Типы сечений стальных стропильных ферм
Обновлено: 09.05.2024
Расчет ферм начинают с определения нагрузок, передающихся на ферму в виде сосредоточенных сил в узлах.
Постоянные нагрузки стропильных ферм состоят из собственного веса кровельных покрытий с настилами и паро-тепло-гидроизоляцией, веса прогонов, фонарей (если они имеются) и собственного веса ферм и связей между ними. К временным нагрузкам относят снеговую, ветровую, крановую и другие виды нагрузок. Большинство нагрузок является равномерно распределенными. Их подсчитывают сначала на 1 м 2 , затем определяют грузовую площадь, приходящуюся на один узел, после чего определяют сосредоточенную силу, действующую на каждый узел фермы:
где ∑qin — сумма нормативных равномерно распределенных нагрузок на 1 м 2 горизонтальной проекции; γfi — коэффициенты надежности по нагрузке; а — расстояние между фермами (шаг ферм); lm — длина панели верхнего пояса фермы.
При скатных кровлях нагрузку от собственного веса кровли принимают равной q/cos а. Собственный вес легких стропильных ферм, связей и прогонов, отнесенный к 1 м 2 , можно определить по таблице ниже.
Ориентировочный нормативный расход стали на элементы стального каркаса производственного здания, кПа
При определении усилий от снеговой нагрузки в фермах (за исключением треугольных) необходимо учитывать, что снег может лежать на всей кровле или только на одном скате (на половине пролета фермы). Также следует учитывать несимметричность воздействий на ферму подвесных кранов. Полное симметричное загружение обычно вызывает наибольшие усилия в поясах и в элементах решетки, расположенных ближе к опорам. Несимметричное загружение может создать существенное изменение усилий и даже перемену их направлений в элементах решетки, расположенных ближе к середине пролета.
Усилия в элементах ферм можно определять с использованием ЭВМ или аналитически. Удобнее использовать широко распространенные программы расчета на ЭВМ. Аналитический метод (метод сечений или вырезания узлов) обычно применяют, если необходимо определить усилия в одном или нескольких элементах фермы. При выборе типа (формы) сечений для элементов ферм следует останавливаться на таких, на которые расходуется меньше металла. Принятый тип сечений должен обеспечивать удобство изменения площади поперечного сечения поясов, возможность устройства их стыков, а также удобство конструирования узлов.
При этом необходимо иметь в виду не только узлы в плоскости основных ферм, но и узлы примыкания связей, прогонов, балок подъемно-транспортного оборудования и т. п. Примыкающие к фермам элементы обычно крепят к поясам или стойкам. Сечения элементов ферм, как правило, принимают симметричными относительно плоскости фермы. Конструктивно наиболее удобным, а потому и наиболее распространенным в легких фермах, является сечение, составленное из двух уголков в виде тавра (рис. ниже).
Сечения элементов легких ферм
Узлы ферм в этом случае образуют с помощью фасонок, к которым с двух сторон прикрепляют стержни поясов и решетки. Сечения могут быть скомпонованы из равно- и неравнополочных уголков, соединенных меньшими полками, расстояние между которыми должно быть достаточным для пропуска фасовки. Сечения из двух равнополочных уголков (рис. выше) применяют для сжатых поясов ферм в тех случаях, когда расчетные длины их в плоскости и из плоскости фермы равны (Ix = Iy), а также для растянутых поясов и элементов решетки. Сечение из двух неравнополочных уголков (рис. выше) целесообразно в сжатых поясах ферм при расчетной длине из плоскости фермы, значительно превосходящей расчетную длину в плоскости фермы.
Крестовые сечения из двух равнополочных уголков (рис. выше) применяют в центральных стойках, к которым примыкают вертикальные связи, чтобы обеспечить центрированное положение последних но отношению к стойкам, что не удается сделать при тавровом сечении.
В последние годы для поясов стропильных ферм применяют тавры (рис. выше), получаемые путем продольной разрезки широкополочных двутавров. Масса таких ферм на 10-15% меньше массы ферм из парных уголков, что объясняется небольшим числом фасо- нок и их малым размером, а также отсутствием соединительных деталей (прокладок) в поясах.
В пространственных фермах (башни, мачты), где пояс является общим для двух взаимно перпендикулярных ферм, применяют сечения из одиночных уголков (рис. выше). Такое же сечение целесообразно для малонагруженных элементов ферм. Возможны и другие сечения из прокатных профилей. Например, сечение из двух швеллеров (рис. выше) целесообразно для элементов, воспринимающих изгибающие моменты от местной нагрузки.
Рациональным сечением для ферм является трубчатое сечение (рис. выше), имеющее одинаковый во всех направлениях радиус инерции.
Сжатые трубчатые элементы требуют значительно меньше стали вследствие своей высокой устойчивости, что делает особенно целесообразным их применение при использовании сталей повышенной и высокой прочности (здесь экономия стали может составить до 25%). При герметизации внутренней полости элементы из труб менее подвержены коррозии. Ограниченность применения ферм из труб объясняется их дефицитом и высокой стоимостью. Близки по свойствам к трубчатым сечениям квадратные или прямоугольные замкнутые гнутосварные профили (рис. выше).
Стержни таврового сечения из двух полос (рис. выше) получают с помощью автоматической сварки. В таких элементах нет узких щелей, недоступных для осмотра, очистки и покраски; это увеличивает их коррозионную стойкость и упрощает эксплуатационное обслуживание. К недостаткам тавровых сечений следует отнести повышенную трудоемкость изготовления (по сравнению с сечением из прокатных уголков) и коробление при сварке.
К подбору сечений приступают после определения расчетных усилий в стержнях ферм и решения вопроса о типе сечений. До этого надо выбрать толщину фасонок, с помощью которых образуют узлы ферм. Толщину фасонок определяют в зависимости от значения наибольшего усилия в стержнях решетки, причем она обычно принимается одинаковой для всей фермы. В фермах больших пролетов допускается применять фасонки двух толщин (с разницей в 2 мм) — для крепления опорного раскоса и для крепления остальных раскосов и стоек. Рекомендуемые толщины фасонок приведены в таблице ниже.
Сечения элементов ферм
При выборе сечения элементов ферм следует отдавать предпочтение профилям с большим радиусом инерции при меньшей площади поперечного сечения. Это объясняется тем, что при работе на сжатие необходимо свести к минимуму потери материала, связанную с обеспечением устойчивости стержня: чем больше радиус инерции, тем меньше гибкость стержня, а значит и большее значение коэффициента продольного изгиба.
Наибольшее распространение в стропильных фермах получили тавровые сечения, скомпонованные из двух прокатных уголков. Эти сечения удобные в конструктивном отношении, обеспечивают простое соединение с фасонкой в узлах.
Для поясов ферм наиболее рациональными являются сечения, сформированы из двух нерпвнополочных уголков. если расчетная длина пояса в плоскости и вне плоскости фермы одинакова (lx = ly), то из условия равной прочности необходимо обеспечить равенстворадиусов инерции сечения ix и iy. В этом случае применяют неравнополочные уголки, расположенные большими полками вместе (Рис. 1.6, а), для которых ix= 0,32h и iy = 0,2b. если расчетная длина lyвдвое больше чем lx, то неравнополочные уголки следует размещать малыми полками вместе (рис. 1.6, б). Для этого сечения
Тавровое сечение из двух равнобедренного уголков (рис. 1.6, в) характеризуется соотношением радиусов инерции ix / iy= 0.8. Такое же соотношение расчетных длин соответствует сжатым элементам решетки, при этом ix = 0,3h и iy= 0,22b. Однако в практике такой тип сечения широко применяется и для поясов в связи с ограниченностью выпуска неравнополочные уголков.
Для стоек, особенно в монтажных узлах и в плоскости размещения вертикальных связей, используют крестовое сечение из двух равносторонних уголков (рис. 1.6, г), для которых радиусы инерции в обоих направлениях одинаковы (ix = 0,2h = iy= 0,2b).
Рис. 1.6. Типы сечений элементов ферм:
а – из неравнополочных уголков большими полками вместе; б — то же малыми полками вместе; в — из равнополочных уголков; г – из крестового сечения уголков; д – из таврового профиля; е — из двутавра; ж — из трубы; и — из гнутого квадратного профиля; к — из гнутого прямоугольного профиля
Учитывая возможности металлургической промышленности, сечения из двух равносторонних уголков в настоящее время являются основными для стропильных ферм, включая типовые конструкции. Использование для элементов ферм широкополочных тавров и двутавров, круглых труб и замкнутых гнутых профилей позволяет повысить эффективность конструкции благодаря более рациональному распределению материала по сечению, применению безфасоночных узлов, что обеспечивает непосредственное соединение раскосов с поясами, повышению коррозионной выносливости стержней с меньшим поверхностным соприкосновением с окружающей средой при одновременном снижении массы ферм. Так, при использовании в традиционных схемах широкополочных тавров (рис. 1.6, д) с сохранением решетки из спаренных уголков масса фермы снижается на 10-12%,вследствие сокращения расходов стали на узловые фасонки. В тавровом сечении сохраняется приближенно соотношение радиусов инерции (ix = 0,3h и iy = 0,2b), согласно сечения, скомпонованного из двух равнополочных уголков.
Прокатные широкополочные двутавры (рис. 1.6, е) применяют в поясах, работающих на местный изгиб (нагрузки приложены вне узлов). В этом случае необходимо развиватьсечение в плоскости фермы для получения большего значениямомента сопротивления. При этом ix = 0,43h и iy = 0,24b. С учетомудобства сопряжения элементов решетки с горизонтальнымиповерхностями поясов, раскосы и стойки проектируют из замкнутых гнутых профилей (рис. 1.6, и, к). Однако, в связи с технологическими сложностями их изготовления (требуется точность резкиторцов гнутых профилей в соответствии с углом наклона раскосови высококачественную сварку различных по толщине элементов), такиефермы не нашли широкого применения. Можно изготавливать решетку из горячекатаных уголков с соединением их споясами через фасонку. Однако, в этом случае возрастаеттрудоемкость изготовления ферм и материалоемкость, поэтому такойвариант возможен только при соответствующем обосновании.
В фермах из сварных труб (рис. 1.6, ж) обеспечиваетсяравнопрочность стержней за счет равенства радиусов инерцииiх = iy = 0,35d. Форма сечения исключает образование ячееккоррозии, существенно сокращает суммарную поверхность грунтовки ипокраски. Трубы обладают почти идеальной формой для сжатыхэлементов, так как при минимальной площади сечения обеспечивают высокиезначения радиусов инерции благодаря отнесению материала на определенную расстояние от центра тяжести. Вследствие этого, а также учитывая отсутствие узловых фасонок, масса трубчатых ферм на 15-20% меньше чем ферм из спаренных уголков. Несмотря на более высокую стоимость трубчатых профилей, такие фермы рациональны.
Аналогичными особенностями отличаются и фермы, спроектированные из замкнутых гнутых прямоугольных (для поясов) и квадратных (для решетки) профилей. Общим недостатком труб и замкнутых профилей является необходимость герметизации внутренних полостей для предотвращения образования ячеек коррозии.
При разработке индивидуальных геометрических схем ферм, отличающиеся генеральными размерами (другие пролеты или высоты), целесообразно ориентироваться на типовые решения, учитывая тот факт, что именно для них приспособлено технологическое оборудование заводов металлических конструкций и накоплен богатый практический опыт сборки ферм из отправочных марок по типовым монтажными узлами.
Указанные типы сечений использованы в типовых решениях ферм, разработанных в соответствии с габаритными схемами одноэтажных производственных зданий. На рис. 1.7 приведены схемы типичных стропильных ферм с членением их на отправные марки.
Типичные фермы из спаренных уголков, а также с поясами из тавров ирешеткой из двух уголков имеют треугольную решетку с дополнительнымистойками (рис.1.7, а). Аналогичные схемы используют для фермс поясами из широкополочных двутавров и круглых труб с некоторымиотступлениями, связанными с особенностями сочетания элементовв узлах.
Фермы с поясами из широкополочных тавров и перекрестной решеткой из одиночных уголков (рис. 1.7, б) отличаются простотой решения узловых соединений, где элементы решетки непосредственно соединяются с поясами электродуговой сваркой с принудительным сквозным проплавлением. При сравнительно незначительном снижении массы конструкции (до 10%) существенно сокращается трудоемкость ее изготовления (на 25-30%) за счет уменьшения количества деталей и длин сварных швов. Их рекомендуют для применения в зданиях с агрессивной средой, потому что элементы таких ферм легко доступны для нанесения антикоррозионной защиты.
Рис. 1.7. Схемы типовых ферм с параллельными поясами:
а — из спаренных уголков и тавров; б — с поясами из тавров и с решеткой из одиночных уголков; в — из замкнутых гнутых профилей
Применение легких сварных ферм с элементами из замкнутых гнутых профилей (рис. 1.7, в), выполненных с треугольной решеткой и нисходящим опорным раскосом, позволяет отказаться от пролетных решение кровли. Профилированный стальной настил непосредственно опирается на верхние пояса ферм, расположенных с шагом 4 м, что соответствует несущей способности настила. Такое решение обеспечивает снижение расхода материалов на 1 м2 покрытия примерно на 15-20%.
Краткие сведения о расчете ферм, типы и подбор сечений стержней
Плоские стальные стропильные фермы: общая характеристика, типы сечений элементов, конструктивные решения узлов
Фермой называют решетчатую конструкцию, образуемую из отдельных прямолинейных стержней, связанных в узлах в геометрически неизменяемую систему.
Ферма в целом работает преимущественно на изгиб, а ее элементы (если нагрузка приложена в узлах, оси элементов пересекаются в центре узлов) на осевые усилия (растяжение или сжатие). Жесткость узлов в легких фермах несущественно влияет на работу конструкции, поэтому в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные.
Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными. Плоские фермы могут воспринимать нагрузку, приложенную в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскости связями или другими элементами.
Основными элементами фермы являются пояса, образующие ее контур, и решетка, состоящая из раскосов и стоек.
Пояса фермы работают в основном на продольные усилия и полностью воспринимают изгибающий момент. Решетка объединяет пояса в одно целое, обеспечивает неизменяемость системы и воспринимает поперечную силу.
Максимальное усилие в элементах пояса при шарнирном опирании однопролетной фермы действует в середине ее пролета, в раскосах – у опоры.
Соединение элементов в узлах фермы осуществляют путем непосредственного примыкания одних элементов к другим или с помощью узловых фасонок.
Классифицируются фермы по назначению, статической схеме, очертанию поясов, системе решетки, способу соединения элементов в узлах и на опоре, величине усилия в элементах, напряженному состоянию.
По назначению фермы подразделяются на стропильные, фермы мостов, подъемных кранов, опор линий электропередачи и другие.
По статической схеме фермы подразделяются на балочные (разрезные, неразрезные, консольные), рамные, арочные и вантовые. Балочные разрезные системы наиболее просты в изготовлении и монтаже, но весьма металлоемки. Неразрезные фермы экономичнее по расходу материала, обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту, но они, как статически неопределимые системы, чувствительны к осадке опор. Рамные и арочные системы экономичны по расходу стали. Их применение рационально для большепролетных зданий. В вантовых фермах все стержни работают только на растяжение и могут быть выполнены из гибких элементов (стальных тросов).
Промежуточными между фермой и сплошной балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами, либо сверху аркой. Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающие моменты в балке и повышают жесткость системы.
В зависимости от очертания поясов фермы бывают с параллельными поясами, треугольные, трапецеидальные, поли Выбор очертания ферм зависит от назначения сооружения, типа и материала кровли, системы водоотвода (малоуклонные рубероидные кровли или металлические и из асбестоцементных листов, которые требуют больших уклонов), типа и размеров фонаря, типа соединения фермы с колоннами (шарнирное или жесткое), статической схемы, вида нагрузок, определяющих эпюру изгибающих моментов (теоретически наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов).
Фермы с параллельными поясами благодаря распространению кровель с рулонным покрытием являются основными для покрытий зданий. По своему очертанию они далеки от эпюры моментов и по расходу стали не экономичны, однако имеют существенные конструктивные преимущества. Равные длины стержней поясов и решетки, одинаковая схема узлов, наибольшая повторяемость элементов и деталей и возможность унификации способствуютт индустриализации их изготовления.
Фермы треугольного очертания рациональны для консольных систем, а также для балочных систем при сосредоточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы). К конструктивным недостаткам треугольных ферм можно отнести сложный острый опорный узел, допускающий только шарнирное сопряжение с колоннами, длинные средние раскосы, подбираемые по предельной гибкости (вызывают перерасход металла). Применение треугольных ферм под распределенную нагрузку диктуется необходимостью обеспечения большого уклона кровли.
Фермы трапецеидального очертания занимают промежуточное место между треугольными и фермами с параллельными поясами, они больше соответствуют эпюре изгибающих моментов, имеют конструктивные преимущества перед треугольными фермами за счет упрощения узлов и возможности устроить жесткий рамный узел, что повышает жесткость каркаса.
Фермы полигонального очертания рационально применять для тяжелых ферм больших пролетов, так как очертание их наиболее близко соответствует параболическому очертанию эпюры изгибающих моментов, что дает значительную экономию металла. Элементы верхнего пояса таких ферм прямолинейны между узлами, криволинейное очертание достигается пе Системы решетки ферм бывают:
– треугольной (образована непрерывным зигзагом раскосов, направленных попеременно в разные стороны), эта решетка может быть дополнена стойками и подвесками, работающими только на местную нагрузку, а также служащими для уменьшения расчетной длины поясов;
– раскосной (непрерывный зигзаг образован раскосами и стойками);
– ромбической и полураскосной;
Оптимальный угол наклона раскосов к нижнему поясу в треугольной решетке α = 45 о (обычно 40 – 50 о ), в раскосной – α = 35 о (обычно 30 –40 о ).
Направление опорного раскоса может быть восходящим (раскос идет от нижнего опорного узла к верхнему поясу) и нисходящим (направление раскоса от опорного узла верхнего пояса к нижнему). В практике проектирования зданий для стропильных ферм чаще применяется восходящий опорный раскос. Такое решение позволяет надежнее обеспечить горизонтальную жесткость рамы здания при работе фермы как ригеля, конструктивно лучше решить опорный узел и расположение связей. При нисходящем раскосе имеется ряд преимуществ: они растянуты (меньше требуют металла); центр тяжести фермы лежит ниже ее линии опирания (ферма более устойчива на монтаже). Недостаток – удлинение колонны на высоту фермы, что влияет на устойчивость колонны.
Выбор типа решетки зависит от схемы приложения нагрузки, очертания поясов и конструктивных требований.
Треугольная система решетки имеет наименьшую суммарную длину элементов и наименьшее число узлов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры. Различают фермы с восходящими и нисходящими раскосами. В местах приложения сосредоточенных нагрузок можно установить дополнительные стойки и подвески. В фермах трапецеидального очертания или с параллельными поясами треугольная система решетки является достаточно эффективной. Недостатком треугольной решетки является наличие длинных сжатых раскосов, работающих на устойчивость.
В раскосной системе решетки все раскосы имеют усилия одного знака, а стойки – другого. При проектировании необходимо стремиться, чтобы длинные раскосы были растянуты, а короткие стойки сжаты. Это требование удовлетворяется при нисходящих раскосах в фермах с параллельными поясами. Раскосная решетка более металлоемка и трудоемка по сравнению с треугольной. Путь усилия от места приложения нагрузка до опоры длиннее, он идет через все стержни раскосной решетки и узлы. Применение раскосной решетки целесообразно при малой высоте фермы и больших узловых нагрузках.
Крестовая решетка одинаково работает при смене направления нагрузки на противоположное и чаще всего выполняется из гибких стержней. В этом случае сжатые раскосы, вследствие большой гибкости, выключаются из работы из-за потери устойчивости (в расчетную схему не входят) и решетка превращается в раскосную с растянутыми раскосами и сжатыми стойками.
Ромбическая и полураскосная решетки благодаря двум системам раскосов обладают большой жесткостью, применяются в фермах большой высоты для уменьшения расчетной длины стержней и особенно рациональны при работе конструкций на значительные поперечные силы.
Шпренгельную решетку применяют для уменьшения размеров панели при рациональном угле раскоса. Она более трудоемка, однако при частом расположении прогонов достигается предотвращение местного изгиба элементов пояса в местах приложения сосредоточенных сил и уменьшение их расчетной длины, что может обеспечить снижение расхода стали.
По способу соединения элементов в узлах фермы подразделяются на сварные и болтовые. Болтовые соединения на высокопрочных болтах, как правило, применяются в монтажных узлах.
По величине максимальных усилий условно различают легкие од-ностенчатые фермы с сечениями элементов из простых прокатных или гнутых профилей (при усилиях в стержнях N ≤ 3000 кН) и тяжелые фермы (N > 3000 кН). Стержни тяжелых ферм отличаются от легких более мощными сечениями, составленные из нескольких элементов, и обычно проектируются двустенчатыми. В качестве легких ферм обычно используются стропильные фермы (фермы кровельного покрытия).
По напряженному состоянию фермы можно разделить на обычные и фермы с регулированным напряжением – с затяжками (шпренгелями), со смещением уровня опор в неразрезных фермах и другие.
Генеральными размерами фермы является ее пролет и высота. Пролет выбирают в зависимости от технологического процесса, который протекает в здании (расстановка оборудования, организация потоков и т.п.). Если нет ограничений технологического характера, пролет назначается из экономических соображений. В целях типизации пролеты ферм унифицируются и принимаются кратными модулю 6 м, т.е. 18, 24, 30, 36, 42 м). В отдельных случаях допускается модуль 3 м.
Высота фермы в середине пролета определяется условиями минимального веса, требуемой жесткости, характеризуемой заданным прогибом, и габаритами при перевозке, как правило, железнодорожным транспортом (наибольший габарит по вертикали 3,85 м). Практически из условий стандартизации геометрической схемы высоту стропильных ферм рационально принимать одинаковой для всех ферм различных пролетов: в типовых фермах трапецеидального очертания – 2,2 м (между обушками на разбивочной оси колонны) и в фермах с параллельными поясами 3,15 м.
Высота треугольной фермы в середине пролета определяется в зависимости от пролета и уклона верхнего пояса и может достигать значительных размеров.
Читайте также: