Технология изготовления строительной фермы из прямоугольных труб

Технология изготовления строительной фермы из прямоугольных  труб

Сварные фермы. Назначение, нагрузки, классификация

 
Решетчатые конструкции, работающие на изгиб, называются фермами. Фермы  состоят из отдельных стержней, соединяющихся  в узлах и образующих геометрически неизменяемую систему. Если ферма в целом работает на изгиб, то в ее конструктивных элементах возникают только продольные усилия сжатия или растяжения. Это позволяет более рационально использовать материал (металл) по сравнению, например, с балками. Фермы более экономичны по расходу металла, однако более трудоемки в изготовлении. Поэтому их применяют для перекрытия больших пролетов при относительно небольших нагрузках.

Ферма включает в себя три основных конструктивных элемента — верхний  и нижний пояса и решетку, состоящую, как правило, из раскосов и стоек. Расстояние между узлами решетки фермы называется панелью, а расстояние между ее опорами — пролетом.

Фермы классифицируют по различным  признакам: по назначению — фермы  мостов, покрытий (стропильные и подстропильные), транспортных эстакад, гидротехнических затворов, грузоподъемных кранов и т.д.; по профилю очертания поясов — фермы с параллельными поясами, полигональные, арочные и треугольные. Очертание поясов фермы определяется назначением фермы и принятой конструктивной схемой всего сооружения.

Чаще всего в фермах применяют  наиболее простую в исполнении треугольную  решетку. Дополнительные стойки ставят тогда, когда в месте их расположения прикладываются сосредоточенные силы или возникает необходимость в уменьшении длины панели верхнего, сжатого пояса.

В раскосной решетке все раскосы  имеют усилие одного знака, а все  стойки — противоположного. При  восходящем направлении раскосов стойки растянуты, а при нисходящем—сжаты.

В зависимости от усилий в элементах фермы их разделяют на легкие (пролетом до 50 м с наибольшим усилием в поясах Nmaх=5000кН) и тяжелые. По конструктивному решению — на обычные, комбинированные и с предварительным напряжением.

Чаще всего используют в сечениях элементов фермы спаренные уголки. Комбинируя сечения из равнобоких и неравнобоких уголков, соединяя их малыми и большими полками, можно получить сечение, равноустойчивое в обеих плоскостях, которое хорошо работает на продольную силу.

В узлах фермы стержни соединяются  при помощи листовых фасонок

Трубчатое сечение элементов ферм весьма рациональное по расходу металла, имеет высокую коррозионную стойкость. Однако трудоемкость изготовления таких  узлов выше из-за сложности примыкания отдельных элементов друг к другу  я применение их ограничено.

Сварные фермы. Методы определения  расчетных усилий в стержнях

 

Стропильные фермы рассчитываются на следующие виды нагрузок:

Постоянные нагрузки от веса кровли и собственного веса несущих конструкций  покрытия.

Временные нагрузки от снега, ветра  и т. д.

Прочие нагрузки, которые могут  восприниматься фермами (от подъемно-транспортного  оборудования и др.).

1. Постоянные нагрузки от веса  кровли и собственного веса  конструкций стропильных ферм, связей  по покрытию принимаются равномерно  распределенными. Ферма воспринимает большие сосредоточенные нагрузки (свыше 30—50 кН), то они учитываются по фактическому расположению.

Для определения постоянной нагрузки на 1 м2 покрытия используют формулу

 

 

где qф — фактический вес кровельной конструкции на 1 м2; a — угол наклона  кровли к горизонту.

Если уклон  кровли не превышает 1/8, принимают cos a = 1.

Расчетную погонную нагрузку на ферму определяют по формуле

 

 

где В — шаг стропильных ферм.

Узловые силы на ферму определяются умножением (нагрузки на длину панели верхнего пояса d

 

Нагрузки от снега (нормативная  на 1 м2 площади) регламентируются СНиП 2.01.07—85 «Нагрузки и воздействия» и рассчитываются по формуле

 

 

где Р0—вес снегового покрова на 1 м2; c — коэффициент, зависящий от конфигурации кровли.

Расчетная нагрузка на 1 м2 кровли определяется по нормативной нагрузке с учетом коэффициента перегрузки n, принимаемого равным 1,4...1,6 в зависимости от отношения  нормативного веса покрытия к нормативному весу снегового покрова.

Расчетную погонную нагрузку от снега  на ферму находят, умножая нагрузку 1 м2 кровли на шаг ферм В:

 

 

При угле наклона кровли aЈ25° коэффициент с=1 и приaі60° с=0. Промежуточные значения коэффициентов с определяются линейной интерполяцией.

В случае двускатного покрытия с  углом наклона 200 …300 включительно учитывают  второй вариант нагружения снегом: равномерно распределенная нагрузка с коэффициентом с=0,75, с одной стороны, и равномерно распределенная нагрузка с коэффициентом с=1,25, с другой.

При более сложных конфигурациях  покрытия с перепадами пролетов по высоте снег сдувается на нижележащие  фермы с высоких пролетов и  образуется зона повышенных нагрузок (снеговые мешки). Определяют эти нагрузки по СНиП 2.01.07-85.

Расчетные узловые силы на ферму  от веса снега определяют умножением расчетной погонной нагрузки на длину  панели верхнего пояса d.

2. Определение  усилий в стержнях фермы. Определение усилий в стержнях производится графическим или аналитическим способом. Для ферм с наклонными поясами используют графический способ при помощи диаграммы усилий Кремоны. Для этого определяют опорные реакции фермы, обозначают (цифрами и буквами) поля между силами и стержнями, строят диаграмму усилий. Расчет узлов выполняют таким образом, чтобы в каждом последующем узле было не более двух неизвестных усилий.

В некоторых  случаях не все силы совпадают  с узлами ферм (например, для покрытий из плит или панелей шириной 1,5 м в фермах с размером панели d=3 м). Здесь продольные усилия в элементах фермы определяют от всей нагрузки, собранной в сосредоточенные силы по узлам фермы. Сила Рm, действующая между узлами, создает в стержне дополнительный местный изгибающий момент Мm по аналогии с балкой. В результате такой элемент будет работать на внецентренное сжатие от продольной силы и местного изгибающего момента. Это учитывается при подборе сечения такого элемента.

Учитывая, что  пояс неразрезной, местные изгибающие моменты, определенные как для свободно опертых балок, могут быть уменьшены на 10 % для всех панелей, кроме опорной. В конкретных случаях необходимо учитывать, что местный изгиб значительно утяжеляет ферму по сравнению со шпренгельной фермой.

3. Расчетные  длины стержней ферм. Стержни  фермы воспринимают продольные  усилия сжатия или растяжения. Несущая способность сжатого  стержня зависит от его расчетной  длины и определяется потерей  устойчивости.

 

 

где m — коэффициент, зависящий  от способа закрепления концов стержня; l- геометрическая длина стержня (расстояние между центрами узлов).

Устойчивость стержней проверяют  в двух направлениях — в плоскости  фермы и из плоскости фермы, так как заранее нельзя определить, в каком из этих возможных направлений будет происходить потеря устойчивости фермы.

Несущая способность растянутых стержней не зависит от длины. Однако тонкие и длинные растянутые стержни  могут провисать под влиянием собственной массы и колебаться под воздействием внешних нагрузок. В связи с этим гибкость растянутых элементов фермы ограничена нормами, и поэтому для ее определения также необходимо знать расчетные длины растянутых стержней как в плоскости, так и из плоскости фермы.

Расчетную длину всех стержней фермы  принимают равной расстоянию между  центрами узлов за исключением промежуточных  раскосов и стоек, примыкающих к  растянутому поясу. Растягивающее  усилие в нижнем поясе препятствует повороту нижнего узла, поэтому стержни решетки имеют схему с шарнирным опиранием вверху и частичным защемлением внизу и их расчетная длина равна 0,8 геометрической длины, т. е. расстояния между центрами узлов. К опорному раскосу растянутый нижний пояс подходит только с одной стороны, что не обеспечивает защемления. Поэтому его расчетная длина принимается равной геометрической длине.

Устойчивость фермы из плоскости  обеспечивают элементы покрытия и связи  по верхним и нижним поясам. По верхним  поясам укладываются прогоны или  плиты покрытия. В коньке фермы обычно устанавливают связевую распорку, обеспечивающую устойчивость ферм в процессе монтажа, а также служащую опорой фермы из плоскости при наличии фонаря.

Нижний пояс фермы закрепляется системой связей по нижним поясам. За расчетную длину поясов ферм принимают расстояние между точками, закрепленными от смещения из плоскости фермы связями, плитами или прогонами с коэффициентом m—1.

У раскосов и стоек фермы в  направлении из плоскости расчетная  длина равна расстоянию между  центрами узлов, так как небольшая жесткость поясов на кручение и гибкость узловых фасонок приближают работу этих стержней к схеме с шарнирным опиранием концов.

Подбор сечений стержней ферм

 

Наиболее распространенное сечение  поясов стропильных и подстропильных ферм — тавровое, образованное парой уголков. Уголковый профиль позволяет легко комбинировать типы уголков (равнополочные или неравнополочные) и соединять их в сечении (полками в сторону).

Это позволяет конструировать стержни  с различными радиусами инерции  гх и rу и, следовательно, при различной расчетной длине lx и ly в плоскости и из плоскости фермы отдельных ее элементов подобрать наиболее экономичные, равноустойчивые сечения (с одинаковой гибкостью lx и lу) в обоих направлениях.

В таблице приведены различные сечения из уголков и даны соотношения их радиусов инерции.

Верхние пояса ферм из плоскости  раскрепляют прогонами или плитами  покрытия в каждом узле, и тогда  расчетные длины будут lx=ly; или  через узел, и тогда соотношение  расчетных длин станет ly=2lx. В первом случае наиболее экономичным было бы сечение пояса из двух неравнополочных уголков, поставленных малыми полками в сторону (rx»ry). Однако такое сечение применяется редко, так как вследствие небольшой ширины пояса фермы оно неудобно при транспортировании и монтаже. По этим соображениям при lx=ly чаще применяют сечение верхнего пояса из двух равнополочных уголков. При расчетной длине пояса из плоскости фермы вдвое большей, чем в плоскости фермы (ly=2lx), наиболее рационально сечение из неравнополочных уголков, поставленных большими полками в сторону (rу»2rx).

Нижние пояса ферм обычно работают на растяжение, поэтому соотношение  радиусов инерции сечений не влияет на их несущую способность. Однако для  обеспечения требований по предельной гибкости, а также из условий транспортировки и монтажа более рационально широкое сечение из неравнополочных уголков, поставленных большими полками в сторону.

Опорные раскосы имеют одинаковую расчетную длину в плоскости  и из плоскости фермы (lx=ly). Поэтому  наиболее рациональное для них сечение из неравнополочных уголков, поставленных малыми полками в сторону (rx=ry).

Промежуточные раскосы и стойки при сжимающих усилиях проектируют  из равнополочных уголков (rx»0,8ry). Растянутые элементы решетки могут приниматься  и из неравнополочных уголков, если можно подобрать их сечение с меньшей площадью.

Стойки ферм с примыкающими связевыми элементами обычно проектируют крестового сечения. В этом случае их гибкость определяется наибольшей расчетной длиной (ly из плоскости  фермы) и минимальным радиусом инерции.

Диаметр труб поясов рекомендуется принимать не более  чем в три раза большим диаметра труб решетки. Толщина стенки труб поясов и опорных раскосов желательно не менее 3 мм, отношение толщины стенки к диаметру трубы 1/55…1/45. Для промежуточных раскосов и стоек толщину стенок труб можно брать до 2 мм с отношением ее к диаметру трубы до 1/80.

Сечения сжатых стержней обычно подбирают, начиная  с элементов, воспринимающих большие  усилия. Требуемая площадь двух уголков

 

 

где N — расчетное усилие в стержне; j — коэффициент продольного изгиба, равный: для поясов 0,7...0,9, для элементов  решетки 0,6...0,8; R — расчетное сопротивление  стали

По сортаменту подбирают близкие по требуемой площади сечения уголки, исходя из их геометрических характеристик составляют сечение из двух уголков и определяют гибкости стержня в обоих направлениях (в плоскости и из плоскости фермы) по формулам:

 

где lx и ly — расчетные длины стержня  в плоскости и из плоскостная  фермы.

Для сжатых стержней следует выбирать по сортаменту уголки с наиболее тонкими  полками, так как они обладают большей жестокостью и несущей способностью (даже по сравнению с сечениями, имеющими большую площадь, но более толстостенными). Наибольшая гибкость стержней нормирована и зависит от вида элемента фермы и ее материала. Поэтому, определив гибкости стержней, их следует сравнить с предельными.

После определения предельной гибкости проверяют напряжения в принятом сечении

 

 

где jmin — коэффициент продольного  изгиба, принимаемый по большей из гибкостей lx или lх; Fбр — площадь сечения выбранных уголков.

Если напряжение окажется больше расчетного сопротивления или значительно  меньше его, то берут другой набор  уголков и вновь проверяют  их расчетом.

Усилия в панелях верхнего пояса  фермы имеют различные значения и теоретически надо бы подбирать разные сечения. Однако ферма в этом случае будет очень нетехнологичной в изготовлении, так как будет иметь большое количество стыков. На практике для ферм пролетом 24 м применяют одно сечение на всей длине пояса, а для ферм большего пролета делают пояс из двух сечений.

В процессе погрузки, перевозки, монтажа  длинные гибкие элементы могут быть деформированы, поэтому напряжения в раскосах и стойках ферм (исключая опорный раскос) проверяют введением  коэффициента условий работы т, учитывающего эти факторы: