8. Расчет и конструирование железобетонных предварительно напряженных ферм

По очертанию поясов и решетки железобетонные фермы бывают сегментные, арочные, полигональные, безраскосные, фермы-балки. Очертание фермы задается схемой, приведенной в задании на курсовой проект. Решетка выбирается автором проекта.

Цельные фермы применяют при пролетах до 24 м включительно. При больших пролетах фермы изготавливают из двух полуферм или из линейных элементов.

В качестве материалов обычно применяют бетон класса В30В40 и выше, а также стержневую, проволочную и канатную арматуру, натягиваемую на упоры или на бетон (чаще – на упоры механическим способом).

Предварительные размеры ферм лучше назначать, ознакомившись с типовыми конструкциями. Высота ферм по середине пролета принимается равной 1/71/9 пролета. Высота опорного участка принимается не менее 800 мм. Размеры панелей обычно назначают по 3 м, стремясь избежать воздействия внеузловой нагрузки. Минимальная высота сечений решетки – 100 мм. В цельных фермах минимальная ширина сечений поясов 1/701/80 пролета и не менее 220 мм при 6-метровом шаге или 280 мм при 12-метровом шаге ферм.

Решетку и пояса в цельных фермах рекомендуется выполнять одинаковыми по ширине (для упрощения опалубочных форм).

Расчетная схема ферм всех типов, кроме безраскосных, – ферма с шарнирными узлами. Безраскосная ферма рассчитывается как рама с жесткими узлами. Данные по расчету и конструированию таких ферм содержатся в [12], [13].

Нагрузками на ферму являются постоянные нагрузки от собственного веса ферм и плит покрытия, усилия от предварительного напряжения арматуры, снеговые, монтажные, транспортные. Для ферм, имеющих двухскатное очертание, или ферм с фонарями необходимо учитывать, согласно [3], неравномерность распределения снеговой нагрузки.

Усилия в стержнях ферм с шарнирными узлами определяются путем построения диаграммы Максвелла–Кремоны или методом вырезания узлов.

Фермы рассчитывают также на усилия при монтаже и перевозке, но в проекте разрешается этот раздел не выполнять.

Верхний пояс при узловой передаче нагрузки рассчитывается как внецентренно сжатый элемент с учетом случайного эксцентриситета. При внеузловом опирании плит на ферму в ее верхнем поясе возникнут изгибающие моменты от местного изгиба. При определении их верхний пояс можно рассматривать как неразрезную балку, опорами которой являются узлы фермы. В фермах сегментного или арочного очертания расчетной схемой верхнего пояса является многопролетная балка, получающаяся, если спроектировать верхний пояс на горизонтальную ось. Величины изгибающих моментов могут быть определены с помощью таблиц для расчета неразрезных балок. Продольные усилия уже получены в результате расчета ферм (по диаграмме Максвелла–Кремоны или другим способом). Верхний пояс и в этом случае рассчитывается как внецентренно сжатый элемент с учетом случайного эксцентриситета. При ( для прямоугольных сечений) необходимо учесть влияние прогиба на несущую способность элемента. Расчетная длина элементов верхнего пояса принимается в соответствии с п. 3.55 [5].

Необходимо также выполнить проверку прочности из плоскости изгиба. При этом необходимо обратить внимание, что расчетные длины элементов будут другими, нежели при расчете в плоскости изгиба.

Раскосы и стойки рассчитываются в зависимости от знака продольного усилия на внецентренное сжатие с учетом случайного эксцентриситета или на центральное растяжение. В растянутых раскосах необходимо выполнить расчет ширины раскрытия трещин.

Нижний пояс рассчитывается как предварительно напряженный центрально растянутый элемент. Площадь сечения предварительно напряженной арматуры определяется по наибольшему расчетному усилию в нижнем поясе. При определении потерь предварительного напряжения следует руководствоваться указаниями пп. 2.262.32 [6]. Размеры поперечного сечения нижнего пояса, назначенные в стадии эскизного проектирования, уточняются из условия размещения пучков, проволок, канатов и стержней. При этом необходимо выдерживать в свету минимальные расстояния: для стержней диаметрами 18 мм – 60 мм, 2022 мм – 70 мм, 2528 мм – 80 мм, более 80 мм – 95 мм; для канатов диаметром 12 или 15 мм – 60 мм в направлении бетонирования и 45 мм в направлении, перпендикулярном бетонированию, а для канатов диаметром 9 мм – соответственно 45 и 30 мм. Канаты диаметром 9 мм можно располагать попарно.

Нижний пояс необходимо рассчитать по образованию и раскрытию трещин в соответствии с рекомендациями пп. 4.9 и 4.10 [5] с учетом обжатия преднапряженной арматурой.

Расчет прочности при центральном обжатии элемента может не производиться, п. 3.22 [6].

Вуты необходимы для обеспечения надежной анкеровки растянутой и сжатой арматуры решетки, и размеры их назначаются по этим соображениям. Длина зоны анкеровки назначается по указаниям пп. 5.175.21 [6]. При невозможности обеспечить анкеровку запуском необходимо осуществить анкеровку конструктивными мероприятиями. Вуты армируются окаймляющей арматурой диаметром 1016 мм (и не менее 12 мм при усилиях более 360 кН). Поперечная арматура в вутах ставится чаще, чем в элементах решетки (с шагом 100150 мм). Поперечная и окаймляющая арматура должны соединяться между собой.

Опорные узлы в фермах, нижний пояс которых армируется с натяжением на бетон, усиливаются косвенной арматурой, устанавливаемой у торца узла. Расчет на местное сжатие производится по указаниям пп. 3.81 и 3.82 [5]. Количество сеток не менее 4. При натяжении арматуры на упоры необходимо подобрать поперечную арматуру узлов в виде сеток или поперечных стержней из расчета прочности опорного узла по наклонному сечению. В курсовом проекте разрешается этот расчет не выполнять.

В опорном узле в зоне анкеровки напрягаемой арматуры устанавливается ненапрягаемая арматура в количестве

, (82)

где N – усилие в панели нижнего пояса. Арматура заводится в первую панель нижнего пояса на длину зоны анкеровки. Охватывающие ее поперечные стержни должны быть защищены слоем бетона не менее 40 мм и не менее 1,5 диаметров.

Для предотвращения разрушения от растягивающих усилий опорный узел должен иметь поперечные стержни, надежно приваренные к закладным деталям, площадью

. (83)

Коэффициент Пуассона принимается равным 0,2.

Пример конструирования фермы приведен на рис. 1.13–1.15.

Рис. 1.13. Конструкция сегментной фермы

Рис. 1.14. Конструкция узлов фермы

Рис. 1.15. Конструктивные элементы фермы