20. Расчетные длины сжатых стержней, порядок подбора сечения, предельные гибкости.

9.3. Типы сечений стержней ферм

9.3.1. Стержни легких ферм. Наиболее распространенные типы сечений элементов легких ферм показаны на рис. 9. 11.

рис. 9.11. Типы сечений стержней легких ферм: а – трубчатое, б – гнутозамкнутое, в – д – уголки, е – одиночные уголки, и = широкополочные двутавры, к – разрезка двутавры.

Определение расчетной длины стержней. В момент потери устой­чивости сжатый стержень выпучивается, поворачивается вокруг центров со­ответствующих узлов и вследствие жесткости фасонок заставляет поворачи­ваться и изгибаться в плоскости фермы остальные стержни, примыкающие к этим узлам (рис. 9.14).

рис. 9.14. Схема деформаций стержней при потере устойчивости сжатого стержня

Примыкающие стержни сопротивляются изгибу и повороту узла и этим препятствуют свободному изгибу стержня, теряющего устойчивость. Наи­большее сопротивление повороту узла оказывают растянутые стержни, поскольку их деформация от изгиба ведет к сокращению расстояния между узлами, между тем как от основного усилия это расстояние должно увеличиваться. Сжатые же стержни слабо сопротивляются изгибу, так как деформации от поворота и осевого усилия направлены у них в одну сторону и, кроме того, они могут терять устойчивость одновременно.

Таким образом, чем больше растянутых стержней примыкает к сжатому стержню и чем они мощнее, т.е. чем больше их погонная жесткость, тем выше степень защемления стержня и меньше его расчетная длина; влиянием сжатых стержней на защемление можно пренебречь.

Сжатый пояс оказывается слабо защемленным в узлах, так как с каждой стороны к нему примыкает только по одному растянутому раскосу, погонная жесткость которых значительно меньше погонной жесткости пояса. Поэтому можно принимать его расчетную длину равной расстоянию между смежными узлами.

К сжатым стержням решетки в верхнем узле примыкает растянутый раскос, а в нижнем узле — растянутые панели нижнего пояса и раскос (см. рис. 9.14). Здесь степень защемления значительно больше, и отношение τ получается небольшим, близким к 0,5, что дает значение коэффициента μ. = 0,77.

По нормам коэффициент приведения длины μ. элементов решетки из уголков в плоскости фермы установлен равным 0,8. Таким образом, рас­четная длина l_x = 0,8l в плоскости фермы определяется с некоторым запасом, в особенности для средних раскосов, жесткость которых по сравнению с примыкающими стержнями невелика.

Исключение составляет опорный восходящий раскос, условия работы ко­торого в плоскости фермы такие же, как и у верхнего пояса, вследствие чего расчетная длина опорного раскоса в плоскости фермы принимается равной расстоянию между центрами узлов.

Расчетная длина пояса в плоскости, перпендикулярной плоскости фермы, принимается равной расстоянию между узлами, закрепленными связями от смещения из плоскости фермы.

В беспрогонных покрытиях верхний пояс стропильных ферм закреплен в плоскости кровли жесткими плитами или панелями настила, прикреплен­ными к поясам ферм в каждом узле. В этом случае за расчетную длину пояса из плоскости фермы можно принимать ширину одной плиты.

Расчетная длина стержней решетки при выгибе их из плоскости фермы принимается равной расстоянию между геометрическими центрами узлов, так как фасонки весьма гибки из плоскости фермы и должны рассматриваться как листовые шарниры.

В трубчатых фермах с бесфасоночными узлами расчетная длина раскоса как в плоскости, так и из плоскости фермы с учетом повышенной крутильной жесткости замкнутых сечений может приниматься равной 0,9.

В других случаях расчетные длины элементов ферм принимаются по нормам.

Предельные гибкости стержней. Элементы конструкций, как правило, должны проектироваться из жестких стержней. Особенно существенное значение гибкость λ имеет для сжатых стержней, теряющих устойчивость при продольном изгибе.

Даже при незначительных сжимающих усилиях гибкость сжатых стер­жней не должна быть слишком большой. Очень гибкие стержни легко ис­кривляются от случайных воздействий, провисают от собственного веса, в них появляются нежелательные эксцентриситеты, они вибрируют при дина­мических нагрузках. Поэтому для сжатых стержней устанавливается предельная наибольшая гибкость, которая является такой же нормативной величиной, как и расчетное сопротивление.

Значение предельной гибкости [λ], установленное в нормах, зависит от назначения стержня и степени его загруженности , где N - расчетное усилие, — несущая способность стержня:

сжатые пояса, а также опорные стойки и раскосы,

передающие опорные реакции – 180 - 60α

прочие cжатые стержни ферм – 240 - 60α

сжатые стержни связей - 200

При этом α принимается не менее 0,5.

Растянутые стержни конструкции также не должны быть слишком гиб­кими, так как они могут погнуться при транспортировании и монтаже.

Особенно важно, чтобы стержни имели достаточную жесткость в конст­рукциях, подверженных динамическим воздействиям (для предотвращения вибрации стержней).

Для растянутых стержней ферм, подвергающихся непосредственному дей­ствию динамической нагрузки, жестко установлены следующие значения предельной гибкости:

растянутые пояса и опорные раскосы - 250

пройме растянутые стержни ферм - 350

растянутые стержни связей - 400

В конструкциях, не подвергающихся динамическим воздействиям, гибкость растянутых стержней ограничивают только в вертикальной плоскости (чтобы предотвратить чрезмерное их провисание), установив для всех растянутых стержней предельную гибкость [λ] = 400.

Подбор сечений элементов ферм

В фермах из прокатных и гнутых профилей для удобства комплектования металла принимается обычно не более 5—6 калибров профилей.

Для снижения расхода стали целесообразно, особенно при больших уси­лиях, наиболее нагруженные элементы ферм (пояса, опорные раскосы) про­ектировать из стали повышенной прочности, а прочие элементы — из обыч­ной стали.

Выбор стали для ферм производится в соответствии с нормами.

Подбор сечений элементов ферм удобно оформлять в табличной форме

1. сечение

2. усилие

3. А см²

4. i_x

5. i_y

6. l_efx

7. l_efy

8. λ_x

9. λ_y

10. φ_min

11. γ_c

12. σ_сж

13. σ_раст

14. α

15. [λ]

16. R_y*γ_c

Подбор сечений сжатых элементов. Предельное состояние сжатых элементов ферм определяется их устойчивостью, поэтому проверка несущей способности этих элементов выполняется по формуле (см. гл. 2)

(9.8)

Формула содержит два неизвестных: площадь сечения А и коэффициент (р , являющийся функцией гибкости λ = l_ef/i и типа сечения (см. прил. 8).

Для подбора сечения необходимо наметить тип сечения, задаться гиб­костью стержня, определить коэффициент φ и найти требуемую площадь сечения

При предварительном подборе можно принять для поясов легких ферм λ = 60—80 и для решетки λ = 100—120. Большие значения гибкости принимаются при меньших усилиях.

По требуемой площади подбирается по сортаменту подходящий профиль, определяются его фактические геометрические характеристики A, ix, iy, находятся λ_x = l_x/i_x, λ _y= l_y/i_y. По большей гибкости уточняется коэффициент φ и проводится проверка устойчивости по формуле (9.8). Если гибкость стержня предварительно была задана неправильно и проверка по­казала перенапряжение или значительное (больше 5—10%) недонапряжение, то проводят корректировку сечения, принимая промежуточное между предварительно заданным и фактическим значениями гибкости. Обычно второе приближение достигает цели.

Для элементов из уголков разработан метод прямого подбора сечений.

Подбор сечения растянутых элементов. Стали с нормативным пределом текучести R_yn <=44 кН/см имеют раз­витую площадку текучести, поэтому, как правило, несущая спо­собность элементов из таких сталей проверяется исходя из условия развития пластических деформаций по формуле

,

где А_п — площадь сечения нетто.

В практике проектирования расчет растянутых элементов обычно про­водится по формуле (9.10).

При этом следует отметить, что если при проверке устойчивости ослаб­ление сечения (например, отверстиями для болтов) не учитывается, посколь­ку теряет устойчивость весь элемент и местные напряжения не влияют на его предельное состояние, то при проверке растянутого элемента, когда не­сущая способность определяется напряжениями, возникающими в наиболее слабом сечении, необходимо учитывать возможные ослабления сечения и принимать площадь нетто.

Требуемая площадь нетто растянутого элемента определяется по формуле

Затем по сортаменту выбирается профиль, имеющий ближайшее большее значение площади (если сечение не ослабляется отверстиями). Проверка принятого сечения в этом случае является формальной.