Расчет и конструирование ферм и их узлов

Фермы рассчитывают как на эксплуатационные нагрузки от покрытия, массы фермы, снега, подвесного оборудования, так и на нагрузки, возникающие при их изготовлении, транспортировании и монтаже. Нагрузка от покрытия и веса фермы считается приложенной к узлам верхнего пояса (при беспрогонном покрытии из крупноразмерных плит 3х6 или 3х12 м), а от подвесного оборудования – к узлам нижнего пояса.

Статический расчет (определение усилий) раскосных ферм производят по расчетной схеме фермы с шарнирными узлами, т.е. влиянием жесткости узлов на прочность пренебрегают (в предельном состоянии по прочности в узлах раскрываются трещины, жесткость узлов резко падает, и влиянием изгибающих моментов можно пренебречь, рассматривая узлы как шарнирные; тогда ферму можно рассматривать как статически определимую систему). Если в такой расчетной схеме нагрузки приложены только в узлы, то во всех элементах фермы будут возникать только осевые усилия – верхний пояс сжат, нижний растянут, элементы решетки сжаты или растянуты. Расчетные усилия при этом определяют обычными способами (построение диаграммы Максвелла-Кремоны, вырезание узлов, метод Риттера) от всех физически возможных невыгодных сочетаний постоянной и временных нагрузок (например, различных схем загружения снегом).

При внеузловой нагрузке на верхний пояс в нем еще возникают и изгибающие моменты.Для их определения расчетную схему верхнего пояса допускается принимать в виде неразрезной балки, опорами которой являются узлы фермы. В этом случае верхний пояс испытывает действие усилий N и M, т.е. внецентренное сжатие.

При наличии выгибов или изломов верхнего пояса учитывают разгружающее действие момента от продольной силы (см. рис. 2). В практических расчетахтакие изгибающие моменты в сечениях криволинейного пояса фермы можно определить приближенно как в неразрезной балке, нагруженной эквивалентной равномерно распределенной нагрузкой, направленной в сторону выгиба (рис. 3). Интенсивность такой нагрузки для каждой панели пояса определяют из равенства моментов от продольной силы и от эквивалентной нагрузки:

откуда ,

где N – продольная сила в рассматриваемой панели пояса;

f – стрелавыгиба для рассматриваемой панели;

l_p –длина рассматриваемой панели пояса.

Эквивалентная нагрузка на горизонтальную проекцию панели

,

где - проекция рассматриваемой панели.

Рис. 3. К расчету арочной фермы

По найденным расчетным усилиям выполняются конструктивные расчеты элементов ферм: верхний пояс рассчитывается и конструируется по правилам проектирования сжатых элементов, нижний пояс – на центральное растяжение, элементы решетки – на сжатие или растяжение.

Расчет трещиностойкости нижнего пояса раскосной фермы следует выполнять с учетом влияния изгибающих моментов, возникающих вследствие жесткости узлов (в эксплуатационной стадии работы трещины в узлах, как правило, отсутствуют и пренебрегать жесткостью узлов нельзя). Эти моменты в фермах со слабо работающей решеткой (например, сегментных) можно определить, рассматривая нижний пояс как неразрезную балку на упруго проседающих опорах, либо как неразрезную балку с заданными осадками опор. Осадки находят либо по диаграмме перемещений стержней фермы (диаграмма Виллио) либо из расчета на любом ВК.

Статический расчет безраскосных ферм производят с учетом жесткости узлов (т.е. как многократно статически неопределимую стержневую систему с замкнутыми контурами) с использование вычислительных комплексов «ЛИРА», «SCAD» и др. В поясах и стойкахбезраскосных ферм действуют усилия M, N и Q, в соответствии с которыми пояса и стойки рассчитываются и конструируются как внецентренно сжатые (с учетом гибкости) или внецентренно растянутые элементы.

¨ Армирование элементов и узлов ферм. Напрягаемая арматура нижнего пояса размещается по сечению пояса симметрично с тем, чтобы обеспечить равномерное обжатие(рис. 4, сеч.1-1, поз. 1). Чтобы предотвратить появление продольных технологических трещин или усадочных трещин напрягаемая арматура окаймляется легкими П-образными каркасами из проволоки Æ5-6 мм (каркас К-3 на рис. 4). Длина каркасов принимается не более 2…3 м, чтобы они не препятствовали равномерному обжатию пояса. Верхний пояс и элементы решетки армируются пространственными каркасами с продольной рабочей арматурой классов А400-А500 по расчету (рис.4, сеч. 2-2 и 3-3, каркасы К-1 и К-2).

Рис. 4. Армирование сегментной раскосной фермы:1 – напрягаемая арматура нижнего пояса; 2 – продольная арматура конструктивных каркасов К-3; 3 – поперечная арматура каркасов узлов; 4 – окаймляющий цельногнутый стержень каркаса узла; 5 – конструктивная продольная ненапрягаемая арматура в узле нижнего пояса; 6 – опорная закладная деталь; 7 – конструктивная сетка

В каркасах типа К-2 количество продольных стержней должно быть не менее 4-х.

Особое внимание при конструировании ферм уделяется армированию узлов. Так, в опорном узле, воспринимающем большие поперечные силы и весьма значительное по величине усилие обжатия, размещается следующая арматура (рис. 4, узел Б):

- поперечные стержни 3 диаметром ≥ 10 мм с шагом 100 мм, объединенные контурным стержнем 2 в плоский каркас, ставятся по расчету и обеспечивают прочность опорного узла при двух наиболее вероятных схемах разрушения: на отрыв по линии АВД₁ (рис. 5) и на изгиб по сечению АВС (рис. 6);

- дополнительная продольная ненапрягаемая арматура 5, компенсирующая пониженное расчетное сопротивление напрягаемой арматуры (вследствие недостаточной анкеровки) в пределах опорного узла;площадь сечения этой арматуры определяется по усилию, составляющему 20% расчетного усилия в приопорной панели нижнего пояса;

- сетки косвенного армирования С-1 для предотвращения образования продольных трещин в бетоне при обжатии и улучшения условий анкеровки напрягаемой арматуры;

- опорная пластина 6 с приваренными к ней вертикальными стержнями Æ16А400 (4-6 шт.).

В промежуточных узлах фермы устанавливаются такого же типа плоские каркасы с поперечной арматурой Æ6…10 мм и цельногнутыми окаймляющими стержнямиÆ10…18 мм (рис. 4, узлы А и В, каркасы К-4, К-5). Данная арматура должна компенсировать понижение расчетного усилия в арматуре растянутого раскоса на длине ее заделки за нижнюю грань верхнего пояса (рис. 7). [При определенной нагрузке в узле возникает трещина (см. рис. 7, а), что уменьшает длину заделки арматуры растянутого раскоса в узле и ослабляет ее анкеровку, вследствие чего на длине заделки арматура раскоса работает с пониженным расчетным сопротивлением (т.е. с пониженным расчетным усилием). Поэтому арматура растянутых элементов решетки должна быть обязательно заведена в пояс. При недостаточной длине анкеровки l ₁на концах этих стержней устраивают анкера в виде приваренных коротышей, петель и шайб (см. рис. 4)].

Рис. 7. Схема отрыва растянутого раскоса и армирования промежуточного узла фермы

Аналогично армируются и промежуточные узлы нижнего пояса.

Типовые сегментные раскосные фермы пролетом 24 м из бетона классов В30, В40 имеют следующие технико-экономические показатели:

Шаг 6 м Шаг 12 м

масса ферм, т 9,2 14,9…18,6

объем бетона, м³ 3,68 5,94…7,42

расход стали*, кг 557…625 1096…1539

* - при армировании растянутого пояса стержневой арматурой.

Сегментные раскосные фермы экономичнее арочных безраскосных по расходу арматуры приблизительно на 10%, по расходу бетона – приблизительно на 12%. При подвесных кранах расход стали в фермах увеличивается на 20-30%.

Дата добавления: 2015-07-13