yandbtm

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

В.О. Пермяков І.Д. Бєлов

МЕТАЛЕВІ КОНСТРУКЦІЇ ФЕРМИ

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник

для студентів вищих навчальних закладів

Київ 2006

1

УДК 624.014:692.48 ББК 30.121

П 26

Рецензенти: В.М. Гордєєв, д-р техн. наук, професор, ВАТ „УкрНДІпроектстальконструкція ім. В.М. Шимановського” О.І. Давиденко, канд. техн. наук, доцент,

Донбаський державний технічний університет

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів (лист Міністерства освіти і науки України № 14/18.2 – 1485

від 12.07.2002 р.).

Пермяков В.О., Бєлов І.Д.

П26 Металеві конструкції. Ферми: Навчальний посібник. –

К.: КНУБА, 2006. – 170 с.

ISBN 966-627-118-4

Наведені відомості про компонування кроквяних ферм покриття виробничих будівель, вибір типів перерізів окремих елементів, статичний розрахунок і конструювання вузлів. Розглянуто теоретичні аспекти визначення конструктивного рішення кроквяних ферм з різними типами поперечних перерізів елементів і наведені приклади їх розрахунку. Висвітлено сучасні вихідні матеріали (замкнені трубчасті та прямокутні профілі), компонування й проектування ферм та вузлів з цих профілів.

Призначений для студентів усіх спеціальностей напряму підготовки 0921 „Будівництво”.

2

3

Глава 4. ПРОГОНИ ………………………………………………… 135

4.1.Призначення і типи прогонів ………............................. 135

4.2.Суцільні прогони ………................................................ 136

4.3.Наскрізні прогони ……………………........................... 150 Список літератури ………………………………............................. 155 Додатки …………............................................................... 156 Додаток 1 ……………………………………….......................... 156 Додаток 2 …………………………………………...................... 157 Додаток 3 …………………………………………...................... 161 Додаток 4 ………………………………………………….......... 162

4

Вступ

Сталеві гратчасті конструкції широко застосовуються в будівництві для перекриття великих і малих прольотів, для високих споруд (від опор ліній електропередачі до телевеж), для конструкцій спеціального призначення (мости, стріли кранів та екскаваторів тощо). Саме це обумовлює вивчення розділу „Ферми” студентами усіх спеціальностей напряму „Будівництво”.

Оскільки в робочі програми з кожної дисципліни включені тільки основні положення компонування, розрахунку та конструювання ферм, то увага акцентується на достатньо простих, найбільш розповсюджених конструкціях – кроквяних фермах покриття. Проте принципи проектування, викладені в навчальному посібнику повною мірою можуть бути застосовані й для більш складних конструкцій.

Матеріал навчального посібника викладено в чотирьох главах, які охоплюють основні питання з компонування, розрахунку, проектування та конструювання наскрізних конструкцій.

Упершій главі наведено класифікацію ферм, вибір їхніх генеральних розмірів, заходи із забезпечення загальної стійкості ферм та їхніх окремих елементів, а також перелік основних форм перерізів та основні положення щодо розрахунку конструкцій.

Друга глава присвячена принципам конструювання ферм. Наведено конструктивні рішення найбільш поширених типів ферм та методи розрахунку вузлів і з’єднань.

Методичний підхід до розрахунку різних типів ферм і вузлів на основі чисельних прикладів подано в третій главі.

Основні відомості щодо прогонних конструкцій, які є необхідною складовою при проектуванні і конструюванні покриттів будівель і споруд, включені у четверту главу.

Удодатку наведені таблиці зі СНиП ІІ-23-81*, необхідні для розрахунків конструкцій, а також дані сортаментів гнутих профілів за ДСТУ, ГОСТ та EN.

5

Глава 1. ОСНОВИ ПРОЕКТУВАННЯ ФЕРМ

1.1. Призначення і типи ферм

Фермою є наскрізна конструкція, що працює на згин або згин зі стиском та складається з окремих стержнів, які, з’єднуючись у вузлах, утворюють геометрично незмінну систему. При прикладанні зовнішніх навантажень у вузлах, елементи ферм сприймають тільки поздовжні зусилля стиску або розтягу. Якщо зовнішні навантаження утворюють моменти (при позавузловому прикладанні зосереджених сил, при наявності вузлових ексцентриситетів або вузлових моментів), стержні працюють як позацентрово-стиснуті або позацентрово-розтягнуті. За аналогією з суцільними балками умовно вважають, що у верхніх та нижніх поясах ферм осьові зусилля виникають від балкових згинальних моментів, а в гратці – розкосах та стояках – від поперечних сил.

При невеликих навантаженнях та великих прольотах ферми є більш економічнішими, ніж суцільні балки, завдяки раціональному використанню матеріалу стержнів – при осьових зусиллях нормальні напруження розподіляються по перерізу рівномірно, в той час як при згині найбільш напруженими є тільки крайні волокна. Kpiм того, ферми мають значну висоту, що забезпечує необхідну жорсткість конструкції при відносно малих витратах матеріалу.

Ферми потребують значно більших трудовитрат у порівнянні з балками. Вони можуть мати будь-який обрис залежно від компонувальних та функціональних вимог. Ферми раціональні при різних навантаженнях, включаючи важкі, що характерно, наприклад, для мостових конструкцій.

Галузь застосування ферм досить широка, але найбільше розповсюдження вони знайшли в покриттях виробничих та громадських будівель, а також у великогабаритних спорудах (великопрольотні конструкції, башти, опори ліній електропередач, транспортерні галереї, прольотні будови мостів, в’язеві системи каркасів будівель тощо). За статичною схемою ферми

6

розподіляються на:

∙розрізні балкові (рис. 1.1, а), що найбільше розповсюджені завдяки простоті виготовлення та монтажу;

∙нерозрізні (рис. 1.1, б), які раціональні при великій власній масі та великих навантаженнях, мають велику жорсткість, що дозволяє зменшити висоту конструкції;

∙аркові (рис.1.1, в) та рамні (рис. 1.1, г), що застосовуються при великих прольотах, їx економічність визначається раціональним розподілом внутрішніх зусиль у системі;

∙консольні (рис. 1.1, е), що використовуються в поєднані з розрізними або нерозрізними системами з метою розвантаження (зниження зусиль) основних прольотів. Башти та щогли (рис.1.1, д) також є консольними фермами, але розташованими вертикально. Для забезпечення необхідної жорсткості в yсix напрямках вони виконуються просторовими;

∙комбіновані (рис. 1.1, ж), які являють собою балку, посилену знизу або зверху стержньовою системою, що суттєво знижує виникаючі в балці згинальні моменти. Такі конструкції прості у виготовленні та використовуються при важких навантаженнях, включаючи рухомі.

Рис. 1.1. Схеми ферм:

а – розрізні балкові; б – нерозрізні; в, г – аркові і рамні; є, д – консольні; ж – комбіновані

7

Ефективність ферм можна суттєво підвищити введенням зусиль попереднього напруження, що відкриває можливість штучного регулювання внутрішніх зусиль, яке спрямоване на зниження матеріаломісткості та вартості конструкцій.

У даній роботі основна увага приділяється балковим системам, що застосовуються в конструкціях будівель – кроквяним фермам. Проте розглянуті основні положення компонування, розрахунку та конструювання ферм покриття можуть бути використані при проектуванні гратчастих конструкцій різного призначення.

1.2. Компонування ферм

Компонування конструктивної схеми ферми включає вибір обрису поясів, схеми решітки та генеральних розмірів конструкції. Розв’язання цих питань виконується з урахуванням функціонального призначення будівель та вимогами їх архітектурної виразності.

Обриси поясів беруться залежно від типу покрівлі, яка потребує певного нахилу, рівня раціональності статичної схеми, пов’язаної з максимальним наближенням конструктивної форми до епюри згинальних моментів відповідної балкової системи, а також типу з’єднання ферми з опорою.

Для покрівель з азбестоцементних хвилястих листів, черепиці, сталевого профільованого настилу необхідний значний похил (до 20 %), що викликає необхідність застосування трикутних ферм (рис. 1.2, а), шедових покриттів (рис. 1.2, б) або використання односкатних рішень (рис. 1.2, в). При необхідності улаштування покрівель з похилом 5 – 10 % перевагу слід надавати трапецоїдним фермам (рис. 1.2, г). Для великих прольотів ефективними являються полігональні ферми (рис. 1.2, д). При рулонних та мастичних покрівлях з похилом 1,5 – 5 % – раціональні ферми з паралельними поясами (рис. 1.2, є).

Трикутні кроквяні ферми відрізняються крутим розміщенням верхніх поясів, що суттєво ускладнює конструювання опорного

8

вузла, значними довжинами стержнів особливо в середній частині, великим об’ємом міжфермового простору, що збільшує експлуатаційні витрати (зокрема, на опалення та вентиляцію додаткового об’єму будівлі). Трикутні обриси ферм більш раціонально використовують в шедових покриттях, в яких несуча конструкція одноразово виконує функцію світлоаераційного ліхтаря, забезпечуючи рівномірне освітлення внутрішніх приміщень з боку одного із похилів.

Рис. 1.2. Обриси ферм:

а – трикутні ферми; б – шедові покриття; в – односкатні ферми; г – трапецоїдні ферми;

д – полігональні ферми; є – ферми з паралельними покриттями

Сегментні (полігональні) ферми встановлюють зверху на оголовок колони, що відповідає шарнірному обпиранню на опору. Інші ферми, що мають значну висоту на опорах, можуть бути закріплені як зверху, так і збоку, що дає змогу підвищувати поперечну жорсткість будівлі і утворювати жорсткі рамні вузли. Трапецоїдні та полігональні ферми за своєю формою в найбільшій мірі відповідають обрисам епюр згинальних моментів. При великій кількості переломів верхнього пояса можна навіть досягти однакових поперечних перерізів елементів поясів, що знижує

9

витрати сталі на конструкцію. Проте такі ферми застосовують при великих прольотах та при великих навантаженнях, а в цих випадках за конструктивними міркуваннями (з урахуванням умов транспортування) ферми виготовляються поелементно, здійснюючи їх монтажні стики у вузлах, що знижує заводську готовність конструкції. Трапецоїдні ферми також застосовують в покриттях будівель, проте вони менш технологічні (елементи цих ферм мають різні довжини), ніж ферми з паралельними поясами, для яких характерні однакові довжини елементів поясів та решітки, повторюваність деталей, можливість уніфікації схем та індустріалізації їх виготовлення. Тому в останній час вони одержали найбільше розповсюдження. Саме для цих схем розроблені типові рішення, які відрізняються за навантаженнями, прольотами та типами перерізів елементів.

Схеми решітки ферм мають суттєвий вплив на масу та трудомісткість виготовлення, а також визначають умови роботи елементів поясів. Трикутна решітка (рис. 1.3, а) має найменшу сумарну довжину та найменшу кількість вузлів, але довжини панелей поясів (відстані між вузлами примикання розкосів) при цьому являються найбільшими, що не раціонально, особливо для стиснутих стержнів. Розкісна решітка (рис. 1.3, б) дозволяє зменшити довжини панелей, але при цьому зростає кількість вузлів та сумарна довжина розкосів і стояків. Тому в практиці одержала розповсюдження схема, що об’єднує переваги обох типів решітки – трикутна решітка з додатковими стояками (рис. 1.3, в), яка зменшує довжини стиснутих панелей та створює додатковий вузол пояса для можливого обпирання на нього несучого елемента покрівлі. Додаткові стояки хоча й збільшують декілька масу ферми (проте їхні перерізи невеликі, бо вони сприймають тільки місцеві навантаження) в порівнянні з трикутною решіткою, але внаслідок скорочення розрахункових довжин елементів поясів зменшуються поперечні перерізи останніх і, відповідно, загальні витрати сталі.

10