5.1. Общая характеристика и классификация ферм

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 назначениюфермы подразделяются на стропильные, фермы мостов, подъемных кранов, опор линий электропередачи и другие.

По статической схемефермы 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, полигональные.

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 поясамиблагодаря 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 очертаниярациональны 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 очертаниязанимают 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 очертаниярационально 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 переломами пояса в узлах.

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);

– крестовой;

– ромбической и полураскосной;

– шпренгельного типа.

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) инисходящим(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 системарешетки 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 системерешетки 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.

Крестоваярешетка 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.

Ромбическаяиполураскоснаярешетки 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.

Шпренгельнуюрешетку 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 элементовв узлах фермы подразделяются на сварные и болтовые. Болтовые соединения на высокопрочных болтах, как правило, применяются в монтажных узлах.

По величине максимальных усилийусловно различают легкие од-ностенчатые фермы с сечениями элементов из простых прокатных или гнутых профилей (при усилиях в стержняхN≤ 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 состояниюфермы 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.