Сквозных конструкций

Сквозные деревянные конструкции – это решетчатые конструкции, состоящие из поясов или ветвей и связывающих их решетки. К конструкциям данного типа относятся, прежде всего, фермы, но на практике строительства встречаются также сквозные арочные системы, решетчатые колонны. Основные схемы сквозных конструкций приводятся в приложении 2.

В данном разделе рассматриваются вопросы проектирования ферм. Сквозные деревянные конструкции проектируют обычно как статически определимую систему, поскольку в статически неопределимых системах происходит при эксплуатации перераспределение усилий в элементах конструкций вследствие податливости соединений элементов и деформаций древесины от сушки и увлажнения. Сквозные конструкции могут быть безраспорными (балочными) или распорными. Как правило, в покрытиях зданий используются балочные фермы.

Основные материалы для изготовления ферм является клееная или цельная (предпочтительно из брусьев) древесина. Для пролетов до 12 м могут использоваться дощатые фермы на металлических связях, но эти фермы наиболее пожароопасные. При нормальных температурно-влажностых условиях эксплуатации рационально растянутые элементы ферм (нижние пояса, часть элементов решетки) выполнять металлическими. Такие фермы обычно называют металлодеревянными.

Если нагрузка на ферму прикладывается в узлах соединений элементов верхнего пояса и решетки (узловая нагрузка), то ферму можно рассматривать как шарнирно-стержневую систему, в которой от узловой нагрузки в элементах конструкции (верхних и нижних панелях, стойках, раскосах) возникают только продольные усилия, а наиболее опасные внутренние усилия в виде изгибающих моментов отсутствуют. Вследствие этого фермы по расходу материала, как правило, выгоднее балочных конструкций сплошного сечения. В деревянных фермах элементы верхнего пояса воспринимают внеузловую поперечную нагрузку, что приводит к появлению изгибающих моментов. Поэтому в деревянных и металлодеревянных ферм элементы верхнего пояса работают на сжатие с изгибом, а остальные элементы (раскосы, стойки, панели нижнего пояса) работают на центральное растяжение или сжатие.

В решетчатых системах (фермах) применение стоек и раскосов вместо сплошной стенки в балках устанавливается расход материала на конструкцию. Однако в отличии от сплошных балочных конструкций в фермах необходимо применять соединения элементов решетки и поясов, что усложняет конструкцию. Выбор типа конструкции (сплошной или сквозной) делается на основе сравнения технико-экономических показателей.

Наибольшее распространение в России получилисегментные фермы с криволинейным верхним поясом (рис.7.1 и 7.2) и треугольные (рис. 7.3 и 7.4).

Рис 7.1

Рис. 7.2

Рис.7.3

Рис.7.4. Металлодеревянная треугольная ферма с клееным верхним поясом:

а – схема приложения нагрузок; б – общий вид фермы типа МДФ 21-12 (серия 1.863-2, вып. 2), под расчетную нагрузку 12 кН/м;

Для покрытий многопролетных промышленных зданий используются трапециевидные (односкатные и двускатные) ферма (рис.7.5).

Рис.7.5. Общий вид трапециевидной металлодеревянной фермы

с клееным верхим поясом

Сегментные фермы

В современном строительстве применяются чаще всего металлодеревянные сегментные фермы с клееным верхним поясом и нижним поясом из профильной стали (рис.7.2). Верхний пояс очерчен по дуге длиной и разбит на панели крупных размеров.пролеты ферм до 36 м. Отношение высоты ферм по осям поясов к пролету составляет .

Очертание верхнего пояса рассматриваемой фермы близко к кривой давления от нагрузки, равномерно распределенной по всему пролету, поэтому усилия в элементах решетки сравнительно малы. Кроме того, достоинством сегментных ферм является, то используется треугольная решетка и в узлах соединяются два элемента, а чем меньше элементов сходится в узле и чем меньше усилия в них, тем проще конструкция узлов.

Верхний пояс сегментных ферм обычно изготавливается неразрезным (рис.7.6), но в некоторых случаях это невозможно осуществить по условиям технологии изготовления или транспортировки, тогда верхний пояс выполняется из отдельных блоков, соединяемых в узлах (рис.7.2).

Л

Рис.7.6. Металлодеревянная сегментная ферма с неразрезным верхним поясом

В сегментных фермах с неразрезным верхним поясом рекомендуется нижний пояс разбивать на панели одинаковой длины, а верхний пояс следует разбивать так, чтобы первые от опорного узла панели не превышали 0,7 длины остальных панелей одинаковой длины (рис.7.6).

Статический расчет фермы выполняется на два сочетания нагрузок:

1- Постоянная нагрузка и временную снеговую c, которые распределены равномерно по всему пролету;

2- Постоянная нагрузка по всему пролету и временная снеговая нагрузка, приложенная на половине пролета (рис.7.7).

Снеговая нагрузка на горизонтальную проекцию покрытия определяется по схеме 2 приложения 3 СНиП «Нагрузки и воздействия» [2].

Расчетные продольные усилия в элементах ферм определяются от узловой нагрузки методами строительной механики (например, методом врезания узлов). При этом криволинейный верхний пояс заменяется прямолинейным: узлы верхнего пояса заменяется прямыми линиями - хордами.

Рис.7.7 Металлодеревянная сегментная ферма

Верхний пояс рассчитывается как сжато-изгибаемый элемент (рис.7.7) по формуле

, (7.1)

где - рсчетное усилие сжатия в панели верхнего пояса; и - площадь и момент сопротивления сечения верхнего пояса; - изгибающий момент, определяемый по деформируемой схеме.

Изгибающий момент , где -расчетный момент в панели верхнего пояса.

Расчетный момент в панели верхнего пояса вычисляется как сумма моментов от поперечной нагрузки и момента от продольной силы , возникающего за счет выгиба панели.

, (7.2)

В случае разрезного верхнего пояса при загружении его равномерно распределенной нагрузкой (рис.7.7)

(7.3)

Следовательно,

, (7.4)

где - проекция длины панели; - стрела выгиба панели, определяемая по приближенной формуле ; - радиус кривизны верхнего пояса.

В фермах с неразрезным верхним поясом изгибающие моменты в нем от действия поперечной нагрузки определяются как в многопролетной неразрезной балки.

Сжатие раскоса решетки рассчитываются на продольный изгиб с расчетной длиной, равной длине элемента между центрами узлов фермы; растянутые элементы - на центральное растяжение.

Треугольные фермы

При строительстве временных зданий и сооружений, при строительстве сельскохозяйственных зданий пролетом =9-18 мчасто используют фермы треугольного очертания на лобовых врубках. Высота таких ферм между осями поясов .

Для того чтобы обеспечить работу раскосов только на сжатие, в фермах такого типа применяют раскосную решетку с нисходящими раскосами (рис.7.8 и 7.9). Верхний и нижний пояса, а также сжатие раскосы обычно выполняют из брусьев или бревен, а растянутые стойки- из круглой стали.

Расчетные усилия во всех элементах ферм на лобовых врубках определяют при загружении фермы, равномерно распределенной по всему пролету постоянной и снеговой нагрузками. Расчет элементов фермы аналогичен расчету ферм других видов.Отличие лишь в расчете узлов на лобовых врубках. Расчет соединений на лобовых врубках изложен в разделе «Соединения элементов деревянных конструкций».

Рис.7.8. Общий вид и узлы треугольной брусчатой фермы на лобовой врубке

В современном строительстве применяют в основном треугольные металлодеревянные фермы пролетом l=12…24м с клееным верхним поясом и нижним поясом из круглой стали (рис. 7.10). Отношение высоты ферм к пролету принимается равным 1/6-1/7. Клееный пояс в таких фермах выполняется неразрезным на половине пролета. Сжатые элементы решетки изготавливаются обычно из клееной или цельной древесины, растянутые – из круглой стали.

Для уменьшения расчетных изгибающих моментов от поперечной нагрузки в верхнем поясе конструктивно создается изгибающий разгружающий момент обратного знака. Для этого в опорном и коньковом узлах осуществляется упор нижней частью поперечного сечения пояса.

Рис. 7.9 Общий вид и узлы треугольной фермы из бревен на лобовых врубках

Расчет металлодеревянных треугольных ферм ведется на два сочетания постоянной и снеговой нагрузок (рис.7.10). Панели верхнего пояса рассчитывают как сжато-изгибаемые элементы, остальные элементы ферм рассчитываются на центральное растяжение или сжатие.

Контрольные вопросы к главе 7:

7.1. Плоскостные и сквозные конструкции. Особенности работы и область применения.

7.2. Классификация ферм. Металлодеревянные фермы.

7.3. Определение нагрузок на фермы. Основные сочетания нагрузок.

7.4. Определение узловых нагрузок и опорных реакций стропильных ферм.

7.5. Расчёт ферм на узловые нагрузки. Определение расчётных значений продольных сил.

7.6. Методы расчёта ферм.

7.7. Особенности работы верхних поясов стропильных ферм, определение изгибающих моментов.

7.8. Подбор поперечных сечений верхних поясов ферм с учётом влияния изгибающих моментов.

7.9. Подбор сечений растянутых и сжатых элементов ферм.

7.10. Сегментные фермы.

7.11. Треугольные и трапециевидные фермы.