1.4 Система решіток ферм та їх характеристика

Решітка ферм працює на поперечну силу, виконуючи функції стінки суцільної балки.

Від системи решітки залежить вага ферми, трудоємність її виготовлення, зовнішній вигляд. Оскільки навантаження на ферму передається у вузлах, то решітка повинна відповідати схемі додаткового навантаження.

Схеми решітки ферм мають суттєвий вплив на масу та трудоємність 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.

Напрямок розміщення розкосів у різних типах решіто відіграє певну роль. Якщо перший від опори розкіс (він зветься опорним, бо безпосередньо сприймає опорну реакцію балкової ферми) спрямований знизу догори, тобто є висхідним, то він працює на стиск, а якщо навпаки, тобто є низхідним з обпиранням ферми на опору в рівні верхнього пояса, то - на розтяг. При змінному обрисі поясів під час вибору напрямку опорних розкосів беруться до уваги ще й довжини діагоналей у кожній панелі. Так, для трапецоїдних ферм раціонально використовувати низхідні опорні розкоси, бо в цьому випадку вони мають меншу довжину. Для ферм з паралельними поясами напрямок опорних розкосів не має суттєвого значення (дослідження показують, що незначну (до 3 – 5 %) економію сталі можна досягти, використовуючи низ- хідні розкоси). З метою уніфікації конструктивних рішень у типових фермах використовують висхідні розкоси.

а – трикутна; б – розкісна; в – трикутна з додатковими стояками;

г – шпренгельна; д – ромбічна; є – піврозкісна; ж – хрестова;

з, і – кріплення елементів решітки (1 – вузлова фасонка)

Рисунок 1.3- Схеми решіток ферми

Розкісна решітка застосовується в трикутних фермах. Як правило, перші від опори розкоси виконуються низхідними, бо вони працюють на стиск та забезпечують зручність конструювання опорних вузлів при менших власних довжинах.

Шпренгельна решітка (рис. 1.3, г) використовується в разі необхідності зменшення довжин панелей у фермах великої висоти, а також для виключення місцевого згину при позавузловому прикладанні зовнішнього навантаження. Ромбічна (рис. 1.3, д) та піврозкісна (рис. 1.3, є) решітки забезпечують велику жорсткість ферми і є раціональними при великих поперечних силах. Такі типии решіток застосовують у баштах, щоглах, мостах і рідко в багатопрольотних

покриттях.

Хрестова решітка (рис. 1.3, ж) застосовується в фермах, елементи яких сприймають знакозмінні зусилля від навантажень, що діють з різних боків, наприклад, у в’язевих системах покриттів, мостах, висотних будівлях, у просторових фермах башт та щогол.При цьому вважають, що від прикладеного з одного з боків навантаження працюють тільки розтягнуті стержні, а стиснуті виключаються з роботи. Якщо дія навантаження відбувається з протилежного боку, то зберігається той самий принцип, тільки розкоси міняються місцями.

1.4.1 Панелі ферм

Розміри панелей ферми визначаються під час вибору схеми решітки та погоджуються з кроком несучих елементів покрівлі для того, щоб навантаження від неї були прикладені у вузлах. Як несучі елементи покрівлі розглядають ребра залізобетонних плит або прогони, відстані між якими (довжина панелі), як правило, дорівнюють 1,5 і 3 м. Оптимальний кут нахилу розкосів до поясів визначається за умовами найменших витрат матеріалу решітки та залежить від її типу: при трикутній становить 45°, розкісній - 35°. За конструктивними міркуваннями кут нахилу беруть близьким до 45°, бо при малих кутах вузлова фасонка, до якої кріпляться розкоси у вузлах ферм, виявляється занадто витягнутою в ширину, а при великих є занадто високою (рис. 1.3, з, і). При відповідному обґрунтуванні допускається обпирання прогонів та плит покриття між вузлами. В цих випадках пояс ферми працює ще й на згин, що необхідно враховувати при розрахунках та конструюванні. Якщо застосовується легка покрівля, то можна використовувати розріджену схему решітки, скоротивши кількість її елементів (так звані малоелементні ферми). Слід брати до уваги той факт, що малоелементні ферми мають підвищену деформативність.

1.4.2 Стійкість ферми. Зв’язки

Ферма – плоска конструкція, яка має значну жорсткість у власній площині внаслідок відносно великої висоти самої конструкції. У той же час у перпендикулярному напрямку (позаплощини ферми) її жорсткість недостатня і втрата стійкості стиснутого верхнього пояса може статися на розрахунковій довжині, яка дорівнює всьому прольоту ферми (рис. 1.4, б). Крім того, навіть за наявності прогонів та інших несучих елементів покрівлі, кріплення яких до ферм розглядається як шарнірне, система покриття не має достатньої кількості зв’язків для забезпечення її геометричної незмінності.

Щоб надати системі покриття стійкості, необхідно прикріпити усі ферми до будь-якої „нерухомої точки”, тобто до достатньо жорсткої геометрично незмінної конструкції. Для цього в покриттях влаштовують жорсткі просторові блоки, які складаються з двох суміжних ферм, об’єднаних горизонтальними і вертикальними елементами, що звуться „в’язями”. Кожна грань такого блоку повинна бути геометрично незмінною (геометрична незмінність двох граней блока, що утворені самими фермами, забезпечена їх схемами), тому при виборі схеми горизонтальних в’язей по верхнім і нижнім поясам і вертикальних в торцях блока (тобто на опорах) необхідно враховувати цю вимогу (рис.1.4, а).

Жорсткі блоки розміщують зазвичай в торцях будівлі, а решту ферм прив’язують до них спеціальними елементами (стиснутими розпорками, розтягнутими розтяжками) або використовують для цього поздовжні елементи покрівлі (прогони, ребра залізобетонних плит), які одночасно зі своїми основними функціями відіграють роль в’язей при умові їх закріплення до вузлів в’язевої системи. Розпірки розміщуються в рівні верхніх поясів та між опорами ферм в рівні їх нижніх поясів. Розтяжками вважаються елементи в’язей, поставлені по прольоту в рівні нижніх поясів кроквяних ферм.

а – схема просторового блока; б – схема покриття

при відсутності в’язей; в – те ж при наявності в’язевого блока;

1 – ферми; 2 – вертикальні в’язі; 3 – горизонтальні в’язі;

4 – прогони; 5 – розтяжки в рівні нижніх поясів;

6 – вузол кріплення прогонів до горизонтальних в’язей

в рівні верхніх поясів; 7 – осі поясів при втраті стійкості

поза площиною ферми

Рисунок 1.4- Звязки ферм

В’язі виконують такі функції: забезпечують геометричну незмінність та просторову жорсткість покриття під час монтажу і експлуатації; скорочують розрахункові довжини елементів ферми поза її площиною, зокрема стиснутих верхніх поясів; сприймають зусилля, що виникають від навантажень, прикладених у поздовжньому напрямку будівлі, наприклад, від вітрового

навантаження, діючого на її торець.

Несучі елементи покрівлі – профільований сталевий настил, прогони, залізобетонні плити – утворюють достатньо жорсткий диск у горизонтальному напрямку. Враховуючи це, можна відмовитися від влаштування спеціальних діагональних горизонтальних в’язей в рівні верхнього пояса навіть у жорсткому просторовому блоці. Проте, щоб забезпечити загальну стійкість ферми під час монтажу, коли елементи покрівлі ще відсутні, необхідно збільшити кількість вертикальних в’язей, окрім опорних. Вертикальні в’язі розміщують так, щоб фактична гнучкість стиснутого пояса поза площиною ферми під час монтажу не перевищувала граничного значення 220 [3], тобто:

Виходячи з цієї умови і визначаються відстані між вертикальними в’язями ly . З технологічної точки зору вертикальні в’язі доцільно розміщати в площині стояків решітки ферм, відстані між якими дорівнюють 6 м. Розміри панелей горизонтальної в’язевої ферми по нижнім поясам теж визначаються відстанями між вертикальними в’язями, а при необхідності, якщо фактична гнучкість l y розтягнутих поясів перевищує границю [l ]= 400, необхідно ставити додаткові розтяжки.

При покрівлі із залізобетонних ребристих плит, які мають бути закріплені до верхніх поясів ферм не менш, як у трьох точках, розрахункові довжини стиснутих поясів визначаються відстаням між ребрами. Якщо жорстким диском є профільований настил, то стійкість верхніх поясів забезпечується прогонами, проте тільки тими, які стикуються з вузлами в’язевої системи, тобто нерухомими точками. Такими точками вважаються місця перетину прогонів з вертикальними в’язями жорсткого блока, а також елементів горизонтальних в’язів між собою (рис. 1.4, в).

Якщо покрівля не є жорстким диском, по верхнім поясам ферм слід передбачити поперечні горизонтальні в’язеві ферми і суміщати їх розташування з в’язевими фермами по нижнім поясам.

У будівлях з обпиранням кроквяних ферм на колони в рівні верхнього пояса горизонтальні в’язеві ферми влаштовують в цьому ж рівні, бо вони мають сприйняти горизонтальне навантаження від вітру, прикладене в торець. При залізобетонних плитах покриття ці навантаження сприймаються жорстким диском, утвореним плитами, а при покрівлі з профільованого настилу слід влаштовувати діафрагми жорсткості у вигляді балки, поясами якої служать верхні пояси суміжних кроквяних ферм, розміщених у торцях будівлі, а стінкою – профільований настил з підсиленим кріпленням його до прогонів, або при їх відсутності – безпосередньо до верхніх поясів ферм [2,3].