняют окончательное конструирование фермы. При окончательном конструировании сечения стержней (для уменьше­ния типоразмеров элементов) и конструкция узлов могут быть изменены, но не в ущерб их прочности.

Из приведенного порядка видно, что расчет фермы от сбора нагрузок и выбора материала до разработки рабочих чертежей — довольно сложный и трудоемкий инженерный расчет, особенно без использования ЭВМ. В рамках данного учебника расчет ферм в основном будет сведен к подбору сечения стержней стальных ферм из прокатных уголков. В параграфе 8.1.3 рассмотрено при­крепление стержней стальных ферм сварными швами к фасонкам (см. пример 8.2).

9.2.2. Особенности расчета стальных ферм

Проектируя сечение стержней фермы, необходимо учитывать особенности, возникающие в зависимости от материала, из кото­рых они изготовляются. Для стальных ферм наиболее распро­страненными являются сечения стержней из двух спаренных угол­ков или трубчатые (рис. 9.11). Трубчатое сечение стержней эко­номичнее по расходу материала, чем сечение из уголков, но фермы с такими стержнями более трудоемки в изготовлении.

В качестве геометрической длины стержней / принимают рас­стояние между центрами узлов. При расчете поясов ферм на ус­тойчивость в плоскости, перпендикулярной плоскости фермы, учитывают расстояние между точками их закрепления /, (для вер­хнего пояса — это расстояние между приваренными к поясу пли­тами покрытия, или прикрепленными к нему прогонами; для нижнего пояса — это расстояние между связями; для элементов решетки — это расстояние между центрами узлов фермы).

Для расчета устойчивости стержней ферм устанавливаются их расчетные длины 1_Ф которые учитывают характер возможного из­гиба стержней и конструктивные особенности прикрепления стер­жней в узлах. Расчетные длины стержней принимаются в соответ­ствии с требованиями табл. 11 СНиП Н-23-81*. Так, например, для элементов решетки (кроме опорных раскосов и стоек) расчет­ная длина в плоскости фермы /_р/х = 0,8/; в плоскости, перпенди­кулярной плоскости фермы, j^, = / (где / — геометрическая длина стержня).

На рис. 9.12 показана конструкция стержня фермы, выполнен­ного из двух спаренных уголков. Такой стержень может воспри­нимать растягивающие и сжимающие нагрузки.