21 Стальные фермы. Общая характеристика. Классификация

Фермами называют решетчатые конструкции, составленные, как правило, из прямолинейных элементов и сохраняющие геометрическую неизменяемость даже после замены жестких узлов шарнирными. Последнее связано с малой изгибной жесткостью всех элементов ферм, допуском пластической работы стали вблизи узлов и поворотом сечений, что свойственно шарнирам. Это позволяет учитывать в стержнях только продольные силы, значительно упростить статический расчет при приложении нагрузки в центрах узлов и дает достаточно надежные результаты. Работа элементов ферм на растяжение–сжатие всем сечением более выгодна, чем в балках. Но трудоемкость изготовления ферм выше

Классифицировать фермы можно по разным признакам.

1. По статической схеме

Статическая схема ферм зависит от их роли в сооружении. Если фермы заменяют балку, то их называют балочными. Они в соответствии со статической схемой заменяемой балки бывают разрезные, неразрезные, консольные

2. По способу соединения элементов

фермы бывают сварные и клепаные. В

настоящее время большинство ферм выполняется сварными. Но монтажные стыки могут осуществляться на высокопрочных или обычных болтах.

3. По конструкции

фермы делятся (достаточно условно) на легкие и тяжелые.

Отличаются они конструкцией узлов (количеством плоских соединительных элементов – фасонок в узле) и сечений элементов. Если фасонок в узле одна или их нет, фермы считаются легкими. В них сечения обычно выполняются из уголков. Если фасонок две или больше, фермы считаются тяжелыми. Сечения в них выполняются из двутавров, швеллеров, листов и уголков.

4. Фермы бывают плоскими и пространственными. Все элементы плоских ферм находятся в одной плоскости. Они могут воспринимать нагрузку, лежащую только в этой плоскости. Устойчивость сжатых элементов плоских ферм из их плоскости обеспечивается связями. Элементы пространственных ферм лежат в разных плоскостях и могут воспринимать нагрузку разных направлений (например, сетчатые купола). Пространственные фермы могут образовываться из системы пересекающихся плоских ферм (их называют структурами).

Применение стальных ферм очень разнообразно – это мосты (как правило, фермы тяжелого типа); покрытия промышленных и общественных зданий (фермы стропильные, связевые, подстропильные, подкрановые и другие, – последние два типа, а также большепролетные могут быть тяжелыми); фермы башен и мачт различного назначения; фермы передвижных подъемных кранов (башенных, козловых); несущие конструкции транспортных галерей и др.

23.Очертания стальных ферм.

Стальные фермы состоят обычно из поясов и решетки. Очертание поясов зависит от назначения фермы, действующей нагрузки и смежных элементов конструкций. Пояса фермы должны воспринимать момент от действующей на заменяемую фермой балку, раму, арку нагрузки.

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).

Рис. 14.4. Фермы треугольного очертания: а – с нисходящими раскосами; б – из двух ферм с приподнятым нижним поясом; в – консоль  – пролет фермы.

Учитывая необходимость достаточной высоты фермы на опоре для создания жесткого соединения с колонной получили распространение трапецеидальные фермы (отправочная единица – полуферма – имеет очертание трапеции, рис. 14.5, а).

Для создания уклона кровли могут применяться односкатные фермы (рис. 14.5, б).

В отдельных случаях для сооружения необходимо параллельное очертание поясов ферм (рис. 14.5, в) Например:

● в фермах, поддерживающих междуэтажное перекрытие, пояса удобно располагать в пределах высоты перекрытий;

а

   ● связевые фермы обеспечивают устойчивость сжатых верхних поясов и располагаются между двумя рядом стоящими стропильными фермами, если уклон кровли создается за счет разного уровня опор, а пояса остаются параллельными.

Пояса ферм (в общем) воспринимают момент, поэтому очертания их поясов выгодно иметь подобными очертанию эпюры моментов. При самой распространенной – равномерно распределенной нагрузке – эпюра моментов имеет вид параболы. Но гнутые элементы стальных конструкций изготовлять трудно, тем более переменной кривизны. Если узлы ломаного верхнего пояса расположить на круговой кривой (близкой к параболе) на одинаковых расстояниях (рис. 14.6), то создаются благоприятные условия для унификации сечений поясов, а для верхнего пояса – и длины элементов. Такие фермы называют полигональными (рис. 14.6, а).

Рис. 14.6. Разновидности полигональных ферм

 Унификация узлов в них плохая, трудоемкость высокая, поэтому они применяются только при больших пролетах (60¸100 м), когда выгодное очертание поясов окупает некоторое усложнение конструкции. Высота полигональных ферм в пролете может быть H = ¸ L. Высота их на опоре по осям стержней может быть равна 0 или больше, например, для создания жесткого соединения с колоннами (рис. 14.6, б).