1. Очертание ферм. Выбор очертания ферм является первым этапом их проектирования.

Очертание стропильной фермы производственного здания зависит от назначения цеха, типа кровли, типа и размера фонаря, от типа соединения ферм с колоннами (шарнирное и жесткое) и т.п. Кроме того, очертание ферм должно соответствовать их статической схеме, а также виду нагрузки, определяющим эпюру изгибающих моментов (например, выступающие консоли рационально проектировать треугольными с одним скатом, однопролетные фермы с равномерной нагрузкой - полигонального очертания).

Наиболее распространены следующие виды очертания ферм: треугольные, полигональные, трапециевидные и с параллельными поясами.

Треугольное очертание применяют, как правило, при значительном уклоне кровли, вызываемом или условиями эксплуатации здания, или типом кровельного материала, а также для выступающих консолей. В других случаях такие фермы не применяются, так как имеют довольно много конструктивных и других недостатков.

Фермы полигонального очертания наиболее приемлемы для конструирования тяжелых больших пролетов, так как такое очертание фермы соответствует эпюре изгибающих моментов, что дает значительную экономию стали. Дополнительные конструктивные затруднения из-за переломов пояса в тяжелых фермах не так ощутимы, потому, что пояса в таких фермах из условий транспортирования приходится стыковать в каждом узле.

Для легких ферм полигональное очертание нерационально, так как получающиеся в этом случае конструктивные усложнения не окупаются незначительной экономией стали.

Фермы трапецеидального очертания со слабо вспарушенным верхним поясом пришли на смену треугольным фермам благодаря появлению кровельных материалов, не требующих больших уклонов кровли, кроме того, такое очертание балочных ферм лучше соответствует эпюре изгибающих моментов и имеет конструктивные преимущества (возможно устройство жестких рамных узлов; решетки не имеют длинных стержней в середине пролета.

а) с параллельными поясами (решетка треугольная)

б) трапецевидная (решетка треугольная с дополнительными стойками)

в) треугольная (решетка раскосная)

г) полигональная (решетка треугольная)

Рис. 16.1. Очертания легких стропильных ферм: а) с параллельными поясами; б) трапецевидные; в) треугольные;

г) полигональные.

Фермы с параллельными поясами имеют существенные конструктивные преимущества: равные длины стержней поясов и решетки, минимальное количество стыков поясов; одинаковая схема узлов, которые обеспечивают повторяемость деталей и возможность унификации конструктивных схем, что способствует индустриализации их изготовления: эти фермы благодаря распространению кровель с рулонным покрытием стали основным типом в покрытиях зданий.

2. Генеральные размеры, система решеток и размер панели ферм. Эти три вопроса решаются комплексно, так как зависят один от другого.

К генеральным размерам ферм относятся пролет и высота ферм.

Пролет (длина) ферм в большинстве случаев определяется эксплуатационными и архитектурными требованиями, обще компоновочным решением сооружения, и не могут быть рекомендованы по усмотрению конструктора, и определяется в зависимости от конструкции узлов сооружения с опорными конструкциями по конструктивным соображениям. В случаях, когда пролет конструкции не диктуется технологическими требованиями, он должен назначаться на основе экономических соображений с тем, чтобы суммарная стоимость ферм и опор была наименьшей.

Высота ферм определяется в зависимости от очертания ферм, технологических и конструктивных требований, экономических требований, системы решеток и размера панели.

Высота ферм в большинстве случаев определяется исходя из экономических требований и из условия жесткости. При этом используется такая же методика как при определении оптимальной и минимальной высоты сплошных балок.

Оптимальная высота ферм зависит от системы решеток: при раскосной решетке она примерно на 40% меньше, чем при треугольной решетке, и на 20% меньше оптимальной высоты ферм с треугольной решеткой и с дополнительными стойками; числа панелей (оптимальная высота фермы уменьшается при его увеличении).

Так для ферм с треугольной решеткой , для ферм с треугольной решеткой и дополнительными стойкамии для ферм с раскосной решеткой. Здесь n - число панелей.

По этим формулам высота получается равной (1/4-1/5)l. Обычно высота ферм принимается несколько меньшей (особенно для легких ферм) исходя из требований транспортировки (не более 3,85м), монтажа, унификации, целесообразностью уменьшения объема здания и другими соображениями.

Минимальная высота ферм из условия жесткости определяется из формулы Мора для прогибов f = N_{i * *}l_i/ (E_{i *} A_i), где N_i - усилие в стержне фермы от заданной нагрузки; - усилие в том же стержне от единичной нагрузки; A_і- площадь сечения стержня и l_і- его длина.

Так для ферм с параллельными поясами

H_min= (6,5l/24) [l/f] (^н/E) [1+2(h/l)],

где [l/f] - предельное отношение пролета к прогибу фермы; ^н- напряжения от нормативных нагрузок; [1+2(h/l)] - выражает влияние решетки.

Обычно минимальная высота значительно меньше оптимальной и не имеет решающего значения. Только для ферм, работающих на подвижные нагрузки, где требования жесткости весьма высоки, они определяют высоту ферм.

Выбор системы решетки определяет вес фермы, трудоемкость ее изготовления, внешний вид и должен соответствовать схеме приложения нагрузок, поскольку желательно, чтобы нагрузки передавались в узлах, иначе возникают местные изгибающие моменты в поясах и это утяжеляет фермы.

В стропильных фермах наиболее часто применяются такие типы решеток: наиболее экономичная по расходу материала треугольная; с уменьшенной панелью - треугольная с дополнительными стойками или подвесками (при наличии подвесного потолка); при необходимости уменьшить высоту и воспринять более высокую нагрузку – раскосную решетку (см. рис.16.1.; 2).

В фермах с раскосной решеткой желательно иметь короткие сжатые стойки и длинные растянутые раскосы.

Наиболее рациональные углы наклона раскосов в фермах с треугольной решеткой и треугольной с дополнительными стойками – 45^о, а в фермах с раскосной – 35^о.

а) раскосная решетка с нисходящим и восходящим опорными раскосами,

б) крестовая решетка,

в) ромбическая решетка,

Рис. 16.2 . Типы решеток в фермах.

Раскосная решетка еще и более трудоемка, чем треугольная, и требует большего расхода материала, так как при равном числе панелей в ферме общая длина раскосной решетки больше и в ней больше узлов. Поэтому наиболее часто применяются первых два типа решетки.

Кроме основных типов решетки в фермах применяются еще специальные типы решеток: шпренгельная, крестовая, ромбическая и полураскосная.

Шпренгельная - применяется при большой высоте фермы для сохранения рационального угла наклона для раскосов (35-45^о) при уменьшении размеров панелей, что необходимо в двух случаях для обеспечения передачи нагрузки в узлах фермы и для уменьшения расчетных длин поясов в плоскости ферм (для обеспечения устойчивости сжатых стержней).

Крестовая - при работе фермы на двухстороннюю нагрузку и для обеспечения повышенной жесткости. К таким фермам относятся горизонтальные связевые фермы покрытий производственных зданий, мостов .

Весьма часто крестовую решетку проектируют из гибких стержней. При этом принимается, что работают только растянутые раскосы; сжатые же раскосы вследствие своей большой гибкости выключаются из работы и в расчетную схему не входят. Для того, чтобы заставить работать оба раскоса в раскосах создают предварительно растягивающие усилия. Это заставляет работать оба раскоса и тем самым увеличивается жесткость фермы.

Ромбическая - обладает повышенной жесткостью (по сравнению с обычными решетками) и уменьшает размер панелей (по сравнению с крестовой решеткой). Эта система применяется в связях, мостах, башнях, мачтах для уменьшения расчетной длины стержней.

Полураскосная - обладает большой жесткостью (благодаря двум системам раскосов) и уменьшенной панелью и особенно рациональна при работе конструкций на большие поперечные силы.

Одновременно с выбором системы решетки устанавливаются размеры панелей.

Размер панелей по верхним поясам стропильных ферм определяется системой кровельного покрытия (расстоянием между прогонами 1,5-4 м) шириной панелей и плит 1,5-3 м).

В без прогонном покрытии размер панели часто принимается равной 3-4 м. При ширине плит 1,5 м целесообразно уменьшить с помощью шпренгельной решетки панель до 1,5 м. Можно также, сохранив панель в 3 м, иметь верхний пояс, работающий на местный изгиб. Это решение менее экономично по расходу стали, но проще и применимо при легких нагрузках (кровлях из профнастила с легким утеплителем).

Панель нижнего пояса обычно 6 м, но при наличии подвесного потолка или подвесного транспорта (мост с ездой понизу) может быть уменьшена за счет подвесок или шпренгельной решетки.

Обеспечение устойчивости плоских стропильных ферм производится с помощью связей. Чаще всего из двух плоских ферм с помощью связей образуется пространственный устойчивый брус. Для обеспечения устойчивости такого бруса необходимо, чтобы все грани его были геометрически неизменяемы в своей плоскости. Грани бруса образуются двумя вертикальными стропильными фермами, двумя горизонтальными связевыми фермами в плоскости верхних и нижних поясов стропильных ферм и как минимум две связевых фермы по торцам бруса (блока). При большом пролете стропильных ферм количество вертикальных связевых ферм больше.

При большом шаге (12 и более м) стропильных ферм и кровли по прогонам устройство связевых ферм в плоскости кровли затруднительно. В этом случае раскрепление верхних поясов ферм из плоскости осуществляется более частой (обычно через 6 м) постановкой вертикальных связевых ферм, а горизонтальные связи по верхним поясам не ставятся.

В качестве жестких блоков рационально использовать пространственные (например, трехгранные) фермы.

Такие жесткие блоки обычно устраиваются по торцам здания и при большой длине здания (60 и более м) ставятся один или два промежуточных блока. Промежуточные стропильные фермы (между жесткими блоками) прикрепляются к этим жестким блокам с помощью распорок (в плоскости сжатых поясов) и растяжек (в плоскости растянутых поясов).

В качестве распорок могут иногда использоваться прогоны кровли, если жесткость их достаточна и они крепятся в узлах связевых ферм. В фермах больших пролетов (более 36 м), а также в фермах из алюминиевых сплавов или высокопрочных сталей возникают большие прогибы, которые ухудшают внешний вид конструкций покрытия и во многих случаях недопустимы по условиям эксплуатации (например, в производственных зданиях оборудованных подвесным подъемно-транспортным оборудованием).

Провисание ферм предотвращается устройством строительного подъема на величину прогиба от постоянных нагрузок.

Строительный подъем ферм осуществляется путем изготовления ферм с обратным выгибом.

Теоретически строительный подъем можно получить изменяя длину каждого стержня на величину изменения длины стержня под действием нагрузки с обратным знаком. Но это трудно осуществимо. На практике строительный подъем в стропильных фермах, имеющих один монтажный стык посередине пролета, задается по треугольнику, а в тяжелых фермах больших пролетов с монтажными стыками в каждом узле - по многоугольнику, вписанному в окружность.

Для снижения трудоемкости проектирования изготовления и монтажа металлических конструкций ферм требуется унификация и типизация их конструктивной формы и на их основе стандартизировать конструктивные детали ферм и перейти на массовое их изготовление с помощью специализированных высокопроизводительных станков и приспособлений.

В основу унификации ферм кладется модулирование конструктивно-компоновочных размеров, причем для сокращения числа типоразмеров используются укрупненные модули (1,5; 3; 6 м и другие расстояния). Унификация геометрических размеров ферм приводит к стандартизации как самих ферм, так и примыкающих к ним элементов (прогонов, связей, колонн и т.п.). Унификация ферм должна проводиться по видам сооружений. В настоящее время унифицированы геометрические схемы стропильных ферм производственных зданий, мостов, радиомачт, радио башен, опор линий электропередачи.

Так в основу унификации стропильных ферм с рулонной кровлей, положены: модуль пролета 6 м, панели 3 м, уклон кровли i = 1,5%; высота ферм на опоре 3150 мм по наружным краям поясов, треугольная решетка с возможностью деления шпренгелем пополам при кровельных плитах шириной 1,5 м. Типизированные на основе унификации геометрических размеров стропильные фермы разных пролетов и мощностей могут быть собраны и сварены полуфермами в едином стационарном кондукторе-позиционере. Это значительно снижает трудоемкость изготовления ферм и обеспечивает их взаимозаменяемость.