Вузли анкерні болти і колона оголовок. База металевої колони

Оголовок колони служить опорою для конструкцій (балок, ферм) і розподіляє зосереджену навантаження на колону рівномірно по перерізу стрижня.

Поєднання балок з колонами може бути вільним і жорстким. Шарнірне сполучення передає лише вертикальні навантаження (а, б, в, г, д).

Жорстке сполучення балок з колонами утворює рамну систему (е).

При відмиканні балок зверху опорний вузол вищележачої конструкції має поперечне ребро з фрезерованим торцем, що виступає на 15-25 мм, через який передається тиск на колону (рис. а, б, д). Рідше застосовують конструкція вузла, де опорний тиск передається внутрішнім ребром балки, розташованим над полицею колони (г, г). Якщо поперечне опорне ребро вищележачих балки має торець, що виступає (а, б, д), то опорне тиску передається спочатку на опорну плиту оголовка колони, потім на опорне ребро оголовка, з цього ребра – на стінку колони (або траверсу в наскрізній колоні (д) Опорна плита оголовка служить для передачі тиску з торців балки на опорні ребра оголовка, тому її товщина визначається не розрахунком, а конструктивними міркуваннями і приймається зазвичай 16-25мм.

З опорної плити тиск передається на опорні ребра оголовка через зварні горизонтальні шви, прикріплюються торці ребер до плити.

Катет цих швів визначається за формулою

При встановленні опорної плити на фрезерований торець стрижня колони забезпечує повне прилягання плити до ребра колони і опорний тиск передається безпосереднім контактом поверхонь, а зварні шви, що прикріплюють, опорну плиту приймаються конструктивно.

Ширина опорного ребра визначається за умови міцності на стиск.

Крім того, повинна дотримуватися умова, що забезпечують місцеву стійкість опорного ребра.

Низ опорних ребер оголовка зміцнюється поперечними ребрами, що перешкоджають їх скручування з площини колони при нерівномірному тиску торців балок, що лежать вище, що виникають від неточності виготовлення і монтажу.

З опорних ребер тиск на стінку колони передається через кутові шви. Тому потрібна довжина ребер.

Розрахункова довжина швів у своїй має перевищувати .

Ребра також перевіряють на зріз: ,

де 2 - Число зрізів;

- Товщина стінки колони або траверси наскрізної колони.

При великих опорних тисках напруги зрізу стінці перевищують розрахунковий опір. У цьому випадку збільшують довжину ребра або приймають товщу стінку. Можна збільшити товщину стінки лише в оголовку колони (б). Це рішення знижує витрати металу, але менш технологічно у виготовленні.

Подальший розподіл тиску зі стінки колони, по всьому перерізу стрижня суцільної колони забезпечується суцільними швами, що з'єднують полиці та стінку.

У наскрізних колонах (д) тиск з траверси передається на гілки колони через кутові шви, катет яких повинен бути не меншим:

Оголовок колони з опорними ребрами балок, розташованими над полицями колони (в) конструюється і розраховується аналогічно попередньому, тільки роль опорних ребер оголовка виконують полиці колони. Якщо тиск з плити оголовка передається на колону через зварні шви (торець колони не фрезерований), то катет зварних швів, що прикріплюють одну полицю колони до плити, визначається з умови їх зрізу реакцією однієї балки:

де - опорна реакція однієї балки, - ширена полиці колони.

Якщо торець колони фрезерується, зварні шви приймаються конструктивно з мінімальним катетом. Щоб забезпечити передачу опорного тиску по всій ширині опорного ребра балки при великій ширині поясів балок та вузьких полицях колон, доводиться проектувати траверсу (мал. г). Умовно приймається, що опорний тиск з плити передається спочатку повністю на траверсу, а потім з траверси на полицю колони, відповідно розраховують шви кріплення траверси до плити і колони. При спиранні конструкції на колону збоку (е) вертикальна реакція передається через струганий торець опорного ребра балки на торець опорного столика і з нього на полицю колони. Товщина опорного столика приймається на 5-10мм більше за товщину опорного ребра балки. Якщо опорна реакція балки не перевищує 200 кН, опорний столик роблять з товстого куточка зі зрізаною полицею, при більшій величині реакції столик роблять з листа зі струганим верхнім торцем. Кожен із двох швів, що прикріплюють столик до колони, розраховується на 2/3 опорної реакції, чим враховується можлива непаралельність торців балки та столика, через неточність виготовлення і у зв'язку з цим нерівномірна передача тиску між торцями. Необхідну довжину одного шва кріплення столика визначають за такою формулою:

Іноді столик приварюють не тільки по баках, а й по нижньому торцю, в цьому випадку загальну довжину шва визначають по зусиллю, що дорівнює

База колони – нижня частина колони, що передає навантаження фундамент.

Бази колон повинні виконувати такі завдання: 1) Надійно фіксувати нижню частину стрижня колони на фундаменті; 2) сприймати навантаження від стрижня колони та розподіляти її за площею фундаменту. Фундаменти, як правило, виконані із монолітного або збірного залізобетону.

Мал. 1. Умовно шарнірна основа.

Використовується для центрально-стислих колон. Складається із опорної плити, на яку встановлюється фрезерований торець стрижня.

Мал. 2. Жорстка база

Жорстка базау площині анкерних болтів та шарнірнаіз площини анкерних болтів. Використовується для стійок фахверку тощо. Складається із опорної плити, яка кріпиться до фундаменту анкерними болтами.

Мал. 3. Жорстка база

Використовується для стисло-згинальних колон. Складається із опорної плити, яка кріпиться до фундаменту анкерними болтами.

Мал. 4. Шарнірна основа.

Використовується для центрально-стислих колон. Складається із опорної плити, яка кріпиться до фундаменту анкерними болтами.

Мал. 5. Жорстка база

Використовується для стисло-згинальних колон. Складається із опорної плити, посиленої ребрами жорсткості, яка кріпиться до фундаменту анкерними болтами.

Поєднання балок з колонами може бути вільне(шарнірне) та жорстке. Вільне сполучення передає лише вертикальні навантаження. Жорстке сполучення утворює рамну систему, здатну сприймати горизонтальні дії та зменшувати розрахунковий момент у балках. В цьому випадку балки примикають до колони збоку.

При вільному поєднанні балки ставлять на колону зверху, що забезпечує простоту монтажу.

У цьому випадку оголовок колони складається з плити та ребер, що підтримують плиту та передають навантаження на стрижень колони (рис.).

Якщо навантаження передається на колону через фрезеровані торці опорних ребер балок, розташованих близько до центру колони, плита оголовка підтримується знизу ребрами, що йдуть під опорними ребрами балок (мал. а і б).

Мал. Оголовки колон при спиранні балок зверху

Ребра оголовка приварюють до опорної плити і гілок колони при наскрізному стрижні або стіні колони при суцільному стрижні. Шви, що прикріплюють ребро оголовка до плити, повинні витримувати повний тиск на оголовок. Перевіряють їх за формулою . (8)

Висоту ребра оголовка визначають необхідною довжиною швів, що передають навантаження на стрижень колони (довжина швів не повинна бути більшою за 85∙β w ∙k f:

. (9)

Товщину ребра оголовка визначають з умови опору на зминання під повним опорним тиском (10)

де - довжина поверхні, що зминається, рівна ширині опорного ребра балки плюс дві товщини плити оголовка колони.

Призначивши товщину ребра, слід перевірити його на зріз за формулою:

. (11)

При малих товщинах стінок швелерів наскрізної колони і стінки суцільної колони їх треба перевірити на зріз у місці прикріплення до них ребер. Можна в межах висоти оголовка зробити стіну більш товстою.

Щоб надати жорсткість ребрам, що підтримують опорну плиту, і зміцнити від втрати стійкості стінки стрижня колони в місцях передачі великих зосереджених навантажень вертикальні ребра, що сприймають навантаження, обрамляють знизу горизонтальними ребрами.

Опорна плита оголовка передає тиск від конструкції, що знаходиться вище, на ребра оголовка і служить для скріплення балок з колонами монтажними болтами, що фіксують проектне положення балок.

Товщина опорної плити приймається конструктивно не більше 20-25 мм.

При фрезерованому торці колони тиск від балок передається через опорну плиту безпосередньо на ребра оголовка. У цьому випадку товщина швів, що з'єднують плиту з ребрами, як і з гілками колони, призначається конструктивно.

Якщо балка кріпиться до колони збоку, вертикальна реакція передається через опорне ребро балки на столик, приварений до полиць колони. Торець опорного ребра балки і верхній край столика прилаштовуються. Товщину столика приймають на 20-40 мм більше за товщину опорного ребра балки.

Мал. Спирання балки на колону збоку

Столик доцільно приварювати до колони з трьох боків.

Щоб балка не зависла на болтах і щільно стала на опорний столик, опорні ребра балки прикріплюють до стрижня колони болтами, діаметр яких повинен бути на 3 - 4 мм менше діаметра отворів.

29. Конструювання ферм. Загальні вимоги

Конструювання ферм починають з креслення осьових ліній, що утворюють геометричну схему ферми.

Потім наносять контури стрижнів так, щоб осьові лінії збігалися із центрами тяжкості перерізів. Для несиметричних перерізів (таврів, куточків) прив'язки осей заокруглюють до 5 мм.

Коли перетин пояса по довжині ферми змінюється, в геометричній схемі приймають одну осьову лінію поясів і прив'язують до неї елементи пояса. Для зручності спирання елементів, що примикають (для ферм перекриттів - настилу або прогонів) верхню грань пояса зберігають на одному рівні. Місця зміни перерізу поясів виносять від центру вузла у бік меншого зусилля. Різання стрижнів решітки виробляють нормально до осі стрижня; для великих стрижнів можна допустити косу різання зменшення розмірів фасонок. Для зниження зварювальних напруг у фасонках, стрижні решітки не доводять до поясів на відстань рівному шести товщин фасонок, але не більше 80 мм. Між торцями елементів, що стикуються, поясів ферм, що перекладаються накладками, залишають зазор не менше 50 мм.

Товщину фасонок вибирають залежно від діючих зусиль (табл. 7.2). При значній різниці зусиль у стрижнях грат можна приймати дві товщини в межах відправного елемента. Допустима різниця товщин фасонок у суміжних вузлах - 2 мм.

Розміри фасонок визначають за необхідною довжиною швів кріплення елементів. Необхідно прагнути до найпростіших контурів фасонок, щоб спростити їх виготовлення та зменшити кількість обрізків.

Ферми прольотом 18 – 36 м розбивають на два відправних елементи з укрупнювальними стиками середніх вузлах. Доцільно для зручності укрупнювального складання та виготовлення проектувати так, щоб права та ліва напівферми були взаємозамінними.

Ферма - система стрижнів, з'єднаних між собою у вузлах і які утворюють геометрично незмінну конструкцію. Ферми бувають плоскими (всі стрижні лежать в одній площині) та просторовими.

Плоскіферми (рис. а) можуть сприймати навантаження, прикладене тільки в їх площині, і потребують закріплення зі своєї площини зв'язками або іншими елементами. Просторові ферми (рис. б, в) утворюють жорсткий просторовий брус, здатний сприймати навантаження, що діє у будь-якому напрямку. Кожна грань такого бруса є плоскою фермою. Прикладом просторового бруса може бути баштова конструкція (рис. г).

Мал. Плоска (а) та просторові (б, в, г) ферми

30.Ферми з парних куточків

У фермах із стрижнями із двох куточків, складених тавром, вузли проектують на фасонках, які заводять між куточками. Стрижні грати прикріплюють до фасонки фланговими швами (рис. а).

Зусилля в елементі розподіляється між швами по обушку та перу куточка обернено пропорційно їх відстаням до осі стрижня:

де b - ширина полиці куточка;

z 0 - відстань від центру ваги куточка до його обушка.

а - кріплення розкосу до фасонки; б – проміжний вузол;

в, г – спирання прогонів та плит

Малюнок – Вузли ферм із парних куточків

Для прокатних куточків у практичних розрахунках значення коефіцієнтів a1 і a2 можна прийняти за таблицею.

Кінці флангових швів зниження концентрації напруг виводять на торці стрижня на 20 мм (рис. а). До поясу фасонки рекомендується прикріплювати суцільними швами мінімальної товщини. Фасонки випускають за обушки поясних куточків на 10...15 мм (рис.б). Шви, що прикріплюють фасонку до пояса, за відсутності вузлових навантажень розраховують на різницю зусиль у суміжних панелях пояса (рис.б) N = N 2 – N 1 . У місці спирання на верхній пояс прогонів або покрівельних плит фасонки не доводять до обушків поясних куточків на 10...15 мм.

Щоб прикріпити прогони, до верхнього пояса приварюють ферми куточок з отворами для болтів. У місцях опирання крупнопанельних плит, якщо товщина поясних куточків менше 10 мм при кроці ферм 6 м і менше 14 мм при кроці ферм 12 м, верхній пояс ферм для запобігання відгину полиць підсилюють накладками t = 12мм. Щоб уникнути ослаблення перерізу верхнього пояса, не слід приварювати накладки поперечними швами.

Якщо до вузла прикладена зосереджена навантаження (рис. в), то шви, що прикріплюють фасонку до пояса, розраховують на спільну дію поздовжнього зусилля (від різниці зусиль у поясах) та зосередженого навантаження. Умовно зусилля F передається на ділянки швів l 1 і l 2 . Напруги у швах від цього зусилля ; (1)

від поздовжнього зусилля

де S l w – сумарна довжина швів кріплення пояса до фасонки.

Міцність шва перевіряють на спільну дію зусиль за формулою

Під час розрахунку вузлів зазвичай задаються k f і визначають необхідну довжину шва.

Фасонки ферм з трикутними гратами слід конструювати прямокутного контуру, а з розкосними гратами – у вигляді прямокутної трапеції.

Для забезпечення плавної передачі зусилля та зниження концентрації напруги кут між краєм фасонки та елементом решітки повинен бути не менше 15°. Стики поясів необхідно перекривати накладками, виготовленими з куточків (рис.а) (при однаковій товщині поясів) або листів (рис.б). Задля більшої спільної роботи куточків їх з'єднують прокладками. Відстань між прокладками має бути не більше 40 i для стиснутих елементів та 80 i для розтягнутих, де i - радіус інерції одного куточка щодо осі, паралельної прокладці. При цьому в стиснених елементах ставиться не менше двох прокладок.

про - з кутовими накладками, б -з листовими накладками

Мал. - Вузли ферм із зміною перерізу пояса:

Конструкція опорних вузлів ферм залежить від виду опор (металеві або залізобетонні колони, цегляні стіни і т.д.) та способу сполучення (жорсткий або шарнірний).

При вільному опиранні ферм на нижчу конструкцію опорний вузол показаний на рис. Тиск ферми F R через плиту передається на опору. Площа А пл визначають за несучою здатністю матеріалу опори: , (7.9)

де R оп - розрахунковий опір матеріалу опори на стиск.

Опорну плиту прикріплюють до опори на болтах анкерних. Аналогічно конструюють опорний вузол при спиранні ферми на рівні верхнього пояса (рис. б).

При шарнірному поєднанні найбільш простим є вузол спирання ферми на колону зверху з використанням додаткової стійки (надколінка) (див. рис.).

Опорний тиск ферми передається з опорного фланця ферми через фрезеровані поверхні опорну плиту колони. Опорний фланець для чіткості спирання виступає на 10...20 мм нижче за фасонку опорного вузла. Площа торця фланця визначається за умови зминання: А³F R / R p ,

де R p - розрахунковий опір стали зім'яттю торцевої поверхні (за наявності підгонки).

Малюнок – Вільне опирання ферми Мал. – Спирання ферми на колону зверху

Верхній пояс ферми конструктивно на болтах грубої чи нормальної точності (клас точності З чи В) прикріплюють до фасонки надколонника. Для того, щоб вузол не міг сприйняти зусилля від опорного моменту і забезпечував шарнірність сполучення, отвори у фасонках роблять на 5...6 мм більше діаметра болтів.

Для проектування жорсткого вузла пари ферми з колоною необхідно прикріпити ферму до колони збоку (рис.). При жорсткому поєднанні у вузлі виникає крім опорного тиску F R момент М. Передача цих зусиль проводиться окремо.

Опірний тиск F R передається на опорний столик. Опорний столик роблять із листа t=30...40 мм або при невеликому опорному тиску (F R ≤200...250 кН) з куточків зі зрізаною полицею. Опорний фланець прикріплюють до полиці колони на болтах грубої або нормальної точності, які ставлять отвори на 3...4 мм більше діаметра болтів, щоб вони не могли сприйняти опорну реакцію ферми у разі нещільного спирання фланця на опорний столик.

Мал. - Примикання ферми до колони збоку

Момент розкладається на пару сил Н = М/h оп, що передаються на верхній та нижній пояси ферми. Найчастіше опорний момент має знак мінус, тобто. спрямований проти годинникової стрілки. В цьому випадку зусилля Н притискає фланець вузла нижнього пояса до колони. Напруги на поверхні контакту невеликі і їх можна не перевіряти. Болти ставлять конструктивно (зазвичай б... 8 болтів діаметром 20...24 мм). Якщо в опорному вузлі виникає позитивний момент, то зусилля Нотриває фланець від колони і болти слід перевірити на розтяг.

Сталеві колони

БУДІВЕЛЬ ТА СПОРУД

Для підтримки міжповерхових перекриттів та покриттів будівель, робочих майданчиків та естакад застосовуються центрально-стислі колони. Конструкція колони представляє собою власне стрижень і опорні пристрої - оголовок і основу. На оголовок спираються вищележачі конструкції будівлі, що безпосередньо навантажують колону, стрижень колони передає навантаження від оголовка до бази і є основним конструктивним елементом, а база передає все отримане навантаження від стрижня на фундамент.

Типи колон

Існує три типи колон, що застосовуються в каркасах будівель:

- Колони постійного перерізу;

- Колони змінного перерізу (ступінчасті);

- Колони роздільного типу.

Колони постійного перерізувикористовуються в безкранових будинках та в будинках з можливістю застосування підвісних та мостових електричних вантажопідйомних механізмів вантажопідйомністю до 20т, як правило з корисною висотою від рівня підлоги до низу кроквяних ферм не більше 12м.

При використанні кранів вантажопідйомністю понад 15 т застосовуються східчасті колонищо складаються з двох частин, верхня частина зазвичай являє собою зварену або прокатну двотаврову балку, нижня частина складається з шатрової та підкранової гілки, які з'єднуються між собою або зв'язками у вигляді суцільного листа, або наскрізною решіткою з гарячекатаних куточків.

Колони роздільного типу застосовуються в будинках з кранами вантажопідйомністю понад 150 т та висотою 15-20м. Шатрова та підкранова стійка в такій конструкції з'єднуються між собою рядом гнучких у вертикальній площині горизонтальних планок за рахунок чого йде поділ сприйняття навантажень, підкранова стійка сприймає тільки вертикальне зусилля від мостового крана, а шатрова гілка збирає всі навантаження від каркасу та покриття будівлі.

Перетин колон

Стрижні колон виконують з одиночних широкополочних двотаврів або складають з декількох прокатних профілів, складові стрижні поділяються на наскрізні та суцільні. Наскрізні у свою чергу діляться на безрозкосні, ґратчасті та перфоровані.

Суцільні колонинайчастіше являють собою зварний або прокатний широкополочний двотавр, де перевага має зварний варіант за рахунок можливості підібрати оптимальний переріз для забезпечення необхідної жорсткості в колоні з одночасною економією матеріалу. Досить прості у виготовленні колони хрестового перерізу, які рівностійкі у двох напрямках. При однакових габаритах хрестовий перетин виграє у двотаврового за рахунок більшої жорсткості. Так само до суцільних відносяться колони замкнутого перерізу, які можуть складатися зі спарених прокатних швелерів, гнутих електрозварних профілів або круглих труб, суттєвий недолік такого варіанта - відсутність внутрішньої поверхні для обслуговування, що може призвести до швидкого корозійного зносу.

Наскрізні колонихарактерна конструктивна схема являє собою дві гілки (зі швелерів, двотаврів або труб) пов'язані між собою ґратами, що забезпечують спільну роботу гілок стрижня колони. Системи решіток застосовуються з розкосів, розкосів і розпірок, безраскосного типу у вигляді планок. Ґрати колони зазвичай розміщують у двох площинах і виконують з одиночних куточків, віддаючи перевагу безфасонному з'єднанню, з кріпленням безпосередньо на полицях гілок стрижня. Для запобігання закручування таких колон та збереження їх контуру по торцях встановлюються діафрагми.

Деталі та вузли колон

Оголовки колон. Існує два проектні рішення спирання кроквяних ферм і ригелів на колони, при шарнірному вільному приєднанні - балки зазвичай встановлюють зверху, при шарнірному та жорсткому кріпляться збоку.

При верхньому приєднанні оголовок колони є опорною плитою і ребрами жорсткості, які передають навантаження на тіло колони. Ребра оголовка приварюються до плити та гілок колони при наскрізному стрижні або до стін колони при суцільному стрижні. Висоту і товщину ребер призначають із умови необхідної довжини зварних швів, які повинні витримувати повний тиск на оголовок і від опору зім'яттю під впливом опорного тиску. Для компенсації перекосу приєднувальних фланців, надання додаткової стійкості та жорсткості вертикальним ребрам, їх за необхідності обрамляють поперечними ребрами. Опорна плита є зазвичай струганою пластиною товщиною 20...30мм, для легких колон 12...30мм, розмір контуру плити в плані призначають більше контуру колони на 15...20мм.

При бічному приєднанні опорна реакція передається через опорне ребро сусідньої балки на столик, приварений до підлог колони. Торець опорного ребра балки та столик фрезеруються, товщина столика приймається на 20...40мм більше товщини опорного ребра.

База колонє опорною частиною колони і служать передачі зусилля з колони на фундамент. Конструктивне рішення бази залежить від типу та висоти перерізу стрижня, способу сполучення з фундаментом та методу монтажу колон. Поділяються на загальні та роздільні бази, які можуть бути без траверс, із спільними або роздільними траверсами одностінними або двостінними. Основні розміри опорної плити призначають залежно від типу баз та розрахунку вигин. Отвори під анкерні болти закладають на 20...30мм більше їх діаметра, натяг роблять через шайби, які потім приварюють до плити. Для забезпечення жорсткості бази та зменшення товщини опори встановлюють траверси, ребра та діафрагми, але за рахунок цього база з траверсами виходить більш габаритною порівняно з безтраверсною. Бази наскрізних колон зазвичай проектують роздільного типу, кожна гілка має власну навантажену базу. Однак якщо висота перерізу колони менше 1м допускається застосування загальної бази, як у суцільних колон розглянутих вище.

Консоліслужать для спирання підкранових балок на колони постійного перерізу, переважно застосовуються одностінчасті, при необхідності передачі великих зусиль використовують – двостінчасті.

При вільному поєднанні балки ставлять на колону зверху, що забезпечує простоту монтажу.

Мал. Оголовки колон при спиранні балок зверху

. (8)

. (9)

Товщину ребра оголовка визначають з умови опору на зминання під повним опорним тиском

, (10)

Призначивши товщину ребра, слід перевірити його на зріз за формулою:

. (11)

Товщина опорної плити приймається конструктивно не більше 20-25 мм.

Мал. Спирання балки на колону збоку

Столик доцільно приварювати до колони з трьох боків.

Лекція 13

Ферми. Загальна характеристика та класифікація

Мал. Плоска (а) та просторові (б, в, г) ферми

Основними елементами ферм є пояси, що утворюють контур ферми, та грати, що складаються з розкосів та стійок (рис.).

1 – верхній пояс; 2 - нижній пояс; 3 - розкоси; 4 - стійка

Мал. Елементи ферм

Відстань між вузлами пояса називають панеллю ( d ) , відстань між опорами - прольотом ( l ), відстань між осями (або зовнішніми гранями) поясів - висотою ферми ( h ф).

Пояси ферм працюють в основному на поздовжні зусилля та момент (аналогічно поясам суцільних балок); грати ферм приймає переважно поперечну силу.

Сполуки елементів у вузлах здійснюють шляхом безпосереднього примикання одних елементів до інших (рис. а) або за допомогою вузлових фасонок (рис. б) . Щоб стрижні ферм працювали переважно на осьові зусилля, а впливом моментів можна було знехтувати, елементи ферм центрують по осях, що проходять через центри тяжкості.

а – при безпосередньому примиканні елементів ґрат до пояса;

б – при з'єднанні елементів за допомогою фасонки

Мал. Вузли ферм

Ферми класифікують за статичною схемою, контуром поясів, системою решітки, способом з'єднання елементів у вузлах, величиною зусилля в елементах. За статичною схемою ферми бувають (рис.): балкові (розрізні, нерозрізні, консольні), арочні, рамні та вантові.

Балочні розрізнісистеми (рис.а) застосовуються у покриттях будівель, мостах. Вони прості у виготовленні та монтажі, не вимагають влаштування складних опорних вузлів, але дуже металомісткі. При більших прольотах (понад 40 м) розрізні ферми виходять негабаритними і їх доводиться збирати з окремих елементів на монтажі. При числі прольотів, що перекриваються, два і більше застосовують нерозрізні ферми (рис. б). Вони економічніші за витратами металу і мають більшу жорсткість, що дозволяє зменшити їх висоту. Але при осаді опор, у нерозрізних фермах виникають додаткові зусилля, тому їх застосування при слабких основах не рекомендується. Крім того, ускладнено монтаж таких конструкцій.

а - балкова розрізна; 6 - балкова нерозрізна; в, е - консольна;

г - рамна; д - арочна; ж - вантова; з - комбіновані :

Мал. Системи ферм

Консольніферми (рис. в, е) використовують для навісів, веж, опор повітряних ліній електропередач. Рамні системи (рис. д) економічні за витратою сталі, мають менші габарити, проте складніші при монтажі. Їх застосування раціонально для більш прогонових будівель. Застосування аркових систем (рис. д), хоч і дає економію сталі, призводить до збільшення обсягу приміщення та поверхні огороджувальних конструкцій. Їх застосування викликано в основному архітектурними вимогами. У вантових фермах (рис. ж) всі стрижні працюють тільки на розтягування і можуть бути виконані з гнучких елементів, наприклад, сталевих тросів. Розтягування всіх елементів таких ферм досягається вибором контуру поясів і решітки, а також створенням попередньої напруги. Робота тільки на розтягування дозволяє повністю використовувати високі властивості міцності сталі, оскільки знімаються питання стійкості. Вантові ферми раціональні для великопрогонових перекриттів та в мостах. Застосовуються також комбіновані системи, які з балки, підкріпленої знизу шпренгелем чи розкосами, або зверху аркою (рис. з). Ці системи прості у виготовленні (внаслідок меншого числа елементів) і раціональні у важких конструкціях, а також у конструкціях з рухомими навантаженнями. Дуже ефективним є застосування комбінованих систем при посиленні конструкцій, наприклад, підкріплення балки, при недостатній її несучій здатності, шпренгелем або підкосами.

Залежно від обриси поясів ферми поділяють на сегментні, полігональні, трапецеїдальні, з паралельними поясами та трикутні (рис.).

Найбільш економічною за витратою сталі є ферма, окреслена за епюрою моментів. Для однопрогонової балкової системи з рівномірно розподіленим навантаженням це сегментна ферма з параболічним поясом (рис. ). Однак криволінійне обрис поясу підвищує трудомісткість виготовлення, тому такі ферми в даний час практично не застосовують.

Більш прийнятним є полігональне обрис (рис. б) з переломом пояса у кожному вузлі. Воно досить близько відповідає параболічному контуру епюри моментів, не вимагає виготовлення криволінійних елементів. Такі ферми іноді застосовують для перекриття великих прольотів та мостах.

а – сегментне; б – полігональне; в - трапецієподібне; г – з паралельними поясами; д, е, ж, і - трикутне

Мал. Обриси поясів ферм:

Ферми трапецеїдального контури (рис. в) мають конструктивні переваги насамперед за рахунок спрощення вузлів. Крім того, застосування таких ферм у покритті дозволяє влаштувати рамний жорсткий вузол, що підвищує жорсткість каркаса.

Ферми з паралельними поясами (рис. г) мають рівні довжини елементів решітки, однакову схему вузлів, найбільшу повторюваність елементів і деталей та можливість їх уніфікації, що сприяє індустріалізації їх виготовлення.

Ферми трикутного контури (рис. д, е, ж, і) раціональні для консольних систем, а також для балкових систем при зосередженому навантаженні в середині прольоту (підкроквяні ферми). При розподіленому навантаженні трикутні ферми мають підвищену витрату металу. Крім того, вони мають низку конструктивних недоліків. Гострий опорний вузол складний і допускає лише шарнірне сполучення з колонами. Середні розкоси виходять надзвичайно довгими, і їх перетин доводиться підбирати за граничною гнучкістю, що спричиняє перевитрату металу.

За способом з'єднання елементіву вузлах ферми поділяють на зварні та болтові. У конструкціях, виготовлених до 50-х років, застосовувалися також клепані сполуки. Основними типами ферм є зварні. Болтові з'єднання, як правило, на міцних болтах застосовують у монтажних вузлах.

За величиною максимальних зусильумовно розрізняють легкі ферми з перерізами елементів із простих прокатних або гнутих профілів (при зусиллях у стрижнях) N< 3000 кН) та важкі ферми з елементами складового перерізу (N> 3000 кн).

Ефективність ферм може бути підвищена при створенні в них попередньої напруги.

Системи грат ферм

Системи ґрат, що застосовуються у фермах, показані на рис.

а – трикутна; б – трикутна зі стійками; в г - розкісна; д - шпренгельна; е – хрестова; ж - перехресна; та - ромбічна; до - напіврозкісна

Мал. Системи грат ферм

Вибір типу ґрат залежить від схеми застосування навантажень, обрису поясів та конструктивних вимог. Для забезпечення компактності вузлів кут між розкосами та поясом бажано мати не більше 30...50 0 .

Трикутна системаграти (рис. а) має найменшу сумарну довжину елементів та найменшу кількість вузлів. Розрізняють ферми з висхіднимиі низхіднимиопорними розкосами.

У місцях застосування зосереджених навантажень (наприклад, у місцях спирання прогонів покрівлі) можна встановити додаткові стійки або підвіски (рис. б). Ці стійки служать також зменшення розрахункової довжини пояса. Стійки та підвіски працюють тільки на місцеве навантаження.

Недоліком трикутних ґрат є наявність довгих стиснутих розкосів, що вимагає додаткової витрати сталі для забезпечення їх стійкості.

У розкісний решітці (рис. в, г) всі розкоси мають зусилля одного знака, а стійки іншого. Розкосна решітка більш металомістка і трудомістка в порівнянні з трикутною, так як загальна довжина елементів решітки більша і в ній більше вузлів. Застосування розкосних грат доцільно при малій висоті ферм і великих вузлових навантаженнях.

Шпренгельнурешітку (рис. д) застосовують при позавузловому додатку зосереджених навантажень до верхнього пояса, а також за необхідності зменшення розрахункової довжини пояса. Вона трудомістка, але може забезпечити зниження витрати стали.

Хрестовурешітку (рис. е) застосовують при дії навантаження на ферму як в одному, так і в іншому напрямку (наприклад, вітрове навантаження). У фермах з поясами з клейм можна застосувати перехресну грати (рис. ж) з одиночних куточків із кріпленням розкосів безпосередньо до стінки тавра.

Ромбічнаі напіврозкісна грати (рис. і, до) завдяки двом системам розкосів мають велику жорсткість; ці системи застосовують у мостах, вежах, щоглах, зв'язках зменшення розрахункової довжини стрижнів.

Типи перерізів стрижнів ферм

За витратою сталі для стиснутих стрижнів ферм найефективнішим є тонкостінний трубчастий переріз (рис. а). Кругла труба має найбільш сприятливий для стиснених елементів розподіл матеріалу відносно центру тяжіння і при рівній з іншими профілями площі перерізу має найбільший радіус інерції (i ≈ 0,355d), однаковий у всіх напрямках, що дозволяє отримати стрижень найменшої гнучкості. Застосування труб у фермах дає економію сталі до 20...25%.

Мал. Типи перерізів елементів легких форм

Великою перевагою круглих труб є хороша обтічність. Завдяки цьому вітровий тиск на них менший, що особливо важливо для високих відкритих споруд (башт, щоглів, кранів). На трубах мало затримується іній і волога, тому вони більш стійкі проти корозії, легко очищати і фарбувати. Все це підвищує довговічність трубчастих конструкцій. Для запобігання корозії внутрішні порожнини труби слід герметизувати.

Прямокутні гнуто-замкнуті перерізи (рис. б) дозволяють спростити вузли сполучення елементів. Однак, ферми з гнутозамкнених профілів з безфасонними вузлами вимагають високої точності виготовлення та можуть бути виконані тільки на спеціалізованих заводах.

До останнього часу легкі ферми проектували здебільшого з двох куточків (рис. в, г, д, е). Такі перерізи мають великий діапазон площ, зручні для конструювання вузлів на фасонках і прикріплення конструкцій, що примикають до ферм (прогонів, покрівельних панелей, зв'язків). Істотним недоліком такої конструктивної форми є; велика кількість елементів з різними типорозмірами, значна витрата металу на фасонки та прокладки, висока трудомісткість виготовлення та наявність щілини між куточками, що сприяє корозії. Стрижні з перетином із двох куточків, складених тавром, не ефективні під час роботи на стиск.

За відносно невеликого зусилля стрижні ферм можна виконувати з одиночних куточків (рис. ж). Такий переріз простіше у виготовленні, особливо при вузлах безфасонкових, оскільки має менше складальних деталей, не має щілин, закритих для очищення і фарбування.

Використання для поясів ферм таврів дозволяє значно спростити вузли. У такій фермі куточки розкосів та стійок можна приварити безпосередньо до стінки тавра без фасонок. Це вдвічі зменшує кількість складальних деталей та знижує трудомісткість виготовлення:

Якщо пояс ферм працює, крім осьового зусилля, і на вигин (при позавузловій передачі навантаження), раціональний переріз із двотавра або двох швелерів (рис. к, л).

Дуже часто перерізи елементів ферми приймають з різних видів профілів: пояси з двотаврів, грати з гнутозамкнених профілів, або пояси з таврів, грати з парних або одиночних куточків. Таке комбіноване рішення виявляється раціональнішим.

Стислі елементи ферм слід проектувати рівностійкими у двох взаємно перпендикулярних напрямках. При однакових розрахункових довжинах l x = l y цій умові відповідають перерізи з круглих труб і квадратних гнутозамкнених профілів/.

У фермах із парних куточків близькі радіуси інерції (i x ≈ i y) мають нерівнополочні куточки, поставлені великими полицями разом (рис. г). Якщо розрахункова довжина в площині ферми вдвічі менша, ніж із площини (наприклад, за наявності шпренгелю), раціонально переріз з нерівнополочних куточків, складених разом малими полицями (рис. д), так як у цьому випадку i y ≈ 2i x .

Стрижні важких ферм відрізняються від легень більш потужними та розвиненими перерізами, складеними з кількох елементів (рис.).

Мал. Типи перерізів елементів важких ферм

Визначення розрахункової довжини стрижнів ферми

Несуча здатність стиснених елементів залежить від їхньої розрахункової довжини:

l ef = μ× l, (1)

де ц -коефіцієнт приведення довжини, що залежить від способу закріплення кінців стрижня;

l- геометрична довжина стрижня (відстань між центрами вузлів чи точками закріплення від усунення).

Заздалегідь ми не знаємо, в якому напрямку відбудеться випукування стрижня при втраті стійкості: у площині ферми або перпендикулярному напрямку. Тому для стислих елементів необхідно знати розрахункові довжини та перевірити стійкість в обох напрямках. Гнучкі розтягнуті стрижні можуть провисати під дією власної ваги, їх легко пошкодити при транспортуванні та монтажі, а при дії динамічних навантажень можуть вібрувати, тому їх гнучкість обмежена. Для перевірки гнучкості потрібно знати і розрахункову довжину розтягнутих стрижнів.

На прикладі кроквяної ферми виробничої будівлі з ліхтарем (рис.) розглянемо прийоми визначення розрахункових довжин. Можливе викривлення поясів ферми у разі втрати стійкості у її площині може статися між вузлами (рис. а).

Тому розрахункова довжина пояса у площині ферми дорівнює відстані між центрами вузлів (μ = 1). Форма втрати стійкості із площини ферми залежить від того, в яких точках пояс закріплений від усунення. Якщо по верхньому поясу укладені жорсткі металеві або залізобетонні панелі, приварені або закріплені до пояса на болтах, ширина цих панелей (як правило, дорівнює відстані між вузлами) і визначає розрахункову довжину пояса. Якщо як покрівельне покриття використовується профільований настил, прикріплений безпосередньо до пояса, то пояс закріплений від втрати стійкості по всій довжині. При покрівлі прогонами розрахункова довжина пояса з площини ферми дорівнює відстані між прогонами, закріпленими від зміщення в горизонтальній площині. Якщо прогони не закріпили зв'язками, то вони не можуть перешкоджати зміщенню пояса ферми і розрахункова довжина пояса дорівнюватиме всьому прольоту ферми. Для того, щоб прогони забезпечували закріплення пояса, необхідно поставити горизонтальні зв'язки (рис. б) і зв'язати з ними прогони. На ділянці покриття під ліхтарем потрібно поставити розпірки.

а - деформації верхнього пояса при втраті стійкості у площині ферми; б, в - те саме, з площини ферми; г - деформації решітки

Мал. До визначення розрахункових довжин елементів ферм

Таким чином, розрахункова довжина пояса із площини ферми в загальному випадку дорівнює відстані між точками, закріпленими від усунення. Елементами, що закріплюють пояс, можуть бути покрівельні панелі, прогони, зв'язки та розпірки. У процесі монтажу, коли елементи покрівлі ще не встановлені для закріплення ферми, з їхньої площини можуть використовуватися тимчасові зв'язки або розпірки.

При визначенні розрахункової довжини решітки можна врахувати жорсткість вузлів. При втраті стійкості стислий елемент прагне повернути вузол (рис.г). Стрижні, що примикають до цього вузла, опираються вигину. Найбільший опір повороту вузла надають розтягнуті стрижні, оскільки їхня деформація від вигину веде до скорочення відстані між вузлами, тим часом як від основного зусилля ця відстань має збільшуватися. Стислі ж стрижні слабо опираються вигину, так як деформації від повороту та осьового зусилля спрямовані у них в один бік і, крім того, вони самі можуть втрачати стійкість. Отже, що більше розтягнутих стрижнів примикає до вузлу і що вони потужніше, тобто. що більше їх погонная жорсткість, то більше вписувалося ступінь защемлення аналізованого стрижня і менше його розрахункова довжина. Вплив стиснених стрижнів на затискання можна знехтувати.

Стиснутий пояс слабо защемлений у вузлах, оскільки погонна жорсткість розтягнутих елементів ґрат, що примикають до вузла, невелика. Тому щодо розрахункової довжини поясів ми враховували жорсткість вузлів. Аналогічно і для опорних розкосів та стійок. Їх розрахункові довжини, як й у поясів, рівні геометричної, тобто. відстані між центрами вузлів.

Для інших елементів ґрат приймається наступна схема. У вузлах верхнього пояса більшість елементів стиснуті та міра защемлення мала. Ці вузли можна вважати шарнірними. У вузлах нижнього пояса більшість елементів, що сходяться у вузлі, розтягнуті. Ці вузли є пружнозащемленими.

Ступінь защемлення залежить не тільки від знака зусиль стрижнів, що примикають до стиснутого елемента, а й від конструкції вузла. За наявності фасонки, що посилює вузол, затискання більше, тому, згідно з нормами, у фермах з вузловими фасонками (наприклад, з парних куточків) розрахункова довжина у площині ферми дорівнює 0,8× l, а у фермах з примиканням елементів впритул, без вузлових фасонок - 0,9× l .

При втраті стійкості із площини ферми ступінь затискання залежить від крутильної жорсткості поясів. Фасонки зі своєї поверхні гнучкі і можуть розглядатися як листові шарніри. Тому у фермах з вузлами на фасонках розрахункова довжина елементів ґрат дорівнює відстані між вузлами l 1 . У фермах із поясами із замкнутих профілів (круглих або прямокутних труб), що мають високу крутильну жорсткість, коефіцієнт приведення розрахункової довжини може бути прийнятий рівним 0,9.

У таблиці наведено розрахункові довжини елементів найбільш поширених випадків плоских ферм.

Таблиця - Розрахункові довжини елементів ферм

Примітка. l-геометрична довжина елемента (відстань між центрами вузлів); l 1 - відстань між центрами вузлів, закріплених від зміщення із площини ферми (поясами ферм, зв'язками, плитами покриття тощо).

Підбір перерізу стислих та розтягнутих елементів

Підбір перерізу стислих елементів

Підбір перерізів стислих елементів ферм починається з визначення необхідної площі умови стійкості

, (2)

1) Попередньо можна прийняти для поясів легких ферм l = 60 – 90 та для решітки l = 100 - 120. Великі значення гнучкості приймаються за менших зусиль.

2) За необхідною площею підбирають із сортаменту відповідний профіль, визначають його фактичні геометричні характеристики A, i х, i y .

3) Знаходять l х = l x / i x і l y = l y /i y , з більшою гнучкістю уточнюють коефіцієнт j.

4) Перевіряють стійкість за формулою (2).

Якщо гнучкість стрижня заздалегідь була задана неправильно і перевірка показала перенапругу або значну (більше 5-10 %) недонапруження, то проводять коригування перерізу, приймаючи проміжне між попередньо заданою та фактичною значення гнучкості. Зазвичай друге наближення досягає мети.

Примітка.Місцеву стійкість стиснутих елементів, виконаних з прокатних перерізів, можна вважати забезпеченою, оскільки з умов прокатки товщина полиць та стінок профілів більша, ніж потрібно з умов стійкості.

При виборі типу профілів слід пам'ятати, що раціональним є переріз, що має однакові гнучкості як у площині, так і з площини ферми (принцип рівностійкості), тому при призначенні профілів необхідно звернути увагу на співвідношення розрахункових довжин. Наприклад, якщо проектуємо ферму з куточків і розрахункові довжини елемента в площині і з площини однакові, то раціонально вибрати нерівнополичні куточки і поставити їх великими полицями разом, так як в цьому випадку i x ≈ i y , l x = l y λ x ≈ λ y . Якщо розрахункова довжина з площини l y вдвічі більше за розрахункову довжину в площині l x (наприклад, верхній пояс на ділянці під ліхтарем), то раціональнішим буде перетин з двох нерівнополичних куточків, поставлених разом малими полицями, так як в цьому випадку i x ≈ 0,5×i y і при l x = 0,5× l y λ x ≈ λ y . Для елементів решітки при l x = 0,8× l y найбільш раціональним буде перетин із рівнополочних куточків. Для поясів ферм краще запроектувати перетин з нерівнополочних куточків, поставлених разом меншими полицями, щоб забезпечити велику жорсткість із площини при підйомі ферми.

Підбір перерізу розтягнутих елементів

Необхідну площу перерізу розтягнутого стрижня ферми визначаємо за формулою

. (3)

Потім за сортаментом вибирають профіль, що має найближче значення площі. Перевірка прийнятого перерізу у разі не требуется.

Підбір перерізу стрижнів за граничною гнучкістю

Елементи ферм слід проектувати, як правило, із твердих стрижнів. Особливо важливе значення жорсткість має стислих елементів, граничне стан яких визначається втратою стійкості. Тому для стислих елементів ферм у СНиПе встановлено вимоги щодо граничної гнучкості жорсткіші, ніж у закордонних нормативних документах. Гранична гнучкість для стислих елементів ферм та зв'язків залежить від призначення стрижня та ступеня його завантаженості: , де N - розрахункове зусилля, j×R y ×g c - несуча здатність.

Розтягнуті стрижні також не повинні бути надто гнучкими, особливо при дії динамічних навантажень. При статичних навантаженнях гнучкість розтягнутих елементів обмежується лише у вертикальній площині. Якщо розтягнуті елементи попередньо напружені, їх гнучкість не обмежується.

Ряд стрижнів легких ферм мають незначні зусилля і, отже, невеликі напруги. Переріз цих стрижнів підбирають по граничній гнучкості. До таких стрижнів зазвичай відносять додаткові стійки у трикутних ґратах, розкоси в середніх панелях ферм, елементи зв'язків тощо.

Знаючи розрахункову довжину стрижня l ef та значення граничної гнучкості l пр, визначаємо необхідний радіус інерції i тр = l ef/l тр. По ньому в сортаменті вибираємо переріз, що має найменшу площу.