20. Легкие фермы, их очертание, генеральные размеры, типы решеток.

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

Основными элементами ферм являются пояса, образующие контур фер­мы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек (рис. 9.2).

рис. 9.2. 1 – верхний пояс, 2 – нижний пояс, 3 – раскосы, 4 – стойки.

Расстояние между соседними узлами поясов называется панелью

(d_B — панель верхнего пояса, d_H — нижнего), а расстояние между опорами — пролетом (l).

Соединение эле­ментов в узлах осуществляется путем непосредственного примыкания одних элементов к другим (рис. 9.3,а) или с помощью узловых фасонок (рис. 9.3,б).

Рис. 9.3. Узлы ферм: а – с непосредственным примыканием, б – на фасонках.

Пояса ферм работают в основном на продольные усилия и момент (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".

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 очертанию поясов — фермы с параллельными поясами, трапециевидные, треугольные, полигональные, сегментные (рис. 9.6);

Рис. 9.6. Очертания поясов ферм: а – сегментное, б – полигональное, в – трапециидальное, г – с параллельными поясами, д – и – треугольное.

по системе решетки — треугольная, раскосная, крестовая, ромбическая и др. (рис. 9.7);

Рис. 9.7. 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; и — ромбическая; к — полураскосная

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).

Определение генеральных размеров ферм. Определение пролета ферм. Пролет или длина ферм в большинстве случаев определяются эксплуатационными требованиями и общекомпоновочным решением сооружения и не могут быть рекомендованы по усмотрению конструктора.

В случаях когда пролет конструкции не диктуется технологическими требованиями (например, эстакады, поддерживающие трубопроводы и т.п.), он должен назначаться на основе экономических соображений с тем, чтобы суммарная стоимость ферм и опор была наименьшей.

Определение высоты треугольных ферм. В треугольных фермах (см. рис. 9.6,3) высота является функцией пролета и уклона кровли, которые зависят от материала кровли. Обычно треугольные фермы проектируют под кровли, требующие значительных уклонов (25—45°), что дает высоту ферм h ≈ (1,4—1/2)l.

Высота треугольных ферм, как правило, бывает выше требуемой из ус­ловия наименьшего веса фермы, поэтому по расходу стали треугольные фер­мы неэкономичны. Высоту фермы посередине пролета можно уменьшить, придав нижнему поясу приподнятое очертание (см. рис. 9.6,е). Опорный узел при этом не должен быть слишком острым.

Определение высоты трапецеидальных ферм и ферм с параллельными поясами. Если нет конструктивных ограничений, высота ферм может быть принята из условия наименьшего веса фермы, т.е. по экономическим сооб­ражениям. Вес фермы складывается из веса поясов и решетки. Вес поясов уменьшается с увеличением высоты фермы, так как усилия в поясах обратно пропорциональны высоте h.

Вес решетки, наоборот, с увеличением высоты фермы возрастает, так как увеличивается длина раскосов и стоек. Следовательно, может быть най­дена оптимальная высота фермы, при которой общий вес поясов и решетки будет наименьшим.

Расчеты показывают, что при таком подходе оптимальная высота ферм составляет 1/4—1/5 пролета. Это приводит к тому, что уже при пролете 20 м высота фермы получается больше предельной (3,85 м), допустимой по условиям транспортировки. Кроме того, при оптимизации по расходу стали не учитываются увеличение объема помещения и, следовательно, за­траты на его отопление, а также дополнительные затраты на устройство стенового ограждения в пределах высоты фермы.

Размеры панели должны соответствовать расстояниям между элементами, передающими нагрузку на ферму, и отвечать оптимальному углу наклона раскосов. Оптимальный угол наклона раскосов в треугольной решетке со­ставляет примерно 45°, в раскосной решетке — 35°. Из конструктивных соображений — рационального очертания фасонки в узле и удобства при­крепления раскосов — желателен угол, близкий к 45°. При малых углах фасонки получаются слишком вытянутыми, при больших — высокими, что делает их громоздкими и неэкономичными.

В стропильных фермах размеры панелей принимаются в зависимости от системы кровельного покрытия.

Желательно для исключения работы пояса на изгиб обеспечить передачу нагрузки от кровли в узлах фермы. Поэтому в покрытиях из крупнораз­мерных железобетонных или металлических плит расстояние между узлами принимается равным ширине плиты (обычно 1,5 или Зм), а в покрытиях по прогонам — шагу прогонов (обычно от 1,5 до 4 м).

Унификация и модулирование геометрических размеров ферм позволяет стандартизировать как сами фермы, так и примыкающие к ним элементы (прогоны, связи и т.д.). Это приводит к сокращению числа типов размеров деталей и дает возможность при массовом изготовлении конструкций при­менять специализированное оборудование и перейти на поточное производ­ство.

В основу унификации ферм кладется модулирование конструктивно-компоновочных размеров. Унификация ферм должна проводиться по видам со­оружений.

9.2.3. Системы решеток ферм и их характеристика. Решетка ферм ра­ботает на поперечную силу, выполняя функции стенки сплошной балки.

От системы решетки зависят вес фермы, трудоемкость ее изготовления, внешний вид. Решетка должна соответствовать схеме приложения нагрузок, поскольку нагрузки во избежание местного изгиба пояса передаются, как правило, на ферму в узлах.