Стропильные фермы

К лекции 5

Вопросы для самопроверки

1. В чем суть взглядов на науку Галилея?

2. Охарактеризуйте концепцию двух истин Галилея

3. Какие два направления в методологии науки противостояли друг другу в исследуемый период?

4. Чем отличаются резолютивный и композитивный методы познания?

5. Что считает идеалом науки Ф. Бэкон?

6. Какие ложные понятия, "идолы", выделяет Бэкон?

7. Какому методу познания отдавал предпочтение Бэкон?

8. Какие правила, которыми должен руководствоваться исследователь, чтобы достичь объективности, выделяет Декарт?

9. Кто обосновал психологию как науку о сознании?

10. Какие научные достижения оказали наиболее сильное влияние на Декарта?

11. Кто из современников критиковал Декарта?

12. Какие уровни познания выделяет Локк?

13. В чем суть монадологии Лейбница?

Ферма - сквозная несущая конструкция, состоящая из стержней, расположенных в одной плоскости и соединенных между собой в узлах та­ким способом, что они образуют решет­чатую систему, геометрически неизме­няемую даже в том случае, если все реальные узловые соединения будут заменены идеальными шарнирами.

На самом деле узлы фермы не яв­ляются шарнирами. Пояса, как прави­ло, представляют собой неразрезные, проходящие через ряд узлов стержни, а узловые соединения обладают значи­тельной жесткостью и не допускают свободного вращения примыкающих концов решетки. Ближе всего к шар­нирам узлы деревянных ферм (кроме жестких узлов дощатых ферм на ме­таллических зубчатых пластинках). Далее следуют узлы металлических ферм, близость которых к шарнирам обосновывается главным образом гиб­костью элементов решетки. Наиболее далеки от шарнирных, узлы железобе­тонных ферм. Тем не менее, при опреде­лении усилий в элементах фермы все узлы считаются шарнирными.

Фермы являются основой почти всех стержневых конструкций, и разнообра­зие их по назначению чрезвычайно велико. В строительстве кроме стро­пильных и подстропильных встречаются фермы междуэтажных перекрытий, мо­стовые, подкрановые. Фермы изготов­ляют из стали, алюминиевых сплавов, железобетона, дерева. Иногда эти ма­териалы комбинируют, добиваясь наи­более рационального использования их свойств.

Ферма, как конструкция, перекры­вающая пролет, в целом работает на изгиб. Однако ее стержневая структу­ра решена геометрически так, что изгибные явления в ней исключены и трансформированы в продольные уси­лия, растягивающие или сжимающие элементы этой фермы. Ферма — пре­дельно рационализированная балка, из которой удалены все малонапря­женные участки. Во всех ее элементах несущая способность ма­териала использована полностью.

Сравнивая работу внутренних сил балки и фермы, можно заметить, что в ферме нормальные напряжения вос­принимаются поясами, а касатель­ные— решеткой. Возможно, именно поэтому в прошлом веке решет­ка выполнялась по многораскосной схеме, следующей траекториям глав­ных напряжений. Тем не менее со вре­менем сочли более правильным пре­дельно разредить решетку.

Фермы, как и балки, могут быть двухопорными, многоопорными (нераз­резными) и консольными. Неразрезные фермы, будучи заметно разгружены в пролете в результате действия опор­ных моментов, оказываются легче раз­резных. Однако они сложнее в изготов­лении, монтаже и чувствительнее к осадкам опор. Неразрезные и консоль­ные фермы не типизированы и исполь­зуются редко, главным образом для уникальных покрытий больших проле­тов.

По очертанию поясов стропильные фермы делятся на тре­угольные (с прямым или ломаным ниж­ним поясом), четырехугольные (с па­раллельными или непараллельными по­ясами), пятиугольные (трапециевид­ные), многоугольные (полигональные), сегментные (кругового или параболи­ческого очертания).

Очертание верхнего пояса стропиль­ных ферм определяется главным обра­зом архитектурой здания и непремен­но увязывается с выбранным материа­лом кровли и установленным для него уклоном. Линию нижнего пояса определяет наличие подвесного потол­ка, подвесного транспорта и требова­ния интерьера.

Соображения унификации сечений каждого из поясов фермы приводят к требованию примерного равенства уси­лий в их панелях. Удовлетворить это требование можно, если очертания поясов таковы, что высота фермы изменяется по длине пролета пропор­ционально ординатам эпюры изгибаю­щих моментов М. В этом случае усилия в поясе, определяемые формулой Н=М/Н_У будут одинаковыми во всех панелях.

Пояса фермы — ее основные сило­вые элементы, обеспечивающие воспри­ятие продольных усилий, противостоящих действию моментов внешних сил. Функции решетки более разнообразны. Она обеспечивает восприятие сдвигаю­щих усилий при изгибе, удержание поясов в проектном положении, созда­ние узлов как точек приложения сосре­доточенных нагрузок, сокращение рас­четной длины сжатых элементов фермы (т. е. уменьшение их гибкости).-

Ферма — геометрически неизменяемая система: /— верхний пояс; 2 — нижний пояс; 3— раскосы; 4 — стоики; 5— опорный узел; 6— опорный раскос; 7— опорная стойка; 8 — коньковый узел; L— пролет фермы; һ — высота фермы

Эволюция сечения прямоугольного бруса при развитии его в ферму:

Основными типами решетки являются раскосная и треугольная. Определяющий признак раскосной решетки — наличие стоек и раскосов, восходящих или нисходящих к середине фермы. Треугольная решетка отличается переменным направлением раскосов и может обходиться без стоек, которые устанавливают только в тех случаях, когда нужно создать дополнительный узел для опирания кровельного покрытия, подвесного потолка и т. п., а также по соображениям со­кращения длины панели сжатого пояса. Треугольная решетка обладает некоторым преимуществом перед раскосной — меньше общий погонаж стержней и числа узлов. Кроме того, она позволяет удвоить длину панелей нижнего растянутого пояса.

В особых случаях используются специальные системы решетки— крестовая, ромбическая, полураскосная.

Достоинство ромбической и полураскосной решеток — в двукратном сокращении длины стоек, что рационально для высоких ферм больших пролетов.

Рекомендуемая длина панелей ферм равна 3 м, что соответствует ширине типовой кровельной плиты. При использовании 1,5-метровых плит длину панели сокращают соответственно вдвое или вводят в решетку шпренгели.

Важнейшим геометрическим параметром фермы является ее относительная высота Н/1. Чем она больше, тем меньше усилия в поясах, но при этом растет суммарная протяженность эле­ментов решетки. Весовой анализ позволяет установить оптимальное отношение Н/1. При одинаковой высоте наибольшую жесткость имеет ферма с параллельными поясами, наименьшую — треугольная. Фермы пятиугольные, полигональные и сегментные занимают промежуточное положение. Многолетний опыт проектирования, изготовления и монтажа ферм различных типов позволяет рекомендовать р­циональные соотношения Н/1 ферм различных очертаний: с параллельными поясами 1/8... 1/12; полигональные и сегментные 1/6... 1/10; треугольные 1/4...1/6.

По требованиям архитектуры, а также по соображениям стандартизации и унификации деталей проекты типовых ферм от этих пропорций иногда отходят.

Фермы с параллельными поясами проектируют под рулонную кровлю. К их достоинствам можно отнести однотипность узлов и размеров элементов, оптимальные (45...60°) углы между раскосами и поясами.

Треугольные фермы используют как покрытия зданий с крутой холодной кровлей (асбестоцементные плиты, кровельная сталь, черепица и т. п.). Конструктивные недостатки треугольных ферм — разнотипность элементов и узлов, длинные элементы решетки, а также острый опорный узел, у которого в прилегающих панелях развиваются большие усилия; этот узел сложен и ему доступно лишь шарнирное соединение со стойками. Нижний пояс треугольной фермы может быть прямолинейным или ломаным (приподнятым или опущенным). Подъем нижнего пояса как бы «вспарушивает» потолок, но при этом все недостатки треугольных ферм, связанные с остротой опорного узла, усугубляются. Опускание нижнего пояса ниже опор, наоборот, упрощает конструкцию опорного узла, однако сам факт провисания фермы не всегда удовлетворяет требованиям архитектуры интерьера. Треугольные фермы бывают и несимметричными, например, в шедовых покрытиях.

Схемы анализа соответствия очертаний поясов ферм эпюре моментов от равномерно распределенной нагрузки (штриховкой показана «излишняя» высота фермы при постоянном сечении пояса). Фермы: а — треугольная; б — четырехугольная; в, г — пятиугольная; д —многоугольная (полигональная); е — сегментная

Фермы трапециевидные, полигональные и сегментные относятся к наиболее рациональным по расходу материалов и нашли широкое применение в современном строительстве. В них смягчены недостатки рассмотренных выше геометрических схем. Фермы предназначены в основном для рулонных кровель, и окончательный выбор схемы делается с учетом свойств используемых материалов. Фермы трапециевидные обладают рядом достоинств ферм с параллельными поясами и, кроме того, полнее соответствуют эпюре изгибающих моментов. Опорные стойки пролета легко образуют жесткие узлы примыкания к колоннам, что делает возможным использование их в качестве ригелей типовых поперечных рам промышленных зданий.

Безраскосные фермы лишены свойства геометрической неизменяемости. Безраскосная ферма, как несущая конструкция, может существовать только при условии замены ее шарнирных узлов жесткими, т. е. превращением ее в раму, в которой все элементы противостоят не только продольным силам, но и изгибу. Это приводит к необходимости усиления сечений поясов и стоек и ужесточения узлов.

Расход материалов на эти конструктивные усиления не компенсирует экономии, достигнутой за счет удаления раскосов, и безраскосные фермы всегда оказываются более материалоемкими в сравнении с раскосными. Тем не менее безраскосные фермы, особенно с параллельными поясами, позволяют успешно решать ряд архитектурно-планировочных задач.

Фермы иногда делают трехпоясными, в ряде случаев имеющие некоторые преимущества перед двухпоясными. Трехпоясная ферма обладает высоким сопротивлением изгибу в горизонтальной плоскости и кручению. Это избавляет от необходимости постановки дополнительных связей и позволяет повысить устойчивость сжатого контура фермы.

К фермам можно с некоторыми оговорками отнести шпренгельные балки, представляющие собой комбинацию двух- или трехпролетнои неразрезной балки и подпружной тяги. Шпренгельные балки характерны для металлических и деревянных конструкций, где верхним поясом могут служить неразрезные прокатные профили, пиленые брусья или пакеты клееных досок. Имеются удачные примеры шпренгельных железобетонных ферм сравнительно небольших пролетов Шаг фермы определяется архитектурным решением плана здания с учетом требований модульной системы и конструктивных возможностей стропильного покрытия. Если шаг колонн превышает шаг ферм, то используются подстропильные фермы, на которые опирают одну, две или три стропильных. Чем меньше шаг фермы, тем легче покрытие и сами фермы, но число их больше.

-. Подстропильная и стропильная фермы: /—колонна; 2 —подстропильная ферма; 3 — стропильные фермы

Обеспечение пространственной устойчивости ферменного «шатра»:

а — проектное (вертикальное) положение ферм обеспечивают вертикальные связи 1, 2; б — изгибу ферм в горизонтальной плоскости при действии ветра на торец здания препятствуют межферменные связи 3 («ветровые фермы»); в — боковым смещениям ферм при действии ветра на боковые стены здания препятствуют горизонтальные связи 4; г — полная система связей «шатра». Прогоны верхнего пояса к распорки нижнего пояса условно нигде не показаны

. Оптимальный с точки зрения экономики шаг ферм может быть установлен только технико-экономическим анализом Фермы сами по себе — конструкции плоские. Однако, будучи соединены между собой системой связей, они превращаются в своего рода решетчатую структуру с признаками пространственной работы. Система связей обеспечивает пространственную устойчивость стропильного покрытия.

-

Статический расчет ферм. Пояса ферм испытывают сложное напряжение, когда кроме продольных усилий панели поясов подвергаются изгибу. Местного изгиба, вызываемого поперечной нагрузкой, главным образом от внеузлового расположения кровельных и потолочных прогонов или подвесного транспорта, стараются избежать, используя при необходимости дополнительные элементы типа шпренгелей или подвесок. Изгиб панели может быть также вызван внецентренным приложением продольных сил. Как правило, изгиб неизбежен в верхнем поясе сегментных ферм, ось которого отклоняется от направления сжимающих усилии, действующих вдоль хорды, стягивающей соседние узлы. В панелях возникает изгибающий момент отрицательного знака. Этот момент может быть нейтрализован положительным момен­том, который создают, располагая кровельные прогоны между узлами.

Подбор сечений элементов ферм выполняется в соответствии с методиками расчета центрально и внецентренно растянутых или сжатых стержневых элементов.

Дополнительные элементы решетки, показанные пунктирными линиями: а — шпренгели верхнего пояса; б — шпренгели нижнего пояса; в — подвески нижнего пояса

Эпюры изгибающих моментов в панели

верхнего пояса сегментной фермы: а — от эксцентрично приложенного усилия N в поясе; б — от местной нагрузки Р, в — суммарная эпюра

Узлы легких трапециевидных ферм с верхним поясом: в виде тавра из пары уголков.

Покрытия

Дата добавления: 2014-01-14