Конструктивные решения легких ферм с применением широкополочных двутавров и тавров, одиночных углов, круглых труб, гнутых и гнутозамкнутых профилей.

Фермой называется система стержней 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 растягивающие или сжимающие осевые усилия.

Фермы экономичнее балок по расходу стали, но более трудоемки в изготовлении. Эффективность ферм по сравнению со сплошностенчатыми балками тем больше, чем больше пролет и меньше нагрузка.

Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными. Плоские фермы воспринимают нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении их связями. Пространственные фермы образуют жесткий пространственный брус, воспринимающий нагрузку в любом направлении.

Традиционные фермы со стержнями из парных уголков и узло­выми фасонками господствовали в строительстве длительный период, причем замена заклепок сваркой не изменила конструкцию ферм.

Стремление снизить расход металла и использовать техноло­гию поточного изготовления при высоком уровне механизации и автоматизации привело к созданию ферм нового типа. В этом пункте речь пойдет о фермах с поясами из открытых профилей — одиночных уголков, тавров, двутавров. Для таких ферм харак­терно либо полное отсутствие фасонок и непосредственное сопря­жение стержней, либо резкое сокращение числа фасонок и их габаритов.

Именно бесфасоночные фермы являются наиболее характерными сварными конструкциями, так как только сварка позволяет осуществлять сопряжение элементов без дополнитель­ных деталей.

Стержень из двух уголков заменяется стержнем из одного профиля. В некоторых типах ферм начинают применяться меха­низированные виды сварки, электрозаклепки вместо полуавтома­тической сварки. Все это обеспечивает экономию металла до 8 ... 12 % и существенно снижает трудоемкость изготовления, повы­шает коррозионную стойкость, облегчает эксплуатацию кон­струкций.

Дальнейшее совершенствование ферм с поясами из одиночных уголков, тавров и двутавров пойдет по пути их максимального приспособления для поточного механизированного и автоматизи­рованного изготовления, в особенности для автоматической сварки, использования высокотехнологичных на монтаже фланцевых соединений, приспособления ферм для блочного монтажа.

Фермы с поясами из уголков, тавров и двутавров

Конструкция ферм. Современные типовые фермы — это, как правило, фермы с параллельными поясами и уклоном верхнего пояса до 1,5 %, который обеспечивается за счет строительного подъема; такие уклоны вполне достаточны для стока воды по кровлям из рулонных и мастичных материалов. Рассматриваемые конструкции наименее трудоемки в изготовлении благодаря унификации элементов решетки и узловых сопряжений. Фермы пролетом 18 м поставляются на монтаж целиком, при пролетах 24 и 30 м — в виде двух отправочных марок длиной 12 или 15 м| при пролете 36 м— в виде трех отправочных марок по 12 м.

Рисунок 1.1 – Схема стропильных ферм

а - из одиночных уголков; б - с поясами из широкополочных тавров и решеткой из парных уголков; в - с поясами из широкополочных тавров и раскосами из одиноч­ных уголков; г - решетчатая балка с поясами из широкополочных тавров и раскосами из одиночных уголков; д - с поясами из широкополочных двутавров и решеткой из пря­моугольных гнуто-сварных труб;е - с поясами из широкополочных двутавров и решет­кой из одиночных уголков; ж - с поясами из широкополочных таврови решеткой из одиночных уголков.

В фермах с поясами из одиночных уголков элементы решетки проектируются также из одиночных равнополочных уголков. Наиболее удобной является ферма с параллельными поясами, нисходящими раскосами и стойками, рисунок 7.1, а. В узлах эле­менты решетки крепятся к поясам с помощью угловых швов (при необходимости спристыковкойфасонки к перу поясного уголка), высокопрочных болтов или электрозаклепок, образован­ных точечной электросваркой, рисунок 7.2. Болтовые соединения удобно применять для ферм, которые необходимо перевозить россыпью в труднодоступные районы и собирать на монтажной площадке.

а – со сварными швами б – со сварными точками (контактная сварка) Рисунок 1.2 – Узлы фермы из одиночных уголков

Кроме того, болтовые соеди­нения создают менее острые концентраторы напряжений, чем сварные, поэтому фермы на болтах более надежны в условиях низких отрицательных температур.

Рисунок 1.3 – Узлы ферм с поясами из широкополочных двутавров и решеткой из гнуто-сварных прямоугольных труб.

Рисунок 1.4 – Опорные узлы ферм с поясами из широкополочных двутавров

Фермы из круглых и прямоугольных труб.

Общие положения; конструкция ферм.

Наиболее широко трубы используются в фермах. Трубы также применяются в башенных и мачтовых конструкциях и структурах. Важным для ферм из труб является конструкция узлов. Исследование узлов с непосредственным примыканием труб, примыканием сплющенных концов стержней, на фасонках и вставках показало, что, несмотря на сложность обработки концов труб в узлах с непосредственным их примыканием такая конструкция наиболее полно удовлетворяет требованиям герметичности и прочности узла. Как уже указывалось, снижение массы ферм из труб при одинаковых классах прочности стали для сравниваемых ферм составляет 25-27%. В связи с более высокими отпускными ценами на трубы (примерно на 40% выше, чем уголков) возникает вопрос об эффективности трубчатых ферм по стоимости. Технология изготовления ферм из труб характеризуется следующими операциями: Фигурная кислородная резка концов труб на автоматах типа ПИКОП, что обеспечивает хорошее примыкание их в узлах; перпендикулярная резка труб полуавтоматами или вручную; сборка ферм в кондукторах с фиксирующими приспособлениями; сварка стыковых швов в трубах полуавтоматами в горизонтальном положении, сварка узлов при помощи кантователя, поворачивающего ферму в необходимое положение в связи с пространственным расположением швов в узлах.

Трудоемкость изготовления конструкций из труб в целом по сравнению с конструкциями из уголков, с одной стороны, снижается из-за уменьшения числа основных деталей в два раза, а также из-за резкого уменьшения числа вспомогательных деталей, с другой стороны, увеличивается из-за трудоемкости обработки концов труб, особенно при ручной резке, и трудоемкости сборки (на одну деталь).

Трубчатые фермывыполняются только сварными. Конструктивно узлы трубчатых ферм весьма разнообразны: используются косынки, фигурная обрезка концов стержней решетки, обжатие их с вырубкой и т. п. В тех случаях, когда к узлу подходят несколько пространственно расположенных трубчатых стержней под различными углами, используется вставка в виде шара. Стык пояса выполняется в узле или выносится в панель вне узла. Чаще всего он осуществляется с помощью уголковых накладок. При стыковке труб используются прокладки, муфты, ниппели и т.п. С целью упрощения узла размещение стыка за его пределами предпочтительнее. Отступление от правила центрирования стержней в узлах в целях упрощения изготовления допускается для второстепенных слабонагруженных элементов трубчатых ферм. Для ряда ферменных конструкций стержни пояса (чаще верхнего) воспринимают местный изгиб от действия ходовых колес тележек. В большинстве случаев сечения поясов мощнее сечений стержней решетки, вследствие чего изгибающие моменты в узлах передаются преимущественно на пояса. Расчет поясов трубчатых ферм на совместное действие продольной и поперечной нагрузок выполняется, как для неразрезных балок, имеющих опоры в узлах. Опоры при этом рассматриваются как жесткие, расположенные на одной прямой.

Одно из основных направлений, способствующих экономии стали, — применение стальных трубчатых конструкций. Теоретические и экспериментальные исследования, а также использование в массовом строительстве стропильных ферм из трубчатых элементов показало, что по сравнению с фермами из обычных профилей при одинаковых марках стали и равных эксплуатационных условиях экономия стали достигает 15—20%, а в случае применения сталей с временным сопротивлением более 400—500 МПа можно достигнуть снижения расхода стали до 30—40%.

Наряду с экономией стали трубчатые фермы имеют меньшую трудоемкость изготовления за счет сокращения объемов сварочных работ.

При проектировании стропильных ферм из круглых труб предпочтение отдается таким конструктивным схемам, которые имеют редкую треугольную решетку с сопряжением в узлах не более двух элементов решетки. Шпренгельные решетки ввиду сложности конструирования узлов в трубчатых фермах не рекомендуются. Максимальная эффективность от применения трубчатого сечения достигается при равенстве расчетных длин всех сжатых стержней конструкции в плоскости и из плоскости фермы, поэтому сжатые верхние пояса развязываются из плоскости фермы во всех узлах.

В трубчатых фермах допускается применение электросварных и горячедеформированных труб диаметром 40—530 мм, однако наиболее целесообразными являются трубы с наружным диаметром до 140—180 мм и с отношением толщины стенки к диаметру 1/35—1/45 для поясов;   1/70—1/100 для сжатых элементов решетки и 1/100 для растянутых элементов решетки. При этом минимальная толщина трубы должна быть не менее 3 мм. Узловые соединения трубчатых ферм могут быть бесфасоночными, с узловыми фасонками (подобно традиционным) и с узловыми вставками:   цилиндрической, призматической и сферической форм. Наиболее эффективны с точки зрения расхода материала безфасоночные соединения с цилиндрическим сопряжением труб, которые применяются при углах наклона решетки к поясу не менее 30° и соотношением диаметров элементов решетки и поясов не менее 1/3. Безфасоночные соединения со сплющенными концами труб более просты в изготовлении, но менее надежны в работе, поэтому их применяют при специальном обосновании в случае отсутствия технологии для фигурной резки труб.

Узлы с фасонками используют в редких случаях, так как они требуют большого расхода материала. Такие соединения удобны для опорных узлов ферм при опирании их на колонну сверху. Узлы с узловыми вставками наиболее универсальны, их широко применяют в различных типах стропильных ферм (особенно в пространственных), но они уступают бесфасоночным соединениям по расходу материала.

Сварные стыки, как правило, выполняют в заводских условиях; они предназначены для увеличения длины пояса или для сопряжения труб различного диаметра. Стыки на высокопрочных болтах с торцевыми фланцами или продольными ребрами проектируют в качестве монтажных для сопряжения в конструкцию отправочных марок. Фланцевые соединения на болтах предусматривают как в растянутых, так и в сжатых элементах.

а – круглее

б – прямоугольные гнутосварные

в – прямоугольные, сваренные из парных уголков

Рисунок 2.1 – Сечение труб

а – с продольно-сплющенными концами раскосов, б – с поперечно-сплющенными концами раскосов, в – с цилиндрической вставкой, г – с полукруглой вставкой. Рисунок 2.3 – Конструктивные решения узлов ферм из круглых труб

а – опорный, б – заводской стык верхнего пояса, в – промежуточный верхнего пояса, г - промежуточный нижнего пояса, д – монтажный стык на накладках и сварке, е – монтажный стык с фланцами Рисунок 2.2 – Узлы типовых ферм из круглых труб.

а – опорный, б – промежуточный верхнего пояса, в – монтажный стык, г – концевой нижнего пояса, д – фланцевый монтажный стык Рисунок 2.4 – Узлы типовых ферм из прямоугольных гнуто-сварных труб

тов.

Конструктивные решения балок с применением широкополочных двутавров и тавров, тонкостенные, перфорированные, бистальные балки и балки с тонкой гофрированной стенкой.

Балки с гибкой стенкой: общие положения

К балкам с гибкой стенкой относятся конструкции, которые могут нормально эксплуатироваться после потери местной устойчивости стенки, если последняя остается упругой.

Долгое время считалось, что эксплуатировать балки с тонкими стенками нельзя, так как потеря местной устойчивости стенки приводит всю балку в предельное состояние. Между тем в самолето- и судостроении давно обратили внимание на то, что балки с «хлопунами» в тонкой стенке работают достаточно надежно, причем после снятия нагрузки «хлопуны» исчезают.

Уменьшение относительной толщины стенки в 2...3 раза приводит к снижению расхода металла на стенку на 25...35% и к концентрации металла в поясах, что выгодно по условиям работы на изгиб.

Применение балок с очень тонкими стенками уместно при стабильном направлении действия статических временных нагрузок, поскольку работа таких балок при переменных по направлению подвижных и динамических нагрузках еще недостаточно изучена.