Типы ферм по очертанию, высоте, системе решеток и длине панели

Очертание ферм. Оно зависит от назначения сооружения, ста­тической схемы фермы, вида нагрузок, действующих на нее, и дру­гих факторов. Теоретически наивыгоднейшим является такое очер­тание контура фермы, при котором он соответствует очертанию эпю­ры моментов. Например, при равномерно распределенной нагрузке и горизонтальном нижнем поясе верхний пояс очерчен по дуге па­раболы (рис. ниже), а при одном сосредоточенном грузе в пролете — треугольная ферма (рис. ниже). В этом случае усилия будут возни­кать только в поясах; в стержнях решетки усилия теоретически рав­ны нулю. Однако изготовление ферм с криволинейным поясом дос­таточно сложно и, кроме того, в элементах криволинейного пояса возникают значительные изгибающие моменты (рис. ниже), суще­ственно ухудшающие работу пояса.

Многоугольное очертание одного из поясов фермы с частью уз­лов, расположенных по дуге параболы (полигональная ферма, рис. ниже), также обеспечивает малые усилия в стержнях решетки и относительно меньший вес ферм. Такие фермы не требуют изгиба элементов поясов и разметки по кривым. Однако необходимость в каждом узле с переломом пояса устраивать стыки и дополнитель­ный расход материалов на стыковые накладки усложняют изготов­ление и увеличивают стоимость полигональных ферм. Поэтому в фермах относительно небольших пролетов (до 40 м) полигональ­ные формы используют редко. Наиболее часто легкие фермы при­меняют трапециевидной формы (рис. ниже) и с параллельными по­ясами (рис. ниже). Фермы трапециевидного очертания имеют неболь­шие уклоны верхнего пояса. Их стали применять вместо треугольных ферм при использовании рулонных кровельных материалов, не тре­бующих больших уклонов кровли. В настоящее время такие фермы являются основным типом стропильных ферм (ферм покрытий).

Очертания верхнего пояса легких ферм

Трапециевидное очертание ферм достаточно хорошо соответ­ствует эпюре изгибающих моментов от равномерно распределен­ной нагрузки— контур фермы как бы описан вокруг эпюры (рис. выше); пунктир — эпюра изгибающих моментов).

Треугольные фермы (рис. выше) вследствие весьма больших уси­лий в поясах всегда значительно тяжелее ферм остальных типов. Примером применения треугольных ферм по эксплуатационным тре­бованиям могут служить шедовые покрытия (рис. ниже), используе­мые в зданиях, где необходим большой и равномерный приток днев­ного света с одной стороны.

Фермы треугольного очертания шедового покрытия

1 — остекление

Высоту фермы назначают после решения вопроса об очертании ее контура. Наивыгоднейшая (оптимальная) высота фермы получа­ется тогда, когда масса поясов равна массе решетки (с фасонками), что достигается при сравнительно большом отношении высоты фер­мы к ее пролету (h/l > 1/5). На практике от такого соотношения отсту­пают, и масса решетки вместе с фасонками часто составляет менее половины массы поясов (0,4-0,3 общей массы фермы). Это связано с тем, что при большой высоте ферму неудобно транспортировать и монтировать, так как ее пришлось бы перевозить отдельными эле­ментами и собирать на месте монтажа, что требует много времени и больших затрат, не окупаемых экономией металла.

Для возможности перевозки по железной дороге наибольший габарит конструкции по вертикали не должен превышать 3,8 м. По­этому высоту легкой фермы в середине пролета (при l < 36 м) обыч­но назначают не более этого размера. Наименьшая высота фермы определяется требованиями жесткости — величиной допускаемо­го прогиба. Чем меньше размер допускаемого прогиба, тем боль­шей должна быть назначена высота фермы, кроме того, она должна быть увязана с желательным углом наклона раскосов к поясу и раз­мером отдельной панели.

С учетом указанных выше обстоятельств, из которых важнейши­ми следует считать обеспечение допускаемого прогиба и выдержи­вание транспортных габаритов, высоту h легких ферм назначают в довольно широких пределах: от 1/5 до 1/20 пролета. Для стропильных ферм трапециевидного очертания и с параллельными поясами обыч­но назначают высоту в середине пролета h = (1/7-1/9)l.

Высоту на опоре фермы h₀ рационально принимать одинаковой для ферм различных пролетов. Это позволяет иметь единую стан­дартную геометрическую схему и обеспечивает стандартность де­талей крепления. При уклоне верхнего пояса 1/8 высота h₀ в типо­вых фермах пролетов 18-36 м принята 2,2 м (между обушками угол­ков). В фермах с параллельными поясами эта высота равна 3,15 м.

Системы решеток ферм. В металлических фермах они весь­ма разнообразны. От системы решетки зависят масса фермы, тру­доемкость ее изготовления, внешний вид. Ее стремятся запроек­тировать таким образом, чтобы нагрузки на ферму передавались, как правило, в узлах (во избежание местного изгиба пояса). Ре­шетка ферм работает на поперечную силу, выполняя функции стен­ки сплошной балки.

Все виды решеток ферм можно разделить на три основные си­стемы: треугольную, раскосную и специальную.

Треугольная система решетки с переменным направлением рас­косов без стоек (рис. ниже) имеет наименьшее число узлов и стерж­ней и наименьшую суммарную длину их. Однако при такой решетке длина панелей сжатого пояса оказывается весьма значительной, что требует повышенного расхода материала для обеспечения его устой­чивости в плоскости фермы. Чтобы уменьшить длину панелей сжа­того пояса, к треугольной решетке добавляют дополнительные стой­ки (рис. ниже). Иногда добавляют и подвески (рис. ниже), позволяю­щие при необходимости уменьшать расстояние между узлами фермы (например, в козловых кранах). Дополнительные стойки и подвески ненамного увеличивают массу фермы, так как они работают только на местную нагрузку, не участвуя в' передаче на опору поперечной силы, что позволяет принимать их сечение небольшим.

Различные системы решеток ферм

При раскосной системе решетки необходимо стремиться, что­бы более длинные элементы решетки (раскосы) работали на растя­жение, а более короткие (стойки) — на сжатие, так как на работе коротких сжатых стержней меньше сказывается влияние продоль­ного изгиба, чем на работе длинных.

Это требование удовлетворяется при нисходящих раскосах в фермах трапециевидного очертания и с параллельными поясами (рис. ниже) и восходящих — в треугольных фермах (рис. ниже). Од­нако в последних восходящие раскосы образуют неудобные для кон­струирования узлы. Поэтому в треугольной ферме рациональнее применять нисходящие раскосы (рис. ниже); они получаются сжа­тыми, но их длина меньше и узлы фермы более компактны. Приме­нять раскосную решетку целесообразно при малой высоте ферм, больших узловых нагрузках, а также когда конструктивная схема сооружения точно фиксирует положение узлов фермы (например, в продольной связевой ферме гидротехнических затворов).

К специальным системам решетки относят шпренгельную, кре­стовую, ромбическую и полураскосную решетки.

Необходимость в шпренгельной решетке (рис. ниже) возникает в фермах с большой высотой, когда при соблюдении желательного угла наклона раскосов к поясу длина панелей получается чрезмерно большой, неудобной для расположения кровельного покрытия.

В фермах, работающих на двустороннюю нагрузку, как прави­ло, устраивают крестовую решетку (рис. ниже). Такие решетки час­то применяют в горизонтальных связевых фермах, которые служат для пространственной жесткости основных ферм (например, в про­изводственных зданиях, мостах и других конструкциях). При этом раскосы в крестовой решетке конструируют из гибких элементов, способных нести только растягивающие усилия. Подобный способ конструирования превращает крестовую решетку из статически нео­пределимой в статически определимую. При любом возможном нагружении фермы в каждой панели один раскос будет растянут, а другой сжат. Вследствие большой гибкости сжатый раскос при не­значительных усилиях теряет устойчивость и выключается из рабо­ты. В результате остается работоспособным только раскос, растя­нутый при данной комбинации нагрузок; ферма как бы приобрета­ет систему решетки с нисходящими раскосами (рис. ниже).

Ромбическая и полураскосная решетки (рис. ниже) благода­ря двум системам раскосов обладают большой жесткостью; они рациональны при работе конструкций на большие поперечные силы, в связи с чем их применяют в мостах, башнях и других кон­струкциях.

Угол наклона раскосов к поясу ферм оказывает существенное влияние на величину усилий, а следовательно, на сечение и вес рас­косов. Оптимальный угол наклона в треугольной решетке состав­ляет 45°, в раскосной решетке — 35°. Во всех случаях для улучше­ния конструкции узлов углы между раскосами и поясами следует назначать в пределах 30°-60°.

Длина панелей ферм, как правило, должна быть такой, чтобы обеспечивать передачу нагрузки на ферму в узлах. Кроме того, раз­мер панелей должен соответствовать допустимому углу наклона рас­косов к поясу. В стропильных фермах размер панелей зависит от системы кровельного покрытия. Обычно длина панелей в этих фер­мах 3 м, в редких случаях 1,5 м (в последнем случае часто применя­ют шпренгельную решетку для уменьшения стандартной панели длиной 3 м до 1,5 м).