2.4.2. Стропильные и подстропильные фермы

Основные вопросы компоновки, расчета и конструирования ферм изложены в гл. 7 первого тома. Здесь рассмотрены только вопросы, связанные с применением ферм в покрытиях одноэтажных зданий.

Схемы ферм зависят от технологических условий производства, конструкции кровли и технико-экономических соображений. Эти факторы определяют длину пролета, очертание верхнего пояса, высоту фермы, способ водоотвода, уклон и т.д.

При малоуклонных кровлях применяют фермы трапециевидного очертания (уклон i = 1/8...1/12) и с параллельными поясами (уклон 2,5% создается за счет строительного подъема). Малоуклонную кровлю защищают тонким слоем гравия на битумной мастике, что повышает ее долговечность и огнестойкость (на скатных кровлях этот слой держаться не может). Приведенные затраты на покрытие по фермам с параллельными поясами получается меньше, поэтому такое решение принято как типовое. При устройстве холодных кровель из асбестоцементных, стальных или алюминиевых листов, когда требуется больший уклон, применяют треугольные фермы или двускатные с параллельными поясами. Для открылков, а также в многопролетных зданиях с наружным отводом воды используют односкатные фермы.

Высоту ферм в середине принимают на основании технико-экономического анализа. При этом необходимо учитывать не только затраты на

135

изготовление и монтаж ферм, но и стоимость стенового ограждения в пределах высоты ферм, а также эксплуатационные затраты на отопление лишнего объема здания. В этом смысле полезно размещать внутрицеховые коммуникации в пределах межферменного пространства. По условиям транспортировки высота конструкций не должна превышать 3,85 м. Доставка конструкций "россыпью" может оказаться целесообразной лишь при возведении здания в отдаленных районах.

Высота ферм на опоре h0 зависит от типа сопряжения ригеля с колонной. При жестком сопряжении эта высота должна быть не меньше (1/13...1/17)l. При шарнирном сопряжении для пролетов до 36 м эту высоту обычно принимают 3150 мм, что позволяет собирать фермы, независимо от пролета, в едином кондукторе и унифицировать узлы. При пролетах 18 и 24 м и легких покрытиях применяют также фермы пониженной высоты 2250 мм. Уклон кровли в названных фермах составляет 1,5%.

Решетку стропильных ферм проектируют обычно треугольной с дополнительными стойками. С учетом размеров типовых кровельных плит размер панели верхнего пояса назначают 3 м. В отечественной практике традиционно применяют фермы с восходящим опорным раскосом. В зарубежной практике в основном используются фермы с нисходящим опорным раскосом и опиранием ферм в уровне верхнего пояса (рис. 7.18, б [1]). В последние годы фермы с нисходящим опорным раскосом стали применять и в нашей стране. При частом расположении прогонов и ширине плит 1,5 м обычно применяют фермы со шпренгельной решеткой, чтобы исключить работу верхних поясов ферм на местный изгиб при внеузловой передаче нагрузки.

Для неотапливаемых зданий с покрытием из волнистых листов разработаны типовые треугольные фермы с уклоном верхнего пояса i = 1/3,5. Решетка - треугольная с дополнительным шпренгелем. Шаг прогонов составляет 1,5 м.

Типы сечения ферм покрытий рассмотрены в гл. 7 [1] (с. 414, 415).

Для обеспечения транспортировки фермы разбивают на отправочные марки. Длина отправочных марок зависит от вида транспорта и условий транспортировки. Обычно фермы пролетом до 18 м перевозят целиком. При больших пролетах их разбивают на 2 или 3 отправочных марки.

Укрупнительную сборку отправочных марок на монтаже осуществляют на сварке или высокопрочных болтах (см. с. 436 [1])

Особенности расчета и конструирования стропильных ферм. Основными нагрузками при расчете стропильных ферм являются постоянная нагрузка от кровли и несущих конструкций покрытия и нагрузка от снега. Иногда на стропильные фермы действуют и другие нагрузки: от

136

подвесного транспорта, подвесных коммуникаций и оборудования, электроосветительных установок, вентиляторов, галерей, систем испарительного охлаждения, устанавливаемых на крыше здания, и т.д. При больших пылевыделениях (например, на цементных заводах) при расчете ферм учитывают нагрузку от пыли.

Постоянные нагрузки от кровли, стропильных ферм, связей по покрытию и фонарей принимают, как правило, равномерно распределенными, их значения можно определить с помощью табл. П4.2. Нагрузки от бортовых стенок фонаря и остекления учитывают в виде сосредоточенных сил, приложенных в узлах опирания крайних стоек фонаря. Вес остекления при этом можно принять равным 0,35 кН на 1 м2 остекленной поверхности.

Снеговые нагрузки при расчете элементов покрытия (плит, прогонов, настила и ферм) несколько отличаются от принимаемых при расчете поперечных рам. Это объясняется тем, что для конструкций покрытия снеговая нагрузка является основной, определяющей размеры сечения элементов (особенно при легких кровлях).

Расчетное значение снеговой нагрузки определяют по формуле:

s = s0γfs μ(2.49)

Значение коэффициента γfs принимают равным 1,4. Если отношение нормативного веса покрытия gn к нормативной снеговой нагрузке S0 меньше 0,8, то γfs = 1,6.

Коэффициент μ учитывает неравномерное распределение снега по покрытию и возможность образования вследствие переноса снега снеговых мешков у перепадов высот и зависит от конфигурации кровли (рис. 2.42).

Рис. 2.42. К определению снеговых нагрузок
Рис. 2.42. К определению снеговых нагрузок

Для зданий без фонарей и перепадов высот при угле наклона кровли α ≤ 25° μ = 1,0, при α ≥ 60° μ = 0 в интервале 25° < α < 60° значения μ определяют линейной интерполяцией.

137

Если здание имеет двускатное покрытие с углом наклона 20° ≤ α ≤ 30°, то учитывается и второй вариант загружения снегом (рис. 2.42, а).

Для зданий с фонарями (рис. 2.42 , б) рассматривают два варианта загружения снегом, а коэффициенты μ определяют по формулам:

μ2 = 1 + 0,1
a
b
  ; μ3 = 1 + 0,5
a
b1
  .
(2.50)

Значения μ3 при этом не должны превышать: для ферм и балок при нормативной нагрузке от покрытия более 1,5 кН/м2 - 2,5; то же, при нормативной нагрузке покрытия менее 1,5 кН/м2 - 4; для профилированного настила - 2; для прогонов - 2,5. Значение b1 принимают равным высоте фонаря h1, но более b.

При более сложных конфигурациях покрытия с перепадами высот снег сдувается с вышележащих пролетов на нижележащие и образуются зоны повышенных снеговых нагрузок. Данные для определения этих нагрузок приведены в нормах [6]. В необходимых случаях, когда неблагоприятные усилия в элементах возникают при частичном загружении, следует рассмотреть также схемы со снеговой нагрузкой, действующей на части пролета.

В большинстве случаев наибольшие усилия в поясах и раскосах ферм получаются при загружении по первому варианту. Второй вариант является определяющим для плит, настилов, прогонов и стоек ферм, расположенных в местах повышенных снеговых нагрузок. Кроме того, при загружении по второму варианту, а также при половинном загружении пролета в средних раскосах ферм может измениться знак усилия, слабонагруженные растянутые элементы, имеющие большую гибкость, окажутся сжатыми.

Расчетные узловые силы на ферму от постоянных и снеговых нагрузок определяют в соответствии с указаниями гл. 7[1].

Нагрузка от ветра вызывает в элементах фермы, как правило, усилия противоположного знака по сравнению с усилиями от веса покрытия и снега. Поэтому при расчете ферм ветровую нагрузку следует учитывать только в том случае, если ее значение превышает вес покрытия (при легких кровлях и в районах с повышенной ветровой нагрузкой).

Нагрузки на стропильную ферму от подвесных кранов следует определять по линиям влияния опорной реакции балки кранового пути, размещая краны невыгоднейшим способом, аналогично тому, как мы это делали для определения крановых нагрузок на колонну (п. 2.2.2), т.е. расчетная узловая нагрузка на ферму F = ψFni yiγfk, где Fni - нормативное давление на каретку крана; уi - ордината линии влияния; γf = 1,1 - коэффициент

138

надежности по нагрузке: ψ - коэффициент сочетания (при расчете на два крана режима работы 1К - 5Кψ = 0,85); k = 1,1 - коэффициент динамичности для нагрузок от подвесных кранов.

Для получения наибольших усилий в элементах фермы нужно рассмотреть несколько схем загружения с размещением тележки крана с грузом над каждым крановым путем. Поясним это на примере.

Пример 2.10. Определить узловые нагрузки на стропильную ферму от двух подвесных кранов грузоподъемностью 3,2 т. Пролет ферм l =24 м, шаг b = 6 м. Балки кранового пути разрезные. Кран трехопорный (2 пролета по 9 м и консоли - 1,5 м).

По табл. П3.2 масса крана 2,66 т, тележки - 0,47 т, максимальное давление на каретку - Fkn = 22,8 кН, база крана Аcr = 600 мм, ширина крана B = 1460 мм.

Линия влияния усилия, приложенного к ферме, и схема загружения показаны на рис. 2.43, а. Максимальное усилие на ферму Fkmax = 0,85 7#183; 22,8 · 3,52 · 1,1 · 1,1 = 82,5 кН, где ∑yi = 3,52. Это усилие действует в узле крепления кранового пути, под которым расположены тележки с грузами.

На других путях давление на каретку будет только от веса моста. При трехопорном кране давление от веса моста на крайний путь составляет

на средний

F2k =
Gcr
4(Lcr + l)
  Lcr = 2,66 · 9,8

4 ( = 1,5) = 5,59 кН.

При двухопорных кранах минимальное давление каретки на крановые пути F2k =
Gcr
4
  .

Минимальные усилия на ферму соответственно по крайним и средним путям составляют: F1 = 0,k85 · 3,72 · 3,52 · 1,1 · 1,1 = 13,47 кН; F2 = 0,85 · 5,59 · 3,52 · 1,1 · 1,1 = 20,24 кН.

При загружении фермы возможны следующие комбинации:

  • схема 1 - груз под левой опорой крана (рис. 2.43, в);
  • схема 2 - груз под средней опорой крана (рис. 2.43, б);
  • схема 3 - груз под правой опорой крана (рис. 2.43, г).

При первой комбинации мы получим максимальную опорную реакцию фермы на левой опоре и максимальное усилие в опорном раскосе. При 2-й - максимальный момент и усилия в поясах. При 3-й - максимальную опорную реакцию на правой опоре.

Рис. 2.43. К примеру 2.10: a - линия влияния нагрузки на ферму и схема расстановки кранов, б, в, г - схемы загружения фермы
Рис. 2.43. К примеру 2.10:
a - линия влияния нагрузки на ферму и схема расстановки кранов, б, в, г - схемы загружения фермы

139

При определении нагрузок от подвесных кранов на подстропильные конструкции среднего ряда необходимо рассмотреть три комбинации нагружения: 1) два крана одного пролета с тележками, приближенными к оси, по которой расположена подстропильная ферма; 2) два крана разных пролетов с тележками, приближенными к оси подстропильных ферм; 3) краны (по 2 крана в каждом пролете) с приближенными тележками, но с коэффициентом сочетания ψ = 0,7.

Если крановые пути выполнены по неразрезной схеме, то для построения линии влияния опорной реакции балок можно воспользоваться данными табл. П5.1, при этом наибольшая реакция будет возникать на 2-й от торца опоре (реакция R1). На самом деле фермы являются упругоподатливыми опорами и при учете податливости опорная реакция будет несколько меньше.

Приближенно реакцию неразрезной балки от нагрузки подвесных кранов можно определить так же, как и для разрезной, умножив ее на коэффициент 1,07 (при шаге ферм 6 м) и 1,1 (при шаге ферм 12 м).

Прочие нагрузки на фермы покрытия определяют по технологическому заданию.

Определение усилий в элементах ферм при шарнирном сопряжении с колоннами рассмотрено в гл. 7 [1].

В стропильных фермах, входящих в состав поперечной рамы, возникают усилия от распора (продольная сила в ригеле). При восходящем опорном раскосе эта сила передается на нижний пояс фермы, при нисходящем - на верхний. Однако эти силы, как правило, невелики и не оказывают сколь-нибудь существенного влияния на работу фермы. Нужно только проверить, не возникают ли от нормальной силы в ригеле сжимающие усилия в крайней панели нижнего пояса. Это возможно в фермах небольшого пролета при очень легкой кровле.

При жестком сопряжении в узле крепления фермы к колонне кроме распора Нр возникает опорный момент. Усилия в элементах фермы от этого момента можно получить, заменив момент парой горизонтальных сил Н = М / h0, где h0 - расстояние между осями поясов фермы на опоре.

Значение опорных моментов вы определите по результатам расчета рамы из таблицы расчетных усилий при невыгодных сочетаниях при комбинации усилий |M|max; Ns. При этом, взяв момент для левой опоры, нужно определить при той же комбинации нагрузок момент для правой опоры. Усилия в элементах фермы от опорных моментов (точнее, от пар горизонтальных сил) определяют так же, как и при любой узловой нагрузке, графическим или аналитическим способами, либо на ЭВМ.

140

Полученные при этой комбинации усилия будут максимальными. Однако для большинства элементов ферм усилия от опорных моментов имеют по сравнению с усилиями от вертикальной нагрузки противоположный знак, т.е. разгружают элементы или меняют знак усилия. Поэтому для получения наиболее невыгодного усилия (по величине или знаку) следует рассмотреть и другие сочетания моментов.

Например, при комбинации с максимальным по абсолютной величине отрицательным моментом вы получите максимальное растягивающее усилие в крайней панели верхнего пояса. Это усилие вам будет нужно для расчета узла крепления верхнего пояса к колонне (рис. 7.20 [1]). Для определения возможного сжимающего усилия в нижнем поясе нужно рассмотреть комбинацию нагрузок без учета снеговой нагрузки.

Определение расчетных усилий в стержнях ферм удобно провести в табличной форме (табл. 2.14). Расчетные усилия получают суммированием отдельных составляющих в их неблагоприятном сочетании.

Узлы сопряжения ферм с колоннами выполняют, как правило, на болтах, поэтому имеет место некоторая податливость. В процессе эксплуатации может произойти ослабление соединений, и степень защемления фермы на опоре уменьшается, поэтому разгружающее влияние опорных моментов и распора рамы обычно не учитывают. Если усилия в рассматриваемом стержне от распора рамы, опорных моментов и вертикальной нагрузки имеют одинаковые знаки, то принимают их сумму. Если знаки усилий разные и усилия от распора и моментов меньше по абсолютному значению, то за расчетное берут усилие только от вертикальной нагрузки. Если же усилия имеют разные знаки и усилия от распора и моментов больше усилий от вертикальной нагрузки, то стержень должен быть проверен и на алгебраическую сумму этих усилий.

При обеспечении достаточной жесткости узла сопряжения ферм и колонн, например при соединении на сварке, может быть учтено разгружающее влияние опорных моментов от постоянной и снеговой нагрузок. Для этого расчет фермы следует проводить для каждой нагрузки раздельно с учетом соответствующих рамных моментов и распора и составлять расчетные комбинации, вызывающие наиболее неблагоприятные усилия.

Подбор сечения элементов ферм покрытия и расчет и конструирование промежуточных узлов выполняют так же, как и для обычных свободно опертых ферм (см. гл. 7 [1]).

Конструкция опорных узлов ферм зависит от способа сопряжения фермы с колонной. При шарнирном сопряжении наиболее простым является узел опирания фермы на колонну сверху с использованием дополнительной стойки (надколенника) (рис. 7.19 [1]). При таком решении возможно

141

Таблица 2.14. Расчетные усилия в элементах фермы, кН

 
 

142

опирание ферм как на металлическую, так и на железобетонную колонну.

При жестком сопряжении стропильная ферма примыкает к колонне сбоку (рис. 7.20 [1]) и устанавливается на опорный столик, а усилия от опорного момента воспринимаются фланцевым соединением на болтах или сварными узлами.

Если обеспечена податливость узла (постановка болтов в отверстия на 5...6 мм большие диаметра болтов, использование гибкого фланца), шарнирное сопряжение фермы с колонной может быть выполнено и при опирании сбоку (см. с. 440 [1]).

Опирание стропильных ферм на подстропильную выполняют, как правило, шарнирными. Возможное решение такого узла показано на рис. 2.44. При неразрезных стропильных фермах для обеспечения жесткости узла необходимо перекрыть верхние пояса стропильных ферм накладкой, рассчитанной на восприятие усилия от опорного момента. В узле нижнего пояса это усилие прижимает фланец фермы к стойке и дополнительные элементы для его восприятия не требуются.

Особенности расчета и конструирования подстропильных ферм. Подстропильные фермы обычно проектируют с шарнирным сопряжением

Рис. 2.44. Узел опирания стропильной фермы на подстропильную: 1 - подстропильная ферма; 2 - стропильная ферма
Рис. 2.44. Узел опирания стропильной фермы на подстропильную:
1 - подстропильная ферма; 2 - стропильная ферма

143

с колоннами и они работают как однопролетные разрезные конструкции. Нагрузкой для подстропильных конструкций является опорное давление стропильных ферм. Если шаг стропильных конструкций составляет половину пролета подстропильных ферм, то рационально принять треугольное очертание ферм, однако из условий унификации размеров и узлов чаще принимают фермы с параллельными поясами, треугольной решеткой и стойками. Обычно стропильные фермы с параллельными поясами и трапециевидные примыкают к подстропильным сбоку, и их высоты близки. Расчет подстропильных ферм не отличается от расчета обычных шарнирно-опертых ферм и рассмотрен в гл. 7[1]. Следует обратить внимание на расчетную длину верхнего пояса из плоскости фермы. Верхний пояс раскрепляют из плоскости стропильными конструкциями, поэтому его расчетная длина l0y, равна шагу стропильных ферм или с учетом изменения усилия по длине пояса (рис. 2.45)

l0y = l1(0,75 + 0,25
N2
N1
),
(2.51)

где l1 - расстояние между закрепленными точками (шаг стропильных ферм); N1 > N2 - усилия в панелях пояса.

Возможные решения опорных узлов подстропильных ферм приведены на рис. 2.46. При опирании фермы на колонну сверху, с использованием надопорной стойки, принимают ферму с восходящим раскосом по типу узла, показанного на рис. 2.46, а. При опирании сбоку на стенку между полками колонны для удобства монтажа целесообразно принять ферму с ниспадающим опорным раскосом (рис. 2.46, б). Для обеспечения однотипности узлов стропильных ферм стойки подстропильной фермы выполняют из двутавра (аналогичного надопорной стойке) и приваривают к нему опорный столик (см. рис. 2. 44).

Рис. 2.45. Схема для определения расчетной длины пояса фермы из плоскости
Рис. 2.45. Схема для определения расчетной длины пояса фермы из плоскости

Пример 2.11. Определить расчетные усилия в элементах стропильной фермы при жестком сопряжении ригеля с колонной. Исходные данные. Пролет фермы - 29,6 м, шаг - 12 м; фермы с параллельными поясами, уклон кровли - 2,5%; высота фермы (по обушкам уголков) - 3150 мм; место строительства - Москва. Состав покрытия по данным примера 2.9. По результатам расчета поперечной рамы получены следующие комбинации опорных моментов и нормальных сил в ригеле:

1-я комбинация (максимальный момент на левой опоре)

М1 = -855 кН·м; М2 = -596 кН·м; Нр = -110,7 кН;

2-я комбинация (без учета снеговой нагрузки)

М1 = -528 кН·м; M2 = -269 кН·м; Нр = -19,2 кН.

144

Рис. 2.46. Опорные узлы подстропильных ферм: а - при опирании на колонну сверху; б - при опирании сбоку; 1 - подстропильная ферма; 2 - стропильная ферма
Рис. 2.46. Опорные узлы подстропильных ферм:
а - при опирании на колонну сверху; б - при опирании сбоку; 1 - подстропильная ферма; 2 - стропильная ферма

145

Определение нагрузок. Расчетная постоянная нагрузка от веса покрытия: вес кровли (по данным табл. 2.13) gf = 1,21 кН/м2; вес фермы и связей (по табл. П4.2) gf = (0,30 + 0,05) × 1,05 = 0,37 кН/м2.

По формуле (7.3) [1] (уклоном кровли при i = 2,5 % пренебрегаем)

Fg = (gf + gk)bd = (1,21 + 0,37)12 · 3 = 56,9 кН.

Расчетная нагрузка от снега (формула 7.4 [1])

Fs = s0bdγfs = 1 · 12 · 3 · 1,4 = 50,4 кН (так как g / s0 > 0,8; γfs = 1,4).

Опорные моменты заменяем парами сил. Плечо пары h0 = h - (z1 + z2), где h - высота фермы по обушкам; z1 и z2 - расстояние от обушка до центра тяжести поясов. Принимаем z1 + z2 = 10 см. Тогда h0 = 3150 - 100=3050 мм.

  • 1-я комбинация: Н1 = 855/3,05 = 280 кН; H2 = 596/3,05 = 195 кН.
  • 2-я комбинация: H1 = 528/3,05 = 173 кН; H2 = 269/3,05 = 88,2 кН.

Схемы нагрузок на фермы показаны на рис. 2.47.

Усилия в элементах фермы. Определим раздельно от каждого вида нагрузки. Для ферм с параллельными поясами это проще всего сделать методом сечений.

Построим для фермы (как в однопролетной разрезной балке) эпюры моментов и поперечных сил от каждого загружения.

Усилия в поясах Nfj = Mi / h0, усилия в раскосах Nri. = Qi / sin αi. Здесь Мi - моменты в соответствующих точках Риттера; Qi - поперечные силы в рассматриваемых сечениях; αi - углы наклона раскосов к горизонту. Усилия в стойках равны соответствующим узловым нагрузкам. Нормальную силу в ригеле передаем на нижний пояс. Результаты расчетов сводим в табл. 2.14.

Усилия от опорных моментов и нормальной силы в ригеле учитываем только в том случае, если они догружают стержень или меняют знак усилия. При учете усилий от опорных

Рис. 2.47. К расчету ферм при жестком сопряжении ригеля с колонной: а - схема приложения нагрузок; б - расчетная схема
Рис. 2.47. К расчету ферм при жестком сопряжении ригеля с колонной:
а - схема приложения нагрузок; б - расчетная схема

146

моментов усилия от снеговых нагрузок вводятся с коэффициентом сочетания 0,9, так как опорные моменты определены от нескольких кратковременных нагрузок (2-е основное сочетание).

147

Rambler's Top100
Lib4all.Ru © 2010.