8. Треугольные фермы из брусьев на нагелях. Схемы ферм, применение, конструкции характерных узлов. Порядок и особенности расчета ферм.

9. Треугольные фермы из клееных блоков. Схемы ферм, применение конструкции узлов. Порядок и особенности расчета ферм.(2 вопроса в 1).

Фермой называется стержневая система, остающаяся геометрически неизменяе­мой после условной замены ее жестких узлов шарнирами. Фермы относятся к классу сквозных конструкций, в которых пояса соединены между собой не сплошной стенкой, как у балок, а решеткой, состоящей из отдельных стержней - раскосов и стоек. Фермы применяются в покрытиях производственных и гражданских зданий в тех случаях, ко­гда балки сплошного сечения оказываются экономически невыгодными. Применение решетки уменьшает расход материала на конструкции, но увеличивает трудоемкость изготовления, так как появляются узлы - места соединения решетки с поясами. Общие виды наиболее распространенных деревянных ферм показаны на рис. 9.1.

Треугольные фермы применяют, как правило, для кровель из материалов, требующих значительного укло­на. Отношение высоты фермы в коньке к пролету при­нимают не менее: для цельнодеревянных ферм 1/5, для ферм с металлическим нижним поясом 1/6. Для ферм с металлическим нижним поясом и клееным верхним это отношение может быть снижено до 1/7 пролета. При этом уклон верхнего пояса и кровли колеблется от 1:2,5 до 1:4.

Верхний пояс фермы может быть выполнен из клее­ных блоков (клееная треугольная ферма) или из брусь­ев (брусчатая треугольная ферма). Нижний пояс реко­мендуется делать металлическим из профильной или круглой стали. Преимущество последней состоит в том, что при равной массе она обладает большой огнестойко­стью. Возможно применение и деревянного клееного или брусчатого нижнего пояса при условии выполнения его из тщательно отобранной древесины и хорошо отрабо­танной склейки со стыкованием по длине на зубчатом соединении.

Решетка в треугольных фермах для повышения ин­дустриального их изготовления должна состоять из ми­нимального числа элементов. С этой целью рекомендует­ся применять четырехпанельные (по верхнему поясу) фермы с двумя сжатыми раскосами и соответственное одной растянутой или двумя сжатыми стойками.Растянутые стойки обычно выпол­няют из круглой стали.

При применении брусчатых ферм более значительных пролетов приходится увеличивать число панелей верх­него пояса до шести и нижнего пояса до четырех, соеди­няя узлы верхнего и нижнего поясов треугольной решет­кой с центральной растянутой стойкой

Решение узлов в треугольных фермах зависит от при­нятого типа решетки. Для четырехпанельной фермы со сжатыми раскосами и центральной растянутой стойкой примыкание сжатых раскосов к верхнему и нижнему по­ясам может быть выполнено путем упора в специальные металлические башмаки непосредственно в верхний пояс с соответствующей его подрезкой или на узловых болтах с металлическим вклады­шем) аналогично ранее рассмотренным фер­мам. Треугольные фермы применяют также для подвес­ного потолка.

Опорный узел помимо описанных решений с тем или иным типом металлического башмака может иметь дру­гую конструкцию, где деревянный элемент верхнего поя­са опиленной горизонтальной плоскостью воспринимает опорную реакцию, а вертикальной—усилие от нижнего пояса с помощью шайбы и гайки.

Помимо ферм с металлическим нижним поясом (ос­новное решение) в некоторых случаях могут быть при­менены фермы с деревянным нижним поясом, выполнен­ным в виде клееного пакета в клееных фермах или нз бруса в брусчатых фермах. Использование деревянных поясов из брусьев требует тщательного отбора лесома­териалов. Отбор должен производиться из достаточ­но больших партий лесоматериалов опытными бра­керами.

Расчет ферм

Расчетные нормальные усилия в элементах треуголь­ных ферм определяют обычным способом. Отличитель­ной особенностью треугольных ферм является то, что при загружении временной нагрузкой половины пролета ре­шетка на незагруженной половине не работает. Поэтому расчетные усилия во всех элементах ферм получаются при снеговой нагрузке на всем пролете. Одностороннее загружение снегом может понадобиться в том случае, когда надо рассчитать присоединение подушки в среднем узле нижнего пояса к самому поясу. Его рассчитывают на разность усилий в соседних панелях нижнего пояса, имеющую место при односторонней снеговой нагрузке.

Верхний пояс. В большинстве случаев панели верх­него пояса помимо нормальных сил работают на изгиб от межузловой нагрузки и рассчитывают как сжато-из­гибаемые стержни. Нормальную силу в верхнем поясе, как и в рассмотренных фермах, прикладывают с эксцен­триситетом е.

Если верхний пояс разрезной, то расчетный момент в панели

М = M₀ — Ne,

где Мо — момент простой балки от данной нагрузки а середине про­лета панели; Ne — обратный момент от нормальной силы, прило­женной с эксцентриситетом.

Если верхний пояс неразрезной, то расчет производят в двух предположениях: а) средняя опора не имеет про­садки и верхний пояс работает как двухпролетная нераз­резная балка; б) средняя опора просела на такую вели­чину, что момент на ней стал равен нулю и, следовательно, верхний пояс работает как разрезная балка с проле­том, равным длине панели.

Нижний пояс. Металлический нижний пояс рассчи­тывают на растяжение с учетом имеющихся ослаблений в узлах или стыках. Местная поперечная нагрузка, на­пример от подвесного потолка, вызывающая изгибаю­щие моменты в нижнем поясе, недопустима.

Деревянный нижний пояс рассчитывают на растяже­ние по площади нетто в стыках или узлах, где учитыва­ют ослабления от нагелей.

Стыки деревянного брусчатого нижнего пояса пере­крывают двумя накладками, обычно деревянными, шири­на которых равна ширине пояса, а толщина вдвое мень­ше толщины пояса. Деревянный нижний пояс соединя­ют с металлическим опорным узлом, как указывалось, накладками из полосовой стали на глухих нагелях. В этом месте на растяжение проверяют деревянный пояс и ме­таллические накладки.

Решетка. Расчет элементов решетки — раскосов и стоек в треугольных фермах ничем не отличается от их расчета в ранее рассмотренных типах ферм: сжатые эле­менты решетки рассчитывают на продольный изгиб, рас­тянутые проверяют на растяжение с учетом имеющихся ослаблений.

Узлы фермы. Расчет узлов треугольных ферм связан с их конструкцией. В клееной ферме с разрезным верх­ним поясом и металлическими узловыми вкладышами конструкция узлов верхнего пояса ана­логична конструкции подобных узлов в сегментных фер­мах /

В клееной ферме с упором раскосов в верхний пояс необходимо проверить смятие древеси­ны в опорном и коньковом узлах, а также в месте упора раскоса в верхний пояс и в подушку среднего узла ниж­него пояса. Во всех случаях расчетное сопротивление смятию берут с учетом угла между сжимающей силон и направлением волокон сминаемого элемента.

В брусчатой ферме (см. рис. VII.10), кроме того, тре­буется рассчитать присоединение к верхнему поясу ме­таллического башмака, в который упирается раскос. На­гели (или гвозди), соединяющие башмак с верхним поя­сом, рассчитывают на усилие, стремящееся сдвинуть башмак вдоль пояса. Таким усилием является составля­ющая усилий в раскосе по направлению верхнего пояса или, что то же, разность усилий в опорной и коньковой панелях верхнего пояса. Нагели или гвозди работают по схеме односрезного соединения.

В современном строитель­стве в покрытиях производственных зданий применяются (рис. 9.2...9.5):

• металлодеревянные фермы типа МДФ (серия 1.863-2, вып. 1, 2);

• безраскосные фермы (металлодеревянные арки типа АМД, серия 1.860-6, вып. 1);

• сегментные металлодеревянные фермы (серия 1.263-1, вып. 1,2);

• дощатые треугольные фермы с фанерными накладками в узлах (см. рис.9.11);

• дощатые фермы с узловыми соединениями на МЗП типа "Gang Nail" («Гэнг-Нейл»).

Классификация ферм:

• по конструктивной схеме различают: балочные фермы (основной тип) и распор­ные - арочные (см. рис. 9.6);

• по очертанию верхнего пояса: треугольные фермы, фермы с параллельными поясами, трапециевидные, многоугольные, сегментные (см. рис. 9.1).

• по материалу: из цельной древесины (из круглого леса, брусьев, досок), из клее­ной древесины, металлодеревянные, фермы из фанерных труб, стеклопластикодеревян-ные фермы;

• по типу узловых соединений: на лобовых врубках, на стальных цилиндрических нагелях, на клеестальных шайбах, на зубчатых шипах на клею, на современных видах соединений типа «Грейм», «Гэнг-Нэйл» (см. рис. 4.2,а,б).

Основные положения по проектированию

Деревянные фермы применяются, как правило, в статически определимых систе­мах, как в отношении опорных закреплений, так и схемы решетки. Несущая способ­ность статически определимых ферм зависит от прочности и устойчивости любого стержня, разрушение которого может вызвать потерю устойчивости и разрушение всей конструкции, вследствие этого к качеству материалов для изготовления ферм предъяв­ляются повышенные требования. Фермы проектируют с минимально возможным чис­лом узлов. В современном строительстве применяются следующие типы ферм:

- трапециевидные и сегментные - под рулонную кровлю;

- треугольные - под кровлю из волнистых асбестоцементных листов, стальную, черепичную и другие подобные кровли с уклонами 1/3, 1/4.

Пролеты ферм составляют: 9...21 м (45 м) - для треугольных и 12...30 м - для сегментных ферм. Шаг дощатых ферм в малоэтажном домостроении назначают от 0,5 до 2 м, шаг брусчатых и металлодеревянных ферм в покрытиях зданий - от 2 до 6 м.

Рис. 9.1. Деревянные фермы:

а - брусчатая на лобовых врубках; б - дощатая на МЗП типа «Гэнг-Нейл»; в - металлодеревянная типа МДФ; г - безраскосная ферма (металлодеревянная арка типа АМД); д - брусчатая с верхним поясом нз балок Деревягина; е - трапециевидная брусчатая; ж - сегментная металлодеревянная с клееным верхним поясом; з - сегментная дощатая

Безраскосная металлодеревянная ферма

Высота треугольных ферм в середине пролета между осями поясов назначается 1/5 пролета - при деревянном нижнем поясе и 1/6 - при металлическом нижнем поясе. Для сегментных ферм высота h = 1/ 6L... 1/ 8L.

В треугольных и трапециевидных брусчатых фермах стыки верхнего пояса конст­руируют в узлах или вблизи узлов простым лобовым упором. Стыки нижнего пояса устраивают в середине длины панели или в центральном узле и перекрывают парными накладками на нагелях. При выборе типа решетки стремятся к уменьшению числа ее элементов и сокращению длины сжатых стержней, из-за опасности потери их устойчи­вости. Наиболее рациональна треугольная решетка. Элементы решетки ферм центри­руются в узлах.

Нижним поясам ферм при изготовлении придается строительный подъем = 1/200 пролета. При определении усилий в элементах фермы искажение геомет­рического очертания ферм строительным подъемом не учитывается.

Особенности расчета ферм.

Схемы приложения нагрузок на фермы показаны на рис. 9.2...9Л. Основными на­грузками при расчете ферм являются постоянные нагрузки (собственный вес покрытия и ферм, вес подвесного потолка) и временные (снеговая на всем пролете, снеговая на половине пролета). Ветровая нагрузка при расчете ферм не учитывается. Для упроще­ния расчета собственный вес ферм считается приложенным к верхнему поясу. В по­крытиях с подвесным потолком половина собственного веса ферм относится к верхне­му поясу, а половина - к нижнему. В фермах с подвесным потолком учитывается до­полнительная полезная нормативная нагрузка на потолке - 0,7 кПа. К деревянным фер­мам не рекомендуется подвешивать технологическое оборудование.

Статический расчет ферм обычно ведется по стандартным программам на ПЭВМ. При аналитическом статическом расчете все жесткие узлы ферм условно заме­няются идеальными шарнирами. Нагрузка считается приложенной в узлах ферм. Опре­деление опорных реакций производится в предположении, что одна опора неподвиж­ная, а другая подвижная. Практически обе опоры конструируются неподвижными, и только при пролетах ферм более 30 м одна из опор делается подвижной.

Конструктивный расчет элементов ферм ведется по известным формулам расче­та растянутых, сжатых и сжато-изгибаемых элементов.Расчетную длину сжатых элементов решетки принимают равной расстоянию между центрами узлов. Для разрезного верхнего пояса расчетная длина равна длине панели верхнего пояса. При неразрезном верхнем поясе расчетная длина для крайних панелей равна 0,8 длины па­нели, а для средних панелей - 0,65 длины панели. При расчете на устойчивость из плоскости расчетную длину верхнего пояса принимают равной расстоянию между рас­порками (связевыми фермами).

Передачу сжимающих усилий в верхнем поясе треугольных ферм при внеузловой нагрузке от покрытия рекомендуется обеспечивать с эксцентриситетом, создающим разгружающий момент, величина которого не должна превышать 25% балочного мо­мента. Если эксцентриситеты на концах элемента разные, то в расчет вводится среднее значение эксцентриситета. При расчете узлов необходимо также учитывать местную концентрацию скалывающих напряжений (подробнее см. п. 5.29 [4]).

Расчетный изгибающий момент в опасном сечении верхнего пояса треугольных ферм при внеузловой нагрузке от покрытия определяется по формулам (рис. 9.12):

- при неразрезном верхнем поясе

• при разрезном верхнем поясе