Классификация ферм и области их применения

Фермой называется система стержней (обычно прямолинейных), соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию при шарнир­ных узлах. При узловой нагрузке жесткость узлов несущественно влияет на работу кон­струкции, в первом приближении их можно рассматривать как шарнирные. В этом слу­чае все стержни ферм испытывают только осевые усилия (растяжение или сжатие), что позволяет более полно, чем в сплошной балке, использовать материал.

Фермы экономичнее балок по расходу стали, но более трудоемки в изготовлении. Эффективность ферм по сравнению с балками со сплошными стенками растет с увеличе­нием пролета и уменьшением нагрузки.

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 (рис. 8.1 б).

Основными элементами ферм являются пояса, образующие контур фермы, и ре­шетка, состоящая из раскосов и стоек (рис. 8.2). Соединение элементов в узлах осуще­ствляется путем непосредственного примыкания одних элементов к другим (рис. 8.3, а) или с помощью узловых вставок (фасонок) (рис. 8.3 б). Для снижения узловых моментов элемен­ты ферм центрируются по осям центров тяжести.

Рис. 8.1. Плоская (а) и пространственная (б) фермы

Расстояние между соседними узлами поясов называется панелью (d_B - панель вер­хнего пояса; d_H - нижнего), а расстояние между опорами - пролетом (L).

Рис. 8.2. Элементы ферм: 1 - верхний пояс; 2 - нижний пояс; 3- раскосы; 4 - стойка

Рис.8.3. Узлы ферм: а - с непосредственным примыканием элементов;

б - на фасонках

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

Знак усилия в элементах решетки («минус» - сжатие, «плюс» - растяжение) ферм с параллельными поясами можно определить, если воспользоваться «балочной аналогией».

Построим в балке траектории главных напряжений (рис. 8.4). Раскосы, направлен­ные по линии главных растягивающих напряжений (нисходящие к середине пролета), работают на растяжение, а по линии главных сжимающих (восходящие к середине пролета) - на сжатие.

Рис. 8.4. Траектории главных напряжений в балке

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), транспортных эстакадах, гид­ротехнических затворах, грузоподъемных кранах и т.д.

В зависимости от назначения и нагру­зок фермы могут иметь самую разную кон­структивную форму, и их можно класси­фицировать по различным признакам:

- по статической схеме - балочные (разрезные, неразрезные, консольные), ароч­ные, рамные, комбинированные (рис. 8.5);

- по очертанию поясов - фермы с параллельными поясами, трапециевидные, треуголь­ные, полигональные, сегментные (рис. 8.6);

- по системе решетки - треугольная, раскосная, крестовая, ромбическая и др. (рис. 8.7);

- по способу соединения элементов в узлах - сварные, клепаные, болтовые;

- по величине максимальных усилий - легкие (одностенчатые с сечениями из простых прокатных профилей (при усилии N<= 300 кН)) и тяжелые (двустенчатые с элементами составного сечения (N>3000 кН)).

Рис. 8.5. Системы ферм:

а - балочная разрезная; б - неразрезная; в, е - консольная; г - арочная; д - рамная; ж - комбинированная

Рис. 8.6. Очертания поясов ферм:

а - сегментное; б - полигональное; в - трапецеидальное; г - с параллельными поясами; д-з - треугольное

Рис. 8.7. Системы решетки ферм:

а - треугольная; б - треугольная с дополнительными стойками; в - раскосная с восходящим раскосом; г - раскосная с нисходящим раскосом; д - шпренгельная; е - крестовая; ж -перекрестная; з - ромбическая; и - полураскосная

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.

Эффективность ферм и комбинированных систем можно повысить, создав в них предварительное напряжение.

В фермах подвижных крановых конструкций и покрытий больших пролетов, где умень­шение массы конструкций дает большой экономический эффект, возможно примене­ние алюминиевых сплавов.