11 Лекция Общие сведения, классификация ферм . Особенности напряженного состояния стержней ферм. Порядок определения усилий в фермах методом вырезания узлов.

Фермой называется стержневая система, остающаяся геометрически неизменяемой после условной замены ее жестких узлов (12.5) шарнирными.

Фермы имеют назначение, по существу, такое же, как и балки (6.3) сплошного сечения, но применяются для перекрытия значительных пролетов, когда проектирование сплошных балок (например, двутавровых) становится экономически невыгодным. Как известно, при плоском изгибе (6.2) нормальные напряжения (5.4) изменяются по высоте поперечного сечения по линейному закону (рис. 13.1, а). Наиболее напряженными в этом случае оказываются волокна балки, которые наиболее удалены от нейтрального слоя (7.1), а волокна в средней части поперечного сечения балки используются неэффективно. Именно, этот фактор позволил ранее сделать вывод об эффективности двутаврового поперечного сечения балки. Однако с увеличением пролета балки для восприятия больших изгибающих моментов высоту сечения балки приходится увеличивать настолько, что расход материала на стенку балки становится преобладающим. В этом случае удобно перейти от сплошного сечения балки к сквозному (существуют балки с отверстиями в стенке, так называемая перфорированная балка) или решетчатому, когда вместо сплошной балки конструкцию изготавливают в виде системы прямолинейных стержней (рис. 13.1, б). Такая конструкция собственно и называется фермой (13.1).

Узлы (12.4) фермы, как правило, соединят жестко – сваркой, болтами или заклепками. В некоторых случаях при постановке всего одного болта (например, в башнях опор ЛЭП) узел получается шарнирным. Однако было подмечено, что при узловых нагрузках усилия в стержнях ферм (13.1) практически не изменяются, если в расчетной схеме (10.1) заменить все жесткие узлы (12.5) шарнирными, поскольку в этом случае основным внутренним силовым фактором (5.1), который возникает в поперечном сечении стержня фермы, является продольная сила (12.6). Это обстоятельство обуславливает большую экономичность ферм в сравнении с балками, поскольку, как известно из предыдущих лекций, при работе материала на растяжение нормальные напряжения во всех точках поперечного сечения одинаковы, т.е. материал поперечного сечения используется полностью, а при изгибе максимально используются только крайние волокна.

Итак, ферма – система, составленная из отдельных стержней, и загруженная только в узлах для большей эффективности.

Кроме плоских ферм, у которых оси всех стержней расположены в одной плоскости, применяются пространственные фермы, оси элементов которых не лежат в одной плоскости (рис. 13.2).

Расстояние между осями опор фермы называется пролетом фермы (рис. 13.3).

Стержни, расположенные по внешнему контуру фермы, называют поясными. Они образуют пояса фермы.

При горизонтальном расположении фермы различают нижний пояс и верхний пояс. Стержни, соединяющие пояса между собой, называются решеткой. Решетку в свою очередь разделяют на раскосы, стойки и подвесы. Раскосами называются наклонные элементы решетки.

В горизонтальных фермах различают нисходящие и восходящие раскосы (13.4). Если точка крепления раскоса к верхнему поясу ближе к середине фермы, чем точка крепления этого раскоса к нижнему поясу фермы (13.3), то такой раскос называется восходящим. В обратном случае раскос называется нисходящим. Отдельно среди раскосов выделяют опорные раскосы, которые непосредственно примыкают к опорам фермы. В этих раскосах обычно возникают большие усилия, сравнимые с усилиями в поясах фермы (13.3). Стойки и подвесы – это вертикальные (горизонтальные) элементы решетки фермы. Стойки работают на сжатие, подвесы на растяжение. Часть фермы, между точками примыкания раскоса к поясам называют панелью фермы.

Обычно фермы классифицируют по нескольким признакам: по характеру очертания, поясов, по системе решетки, по назначению, по условиям закрепления.

1. По характеру очертания поясов фермы различают:

• с параллельными поясами (рис. 13.4, а);

• с треугольным очертанием поясов (рис. 13.4, б);

• с полигональным очертанием поясов (13.4, в).

2. По системе решетки фермы различают:

• с треугольной решеткой (рис. 13.5, а);

• раскосные (рис. 13.5, б);

• полураскосные (13.5, в);

• двухрешетчатые (13.5, г);

• двухраскосные (13.5, д);

• многораскосные (13.5, е);

• шпренгельные (13.5, ж).

3. По назначению фермы разделяют на:

• стропильные (рис. 13.4, б, в), которые используются в покрытиях зданий и сооружений. Они сочетают в себе функции несущей и формообразующей конструкции, поскольку за счет геометрии ферму можно выполнить практически для любого очертания кровли. В балочных фермах высота фермы в средней части пролета обычно составляет от пролета (13.2);

• мостовые (рис. 13.6, а, б), которые применяются в качестве пролетного строения железнодорожных, автодорожных и пр. мостов. Высота таких ферм обычно составляет от пролета (13.2);

• крановые (13.6, в, г), которые применяются в каркасах строительных кранов, пролетных строений кранов промышленных предприятий и пр.;

• башенные (13.6, д, е), которые образуют несущий каркас различных сооружений башенного типа – нефтяных вышек, опор ЛЭП и т.д.

4. По условиям закрепления фермы различают:

• балочные (рис. 13.7, а), когда от действия вертикальных нагрузок возникают только вертикальные составляющие опорных реакций;

• консольные (рис. 13.7, б), когда опоры ферму расположены только с одной стороны фермы;

• распорные (13.7, в), когда от действия только вертикальных нагрузок возникают вертикальные и горизонтальные составляющие опорных реакций;