Зварні ферми. Призначення, навантаження, класифікація
Гратчасті конструкції, що працюють на вигин, називаються фермами. Ферми складаються з окремих стержнів, що з'єднуються у вузлах і утворюють геометрично незмінну систему. Якщо ферма в цілому працює на вигин, то в її конструктивних елементах виникають тільки поздовжні зусилля стиснення або розтягнення. Це дозволяє більш раціонально використовувати матеріал (метал) в порівнянні, наприклад, з балками. Ферми більш економічні по витраті металу, однак більш трудомісткі у виготовленні. Тому їх застосовують для перекриття великих прольотів при відносно невеликих навантаженнях.
Ферма включає в себе три основних конструктивних елемента - верхній і нижній пояси і грати, що складається, як правило, з розкосів і стояків. Відстань між вузлами решітки ферми називається панеллю, а відстань між її опорами - прольотом.
Ферми класифікують за різними ознаками: за призначенням - ферми мостів, покриттів (кроквяні і підкроквяні), транспортних естакад, гідротехнічних затворів, вантажопідіймальних кранів і т.д.; за профілем обриси поясів - ферми з паралельними поясами, полігональні, арочні і трикутні. Обрис поясів ферми визначається призначенням ферми та прийнятої конструктивної схемою всієї споруди.
Найчастіше в фермах застосовують найбільш просту у виконанні трикутну решітку. Додаткові стійки ставлять тоді, коли в місці їх розташування прикладаються зосереджені сили або виникає необхідність у зменшенні довжини панелі верхнього, стиснутого пояса.
У співпрацівники решітці всі розкоси мають зусилля одного знака, а всі стійки - протилежного. При висхідному напрямку розкосів стійки розтягнуті, а при низхідному-стиснуті.
В залежності від зусиль в елементах ферми їх поділяють на легкі (прольотом до 50 м з найбільшим зусиллям у поясах N maх = 5000кН) і важкі. За конструктивним рішенням - на звичайні, комбіновані та з попереднім напруженням.
Найчастіше використовують у перетинах елементів ферми спарені куточки. Комбінуючи перетину з равнобокая і неравнобокими куточків, поєднуючи їх малими і великими полками, можна отримати перерізу, однаково в обох площинах, яке добре працює на поздовжню силу.
У вузлах ферми стрижні з'єднуються за допомогою листових фасонок
Трубчасте перетин елементів ферм вельми раціональне по витраті металу, має високу корозійну стійкість. Проте трудомісткість виготовлення таких вузлів вище через складність примикання окремих елементів один до одного я застосування їх обмежене.
Зварні ферми. Методи визначення розрахункових зусиль в стержнях
Кроквяні ферми розраховуються на такі види навантажень:
1. Постійні навантаження від ваги покрівлі і власної ваги несучих конструкцій покриття.
2. Тимчасові навантаження від снігу, вітру і т. д.
3. Інші навантаження, які можуть сприйматися фермами (від підйомно-транспортного устаткування та ін.)
1. Постійні навантаження від ваги покрівлі і власної ваги конструкцій кроквяних ферм, зв'язків з покриття приймаються рівномірно розподіленими. Ферма сприймає великі зосереджені навантаження (понад 30-50 кН), то вони враховуються за фактичному розташуванню.
Для визначення постійного навантаження на 1 м 2 покриття використовують формулу
де q ф - фактична вага покрівельної конструкції на 1 м 2; a - кут нахилу покрівлі до горизонту.
Якщо ухил покрівлі не перевищує 1 / 8, беруть cos a = 1.
Розрахункову погонну навантаження на ферму визначають за формулою
де В - крок кроквяних ферм.
Вузлові сили на ферму визначаються множенням (навантаження на довжину панелі верхнього поясу d
Навантаження від снігу (нормативна на 1 м 2 площі) регламентуються СНиП 2.01.07-85 «Навантаження і впливи» і розраховуються за формулою
де Р 0-вага снігового покриву на 1 м 2 ; C - коефіцієнт, що залежить від конфігурації покрівлі.
Розрахункове навантаження на 1 м 2 покрівлі визначається за нормативного навантаження з урахуванням коефіцієнта перевантаження n, прийнятого рівним 1,4 ... 1,6 у залежності від ставлення нормативної ваги покриття до нормативного вагою снігового покриву.
Розрахункову погонну навантаження від снігу на ферму знаходять, множачи навантаження 1 м 2 покрівлі на крок ферм В:
При куті нахилу покрівлі a £ 25 ° коефіцієнт з = 1 і пріa ³ 60 ° с = 0. Проміжні значення коефіцієнтів з визначаються лінійною інтерполяцією.
У разі двускатного покриття з кутом нахилу 20 0 ... 30 0 включно враховують другий варіант навантаження снігом: рівномірно розподілене навантаження з коефіцієнтом з = 0,75, з одного боку, і рівномірно розподілене навантаження з коефіцієнтом з = 1,25, з іншого.
При більш складних конфігураціях покриття з перепадами прольотів по висоті сніг здувається на нижележащие ферми з високих прольотів і утворюється зона підвищених навантажень (снігові мішки). Визначають ці навантаження за СНиП 2.01.07-85.
Розрахункові вузлові сили на ферму від ваги снігу визначають множенням розрахункової погонного навантаження на довжину панелі верхнього поясу d.
2. Визначення зусиль в стержнях ферми. Визначення зусиль в стержнях проводиться графічним або аналітичним способом. Для ферм з похилими поясами використовують графічний спосіб за допомогою діаграми зусиль Кремони. Для цього визначають опорні реакції ферми, позначають (цифрами та літерами) поля між силами і стрижнями, будують діаграму зусиль. Розрахунок вузлів виконують таким чином, щоб у кожному наступному вузлі було не більше двох невідомих зусиль.
У деяких випадках не всі сили збігаються з вузлами ферм (наприклад, для покриттів із плит або панелей шириною 1,5 м для ферм з розміром панелі d = 3 м). Тут поздовжні зусилля в елементах ферми визначають від всього навантаження, зібраної в зосереджені сили по вузлах ферми. Сила Р m, що діє між вузлами, створює в стержні додатковий місцевий згинальний момент М m за аналогією з балкою. У результаті такий елемент буде працювати на відцентровий стиск від поздовжньої сили та місцевого згинального моменту. Це враховується при підборі перетину такого елемента.
Враховуючи, що пояс нерозрізний, місцеві згинальні моменти, визначені як для вільно опертих балок, можуть бути зменшені на 10% для всіх панелей, крім опорної. У конкретних випадках необхідно враховувати, що місцевий вигин значно ускладнює ферму в порівнянні з шпренгельними фермою.
3. Розрахункові довжини стрижнів ферм. Стрижні ферми сприймають подовжні зусилля стиснення або розтягнення. Несуча здатність стиснутого стрижня залежить від його розрахункової довжини і визначається втратою стійкості.
де m - коефіцієнт, що залежить від способу закріплення кінців стрижня; l - геометрична довжина стрижня (відстань між центрами вузлів).
Стійкість стрижнів перевіряють у двох напрямках - у площині ферми і з площини ферми, так як заздалегідь не можна визначити, в якому з цих можливих напрямків буде відбуватися втрата стійкості ферми.
Несуча здатність розтягнутих стержнів не залежить від довжини. Проте тонкі й довгі розтягнуті стержні можуть провисати під впливом власної маси і коливатися під впливом зовнішніх навантажень. У зв'язку з цим гнучкість розтягнутих елементів ферми обмежена нормами, і тому для її визначення також необхідно знати розрахункові довжини розтягнутих стрижнів як у площині, так і з площини ферми.
Розрахункову довжину всіх стержнів ферми беруть дорівнює відстані між центрами вузлів за винятком проміжних розкосів і стояків, що примикають до розтягнутого поясу. Розтяжне зусилля в нижньому поясі перешкоджає повороту нижнього вузла, тому стрижні решітки мають схему з шарнірним обпиранням вгорі і частковим закріпленням внизу та їх розрахункова довжина дорівнює 0,8 геометричній довжини, тобто відстані між центрами вузлів. До опорних розкосів розтягнутий нижній пояс підходить тільки з одного боку, що не забезпечує защемлення. Тому його розрахункова довжина приймається рівною геометричній довжині.
Стійкість ферми з площини забезпечують елементи покриття та зв'язку по верхніх і нижніх поясах. По верхніх поясах укладаються прогони або плити покриття. У конику ферми зазвичай встановлюють в'язевих розпірку, що забезпечує стійкість ферм у процесі монтажу, а також служить опорою ферми з площини при наявності ліхтаря.
Нижній пояс ферми закріплюється системою зв'язків по нижніх поясах. За розрахункову довжину поясів ферм приймають відстань між точками, закріпленими від зміщення з площини ферми зв'язками, плитами або прогонами з коефіцієнтом m-1.
У розкосів і стояків ферми в напрямку із площини розрахункова довжина дорівнює відстані між центрами вузлів, так як невелика жорсткість поясів на кручення і гнучкість вузлових фасонок наближають роботу цих стержнів до схеми з шарнірним обпиранням кінців.
Підбір перерізів стержнів ферм
Найбільш поширене перетин поясів кроквяних і підкроквяних ферм - Таврове, утворене парою куточків. Кутовим профілем дозволяє легко комбінувати типи куточків (рівнополочні або нерівнополочні) і з'єднувати їх у перерізі (полками в сторону).
Це дозволяє конструювати стрижні з різними радіусами інерції гх і Rу і, отже, при різній розрахунковій довжині l x і l y у площині і із площини ферми окремих її елементів підібрати найбільш економічні, рівностійкого перерізу (з однаковою гнучкістю lx і lу) в обох напрямках .
У таблиці наведені різні перетину з куточків і дані співвідношення їх радіусів інерції.
Верхні пояси ферм з площини розкріплюють прогонами або плитами покриття в кожному вузлі, і тоді розрахункові довжини будуть l x = l y; або через вузол, і тоді співвідношення розрахункових довжин стане l y = 2 l x. У першому випадку найбільш економічним було б перетин пояси з двох нерівнополочні куточків, поставлених малими полками в сторону (rx »ry). Однак таке перетин застосовується рідко, тому що внаслідок невеликої ширини пояса ферми воно незручно при транспортуванні і монтажі. З цих міркувань при l x = l y частіше застосовують перетин верхнього поясу з двох рівнополочні куточків. При розрахунковій довжині пояса з площини ферми вдвічі більшою, ніж у площині ферми (l y = 2 l x), найбільш раціонально перетин з полками куточків, поставлених великими полками в сторону (Rу »2rx).
Нижні пояси ферм звичайно працюють на розтяг, тому співвідношення радіусів інерції перерізів не впливає на їх несучу здатність. Однак для забезпечення вимог щодо граничної гнучкості, а також з умов транспортування і монтажу більш раціонально широке перетин з полками куточків, поставлених великими полками в сторону.
Опорні розкоси мають однакову розрахункову довжину в площині і із площини ферми (l x = l y). Тому найбільш раціональне для них перетин з полками куточків, поставлених малими полками в сторону (rx = ry).
Проміжні раскоси і стійки при стискаючих зусиллях проектують з рівнополочні куточків (rx »0,8 ry). Розтягнуті елементи решітки можуть прийматися і з полками куточків, якщо можна підібрати їх перетин з меншою площею.
Стійки ферм з пов'язаними зв'язевим елементами звичайно проектують хрестового перетину. У цьому випадку їх гнучкість визначається найбільшою розрахунковою довжиною (l y з площини ферми) і мінімальним радіусом інерції.
Діаметр труб поясів рекомендується приймати не більше ніж в три рази більшим діаметра труб решітки. Товщина стінки труб поясів і опорних розкосів бажано не менше 3 мм, відношення товщини стінки до діаметра труби 1 / 55 ... 1 / 45. Для проміжних розкосів і стояків товщину стінок труб можна брати до 2 мм з відношенням її до діаметра труби до 1 / 80.
Перетини стиснутих стрижнів зазвичай підбирають, починаючи з елементів, що сприймають великі зусилля. Необхідна площа двох куточків
де N - розрахункове зусилля в стрижні; j - коефіцієнт поздовжнього вигину, що дорівнює: для поясів 0,7 ... 0,9, для елементів решітки 0,6 ... 0,8; R - розрахунковий опір сталі
За сортаментом підбирають близькі за необхідної площі перерізу куточки, виходячи з їх геометричних характеристик складають перетин з двох куточків і визначають гнучкості стрижня в обох напрямках (в площині і із площини ферми) за формулами:
де l x і l y - розрахункові довжини стержня в площині і з площинна ферми.
Для стиснутих стрижнів слід вибирати по сортаменту куточки з найбільш тонкими полицями, так як вони мають більшою жорстокістю і несучою спроможністю (навіть порівняно з перерізами, що мають велику площу, але більш товстостінними). Найбільша гнучкість стрижнів унормована і залежить від виду елемента ферми і її матеріалу. Тому, визначивши гнучкості стрижнів, їх слід порівняти з граничними.
Після визначення граничної гнучкості перевіряють напруги в прийнятому перерізі
де jmin - коефіцієнт поздовжнього згину, за більшою з гнучкості lx або Lх; Fбр - площа перерізу вибраних куточків.
Якщо напруга виявиться більше розрахункового опору або значно менше його, то беруть інший набір куточків і знову перевіряють їх розрахунком.
Зусилля в панелях верхнього пояса ферми мають різні значення і теоретично треба б підбирати різні перетину. Однак ферма в цьому випадку буде дуже нетехнологічно у виготовленні, так як буде мати велику кількість стиків. На практиці для ферм прольотом 24 м застосовують одне перетин на всій довжині пояса, а для ферм більшого прольоту роблять пояс з двох перетинів.
У процесі навантаження, перевезення, монтажу довгі гнучкі елементи можуть бути деформовані, тому напруги в розкосах і стійках ферм (виключаючи опорний розкосів) перевіряють введенням коефіцієнта умов роботи т, що враховує ці фактори:
де s = 0,8 - для елементів гратки при гнучкості більш 60 (з цих же міркувань для будь-яких перерізів стержнів ферм не використовують куточки менш 50x4 мм).
У фермах з труб в зоні примикання розкосів і стояків до поясів напруги розподіляються по перерізу труби нерівномірно, тому елементи решіток, що працюють на стиск при гнучкості l <60, перевіряють на міцність без урахування коефіцієнта j, з коефіцієнтом умов роботи m = 0,8.
Перетин розтягнутих стрижнів підбирають, починаючи з елементів, що сприймають найбільші зусилля.
Площа перерізу визначається за формулою
За сортаментом вибирають найближчі за площею куточки, виписують геометричні характеристики перерізу, складеного з двох куточків, і визначають гнучкості стержня в площині і із площини ферми. Найбільша гнучкість розтягнутих стрижнів також унормована і залежить від виду елемента ферми, умов її роботи і матеріалу конструкції
Якщо гнучкість підібраного елемента не перевершує граничної, то перевіряють фактичні напруги в стрижні за формулою
У фермах з труб з тих же причин, що і в стиснутих елементах, при перевірці міцності вводиться коефіцієнт умов роботи m = 0,8.
З метою економії матеріалу для нижніх поясів ферм іноді застосовують комбінацію з двох перерізів зі стиком у вузлах.
У міру наближення до середини ферми зусилля в розкосах зменшуються. Таким чином, чинником, що визначає перетин середніх розкосів, є гранична гнучкість. Якщо середні розкоси мають невелике зусилля розтягування (до 100 кН), то при випадковій односторонньої навантаженні (наприклад, при монтажі плит на прогоні, очищення снігу та ін) зусилля може зменшитися і перейти до стиснення. З урахуванням цього в середніх слабо розтягнутих розкосах гнучкість повинна бути не більше 150 і підбирають її по граничної гнучкості для стиснутих стержнів.
Якщо пояс складається з різних перетинів, зсув центрів тяжіння куточків (ексцентриситет осей) не повинно перевищувати 5% висоти пояса. В іншому випадку у вузлі виникають значні згинальні моменти, які необхідно враховувати розрахунком.
Визначаючи радіус інерції сумарного перерізу з двох куточків, необхідно враховувати відстань у світлі між паралельними полицями, яке визначається товщиною фасонок ферми. Товщина фасонок залежить відкусили і в стержнях ферми і може бути прийнята за таблицею
Фасонки зазвичай приймаються однієї товщини. Однак для ферм з великими прольотами допускається робити опорні фасонки на 2 мм товщі, ніж проміжні. Для підбору перерізу стержнів ферм зручно користуватися табличній формою без проміжних обчислень. Такі таблиці дають можливість виконати розрахунки в компактній формі і контролювати всі фактори. Після розрахунку всіх перерізів стержнів ферми необхідно визначити загальне число використовуваних на ферму профілів. Якщо у фермі прольотом до 24 м виявиться більше 5 ... 6 профілів, а у фермі прольотом.
Гратчасті конструкції, що працюють на вигин, називаються фермами. Ферми складаються з окремих стержнів, що з'єднуються у вузлах і утворюють геометрично незмінну систему. Якщо ферма в цілому працює на вигин, то в її конструктивних елементах виникають тільки поздовжні зусилля стиснення або розтягнення. Це дозволяє більш раціонально використовувати матеріал (метал) в порівнянні, наприклад, з балками. Ферми більш економічні по витраті металу, однак більш трудомісткі у виготовленні. Тому їх застосовують для перекриття великих прольотів при відносно невеликих навантаженнях.
Ферма включає в себе три основних конструктивних елемента - верхній і нижній пояси і грати, що складається, як правило, з розкосів і стояків. Відстань між вузлами решітки ферми називається панеллю, а відстань між її опорами - прольотом.
Ферми класифікують за різними ознаками: за призначенням - ферми мостів, покриттів (кроквяні і підкроквяні), транспортних естакад, гідротехнічних затворів, вантажопідіймальних кранів і т.д.; за профілем обриси поясів - ферми з паралельними поясами, полігональні, арочні і трикутні. Обрис поясів ферми визначається призначенням ферми та прийнятої конструктивної схемою всієї споруди.
Найчастіше в фермах застосовують найбільш просту у виконанні трикутну решітку. Додаткові стійки ставлять тоді, коли в місці їх розташування прикладаються зосереджені сили або виникає необхідність у зменшенні довжини панелі верхнього, стиснутого пояса.
У співпрацівники решітці всі розкоси мають зусилля одного знака, а всі стійки - протилежного. При висхідному напрямку розкосів стійки розтягнуті, а при низхідному-стиснуті.
В залежності від зусиль в елементах ферми їх поділяють на легкі (прольотом до
Найчастіше використовують у перетинах елементів ферми спарені куточки. Комбінуючи перетину з равнобокая і неравнобокими куточків, поєднуючи їх малими і великими полками, можна отримати перерізу, однаково в обох площинах, яке добре працює на поздовжню силу.
У вузлах ферми стрижні з'єднуються за допомогою листових фасонок
Трубчасте перетин елементів ферм вельми раціональне по витраті металу, має високу корозійну стійкість. Проте трудомісткість виготовлення таких вузлів вище через складність примикання окремих елементів один до одного я застосування їх обмежене.
Зварні ферми. Методи визначення розрахункових зусиль в стержнях
Кроквяні ферми розраховуються на такі види навантажень:
1. Постійні навантаження від ваги покрівлі і власної ваги несучих конструкцій покриття.
2. Тимчасові навантаження від снігу, вітру і т. д.
3. Інші навантаження, які можуть сприйматися фермами (від підйомно-транспортного устаткування та ін.)
1. Постійні навантаження від ваги покрівлі і власної ваги конструкцій кроквяних ферм, зв'язків з покриття приймаються рівномірно розподіленими. Ферма сприймає великі зосереджені навантаження (понад 30-50 кН), то вони враховуються за фактичному розташуванню.
Для визначення постійного навантаження на
де q ф - фактична вага покрівельної конструкції на 1 м 2; a - кут нахилу покрівлі до горизонту.
Якщо ухил покрівлі не перевищує 1 / 8, беруть cos a = 1.
Розрахункову погонну навантаження на ферму визначають за формулою
де В - крок кроквяних ферм.
Вузлові сили на ферму визначаються множенням (навантаження на довжину панелі верхнього поясу d
Навантаження від снігу (нормативна на
де Р 0-вага снігового покриву на
Розрахункове навантаження на 1 м 2 покрівлі визначається за нормативного навантаження з урахуванням коефіцієнта перевантаження n, прийнятого рівним 1,4 ... 1,6 у залежності від ставлення нормативної ваги покриття до нормативного вагою снігового покриву.
Розрахункову погонну навантаження від снігу на ферму знаходять, множачи навантаження
При куті нахилу покрівлі a £ 25 ° коефіцієнт з = 1 і пріa ³ 60 ° с = 0. Проміжні значення коефіцієнтів з визначаються лінійною інтерполяцією.
У разі двускатного покриття з кутом нахилу 20 0 ... 30 0 включно враховують другий варіант навантаження снігом: рівномірно розподілене навантаження з коефіцієнтом з = 0,75, з одного боку, і рівномірно розподілене навантаження з коефіцієнтом з = 1,25, з іншого.
При більш складних конфігураціях покриття з перепадами прольотів по висоті сніг здувається на нижележащие ферми з високих прольотів і утворюється зона підвищених навантажень (снігові мішки). Визначають ці навантаження за СНиП 2.01.07-85.
Розрахункові вузлові сили на ферму від ваги снігу визначають множенням розрахункової погонного навантаження на довжину панелі верхнього поясу d.
2. Визначення зусиль в стержнях ферми. Визначення зусиль в стержнях проводиться графічним або аналітичним способом. Для ферм з похилими поясами використовують графічний спосіб за допомогою діаграми зусиль Кремони. Для цього визначають опорні реакції ферми, позначають (цифрами та літерами) поля між силами і стрижнями, будують діаграму зусиль. Розрахунок вузлів виконують таким чином, щоб у кожному наступному вузлі було не більше двох невідомих зусиль.
У деяких випадках не всі сили збігаються з вузлами ферм (наприклад, для покриттів із плит або панелей шириною
Враховуючи, що пояс нерозрізний, місцеві згинальні моменти, визначені як для вільно опертих балок, можуть бути зменшені на 10% для всіх панелей, крім опорної. У конкретних випадках необхідно враховувати, що місцевий вигин значно ускладнює ферму в порівнянні з шпренгельними фермою.
3. Розрахункові довжини стрижнів ферм. Стрижні ферми сприймають подовжні зусилля стиснення або розтягнення. Несуча здатність стиснутого стрижня залежить від його розрахункової довжини і визначається втратою стійкості.
де m - коефіцієнт, що залежить від способу закріплення кінців стрижня; l - геометрична довжина стрижня (відстань між центрами вузлів).
Стійкість стрижнів перевіряють у двох напрямках - у площині ферми і з площини ферми, так як заздалегідь не можна визначити, в якому з цих можливих напрямків буде відбуватися втрата стійкості ферми.
Несуча здатність розтягнутих стержнів не залежить від довжини. Проте тонкі й довгі розтягнуті стержні можуть провисати під впливом власної маси і коливатися під впливом зовнішніх навантажень. У зв'язку з цим гнучкість розтягнутих елементів ферми обмежена нормами, і тому для її визначення також необхідно знати розрахункові довжини розтягнутих стрижнів як у площині, так і з площини ферми.
Розрахункову довжину всіх стержнів ферми беруть дорівнює відстані між центрами вузлів за винятком проміжних розкосів і стояків, що примикають до розтягнутого поясу. Розтяжне зусилля в нижньому поясі перешкоджає повороту нижнього вузла, тому стрижні решітки мають схему з шарнірним обпиранням вгорі і частковим закріпленням внизу та їх розрахункова довжина дорівнює 0,8 геометричній довжини, тобто відстані між центрами вузлів. До опорних розкосів розтягнутий нижній пояс підходить тільки з одного боку, що не забезпечує защемлення. Тому його розрахункова довжина приймається рівною геометричній довжині.
Стійкість ферми з площини забезпечують елементи покриття та зв'язку по верхніх і нижніх поясах. По верхніх поясах укладаються прогони або плити покриття. У конику ферми зазвичай встановлюють в'язевих розпірку, що забезпечує стійкість ферм у процесі монтажу, а також служить опорою ферми з площини при наявності ліхтаря.
Нижній пояс ферми закріплюється системою зв'язків по нижніх поясах. За розрахункову довжину поясів ферм приймають відстань між точками, закріпленими від зміщення з площини ферми зв'язками, плитами або прогонами з коефіцієнтом m-1.
У розкосів і стояків ферми в напрямку із площини розрахункова довжина дорівнює відстані між центрами вузлів, так як невелика жорсткість поясів на кручення і гнучкість вузлових фасонок наближають роботу цих стержнів до схеми з шарнірним обпиранням кінців.
Підбір перерізів стержнів ферм
Найбільш поширене перетин поясів кроквяних і підкроквяних ферм - Таврове, утворене парою куточків. Кутовим профілем дозволяє легко комбінувати типи куточків (рівнополочні або нерівнополочні) і з'єднувати їх у перерізі (полками в сторону).
Це дозволяє конструювати стрижні з різними радіусами інерції гх і Rу і, отже, при різній розрахунковій довжині l x і l y у площині і із площини ферми окремих її елементів підібрати найбільш економічні, рівностійкого перерізу (з однаковою гнучкістю lx і lу) в обох напрямках .
У таблиці наведені різні перетину з куточків і дані співвідношення їх радіусів інерції.
Верхні пояси ферм з площини розкріплюють прогонами або плитами покриття в кожному вузлі, і тоді розрахункові довжини будуть l x = l y; або через вузол, і тоді співвідношення розрахункових довжин стане l y = 2 l x. У першому випадку найбільш економічним було б перетин пояси з двох нерівнополочні куточків, поставлених малими полками в сторону (rx »ry). Однак таке перетин застосовується рідко, тому що внаслідок невеликої ширини пояса ферми воно незручно при транспортуванні і монтажі. З цих міркувань при l x = l y частіше застосовують перетин верхнього поясу з двох рівнополочні куточків. При розрахунковій довжині пояса з площини ферми вдвічі більшою, ніж у площині ферми (l y = 2 l x), найбільш раціонально перетин з полками куточків, поставлених великими полками в сторону (Rу »2rx).
Нижні пояси ферм звичайно працюють на розтяг, тому співвідношення радіусів інерції перерізів не впливає на їх несучу здатність. Однак для забезпечення вимог щодо граничної гнучкості, а також з умов транспортування і монтажу більш раціонально широке перетин з полками куточків, поставлених великими полками в сторону.
Опорні розкоси мають однакову розрахункову довжину в площині і із площини ферми (l x = l y). Тому найбільш раціональне для них перетин з полками куточків, поставлених малими полками в сторону (rx = ry).
Проміжні раскоси і стійки при стискаючих зусиллях проектують з рівнополочні куточків (rx »0,8 ry). Розтягнуті елементи решітки можуть прийматися і з полками куточків, якщо можна підібрати їх перетин з меншою площею.
Стійки ферм з пов'язаними зв'язевим елементами звичайно проектують хрестового перетину. У цьому випадку їх гнучкість визначається найбільшою розрахунковою довжиною (l y з площини ферми) і мінімальним радіусом інерції.
Діаметр труб поясів рекомендується приймати не більше ніж в три рази більшим діаметра труб решітки. Товщина стінки труб поясів і опорних розкосів бажано не менше 3 мм, відношення товщини стінки до діаметра труби 1 / 55 ... 1 / 45. Для проміжних розкосів і стояків товщину стінок труб можна брати до 2 мм з відношенням її до діаметра труби до 1 / 80.
Перетини стиснутих стрижнів зазвичай підбирають, починаючи з елементів, що сприймають великі зусилля. Необхідна площа двох куточків
де N - розрахункове зусилля в стрижні; j - коефіцієнт поздовжнього вигину, що дорівнює: для поясів 0,7 ... 0,9, для елементів решітки 0,6 ... 0,8; R - розрахунковий опір сталі
За сортаментом підбирають близькі за необхідної площі перерізу куточки, виходячи з їх геометричних характеристик складають перетин з двох куточків і визначають гнучкості стрижня в обох напрямках (в площині і із площини ферми) за формулами:
де l x і l y - розрахункові довжини стержня в площині і з площинна ферми.
Для стиснутих стрижнів слід вибирати по сортаменту куточки з найбільш тонкими полицями, так як вони мають більшою жорстокістю і несучою спроможністю (навіть порівняно з перерізами, що мають велику площу, але більш товстостінними). Найбільша гнучкість стрижнів унормована і залежить від виду елемента ферми і її матеріалу. Тому, визначивши гнучкості стрижнів, їх слід порівняти з граничними.
Після визначення граничної гнучкості перевіряють напруги в прийнятому перерізі
де jmin - коефіцієнт поздовжнього згину, за більшою з гнучкості lx або Lх; Fбр - площа перерізу вибраних куточків.
Якщо напруга виявиться більше розрахункового опору або значно менше його, то беруть інший набір куточків і знову перевіряють їх розрахунком.
Зусилля в панелях верхнього пояса ферми мають різні значення і теоретично треба б підбирати різні перетину. Однак ферма в цьому випадку буде дуже нетехнологічно у виготовленні, так як буде мати велику кількість стиків. На практиці для ферм прольотом
У процесі навантаження, перевезення, монтажу довгі гнучкі елементи можуть бути деформовані, тому напруги в розкосах і стійках ферм (виключаючи опорний розкосів) перевіряють введенням коефіцієнта умов роботи т, що враховує ці фактори:
де s = 0,8 - для елементів гратки при гнучкості більш 60 (з цих же міркувань для будь-яких перерізів стержнів ферм не використовують куточки менш 50x4 мм).
У фермах з труб в зоні примикання розкосів і стояків до поясів напруги розподіляються по перерізу труби нерівномірно, тому елементи решіток, що працюють на стиск при гнучкості l <60, перевіряють на міцність без урахування коефіцієнта j, з коефіцієнтом умов роботи m = 0,8.
Перетин розтягнутих стрижнів підбирають, починаючи з елементів, що сприймають найбільші зусилля.
Площа перерізу визначається за формулою
За сортаментом вибирають найближчі за площею куточки, виписують геометричні характеристики перерізу, складеного з двох куточків, і визначають гнучкості стержня в площині і із площини ферми. Найбільша гнучкість розтягнутих стрижнів також унормована і залежить від виду елемента ферми, умов її роботи і матеріалу конструкції
Якщо гнучкість підібраного елемента не перевершує граничної, то перевіряють фактичні напруги в стрижні за формулою
У фермах з труб з тих же причин, що і в стиснутих елементах, при перевірці міцності вводиться коефіцієнт умов роботи m = 0,8.
З метою економії матеріалу для нижніх поясів ферм іноді застосовують комбінацію з двох перерізів зі стиком у вузлах.
У міру наближення до середини ферми зусилля в розкосах зменшуються. Таким чином, чинником, що визначає перетин середніх розкосів, є гранична гнучкість. Якщо середні розкоси мають невелике зусилля розтягування (до 100 кН), то при випадковій односторонньої навантаженні (наприклад, при монтажі плит на прогоні, очищення снігу та ін) зусилля може зменшитися і перейти до стиснення. З урахуванням цього в середніх слабо розтягнутих розкосах гнучкість повинна бути не більше 150 і підбирають її по граничної гнучкості для стиснутих стержнів.
Якщо пояс складається з різних перетинів, зсув центрів тяжіння куточків (ексцентриситет осей) не повинно перевищувати 5% висоти пояса. В іншому випадку у вузлі виникають значні згинальні моменти, які необхідно враховувати розрахунком.
Визначаючи радіус інерції сумарного перерізу з двох куточків, необхідно враховувати відстань у світлі між паралельними полицями, яке визначається товщиною фасонок ферми. Товщина фасонок залежить відкусили і в стержнях ферми і може бути прийнята за таблицею
Фасонки зазвичай приймаються однієї товщини. Однак для ферм з великими прольотами допускається робити опорні фасонки на
Основні принципи конструювання зварних ферм
При конструюванні ферми вирішується кілька завдань.
У першу чергу визначається геометрична схема і центрация вузлів.
Схему ферми будують таким чином, щоб центри ваги перерізу збігалися з осьовими лініями. У фермах зі стрижнями з парних куточків прив'язка обушком до осьових лініях береться за таблицями сортаменту куточків і округляється до
При подальшій розробці робочих креслень (КМД) довжини стержнів ферми в геометричній схемою визначаються з точністю до 1 мм.
Після визначення геометричної схеми визначається конструкція проміжних вузлів. Послідовність компонування таких вузлів наступна. Спочатку до намічених осьовим лініям прив'язуються поясні куточки, що дозволяє визначити положення торців стрижнів решітки до вузлів. З метою зменшення зварювальних напруг у вузлах, і як наслідок, тріщин, торці стрижнів грат не доводять до поясів на 40 ... 50 мм. Потім розраховують довжину швів, що прикріплюють стрижні у вузлі. По довжині зварних швів визначають розміри фасонки. Стрижні решітки приварюють до фасонки фланговими швами. Поздовжня сила N сприймається швами пера і обушка, довжина яких обернено пропорційна відстані від центра ваги куточка до його країв. Довжина шва на обушка визначається за формулою
де z-відстань від центру ваги куточка до його обушка; b - ширина полиці куточка.
Беручи до уваги наявність радіуса заокруглення у пера, найбільша товщина шва приймається: для куточків товщиною до
Шви, що з'єднують вузлові фасонки, косоокі і стійки розраховують на зусилля в останніх. Шви, що прикріплюють фасонки до поясів з постійним перерізом, розраховують на різницю зусиль у суміжних панелях пояса, наприклад N 2-N 1. Часто за розрахунком ці шви виходять невеликої довжини. Їх приймають суцільними по всій довжині фасонки і мінімального катета.
У вузлах, де до поясу підходять тільки стійки, різниця зусиль дорівнює нулю. У цих випадках кріплення стійки до фасонки і фасонок до поясу розраховується на зусилля в стійці Ncт.
Слід зазначити, що використання листових підсилюють накладок більш переважно, так як кутиковими накладками можна перекривати поясні куточки тільки з однаковими товщинами полиць. Вузол з перерваними поясами працює в складних умовах і розрахунок його достатньо умовний.
На практиці звичайно сполучаються між поясами залишають зазор 40 ... 50 мм, а куточок з зусиллям заводять на 300 ... 500 мм за центр вузла. Товщина накладки приймається не менш товщини фасонки, а її площа має бути не менше площі виступаючого пера меншого пояса, тобто такий, щоб була забезпечена міцність ослабленого перерізу.
Його міцність визначається за формулою
де Np - розрахункове зусилля в елементі, прийняте на 20% більше дійсного, тобто Nр - 1/2N l (поправка на особливості роботи вузла); M = Nрe - згинальний момент (е - ексцентриситет сили N l, відносно центра ваги тавра); Fт і Wт - площа і момент опору тавра.
У деяких випадках користуються спрощеним прийомом перевірки таких перетинів по формулі
Розрахунок швів, що з'єднують листову накладку і пояси, виробляють на зусилля в накладці
де d - напруга в накладці, визначений за формулою (8.55).
Шви, що з'єднують куточки пояса і фасонки, розраховують на зусилля (розрахункові) у поясах без врахування зусилля, що передається з куточка на куточок накладкою, відповідно: 1,2 N 1 - 2 Nh і 1,2 N 2-2N, проте не менше, ніж 1,2 N 1 / 2 і 1,2 N 2 / 2.
Як правило, вузлові фасонки на 15 ... 20 мм випускають за обушка куточків для розміщення кутових швів. Конфігурація вузлових фасонок повинна бути простою, з мінімальним числом різів, щоб при розкрої листа відходи металу були невеликими.
Опорні вузли конструктивно можуть вирішуватися по-різному, в залежності від умов опертя. Досить часто застосовують обпирання кроквяної ферми збоку колони на опорний столик. Таке з'єднання відрізняється простотою у виготовленні і монтажі, допускає як шарнірне, так і жорстке обпирання ферми, надійною в роботі.
Великопролітні ферми з міркувань транспортування по залізниці виготовляються, як правило, з двох полуферм (можливо і більше число відправних марок). На монтажному майданчику ці полуферми укрупнюються. Укрупнювальне (монтажні) вузли повинні бути прості і надійні в роботі. Центральні ферми повинні забезпечувати повну ідентичність правого і лівого відправних елементів полуферм. З цих же міркувань, прагнуть мати одні й ті ж відправні марки для ліхтарних, фесфонарних, торцевими та інших подібних між собою ферм.
Суміжні відправні марки ферм на монтажному майданчику з'єднуються між собою по поясах за допомогою кутових або листових накладок, які спочатку фіксують за допомогою болтів. На рис. показаний приклад укрупнювального вузла, в якому верхні і нижні пояси перекриті кутиковими накладками. У кутикової накладці вертикальне перо куточка підрізають на 15 ... 20 мм, а також зрізають обушок для забезпечення щільного прилягання одного куточка до іншого. По верхньому поясу куточок накладки приймають зазвичай такий же, що і куточок пояса. Часткове зменшення площі перерізу в місці стику компенсується тим, що тут відсутній коефіцієнт поздовжнього вигину j, тобто площа стикових куточків підбирається з умов міцності.
Нижній пояс сприймає розтягуючі навантаження, тому площа перерізу в місці стику з урахуванням зрізання не повинна бути меншою величини. Завдання вирішується використанням куточків того ж розміру, що і поясні, але більшої товщини.
Зварні шви, що з'єднують уголковие накладки, розраховуються на зусилля в поясах Nn з рівномірним розподілом, так як зварні шви розташовані по пір'ю куточків. До накладці верхнього пояса приварені листові деталі, що з'єднують фасонки полуферм. До цих же деталей кріпляться зв'язевим розпірки по конику.
Уголковие накладки мають істотний недолік, що полягає в тому, що у разі наявності перегину поясу необхідно гнути куточок, що можна зробити тільки в гарячому стані, а це складно забезпечити в умовах монтажного майданчика.
Більш технологічні у виготовленні укрупнювального стики з листовими накладками. За аналогією з проміжними вузлами, виконаними на листових накладках, пояси в місці стику розраховуються на силу 1,2 Nn (Nn-зусилля в поясі).
Листові накладки монтажного стику можуть кріпитися на високоміцних болтах. Стик верхнього пояса вирішується аналогічним чином.
У деяких випадках нижні пояси ферм стикують з розміщенням стикових куточків (поясних) вразбежку (один з куточків не доводиться до осі стику, а інший, навпаки, заводиться за нього). Перевага такого рішення полягає в тому, що в ослабленому перетині переривається тільки один поясний куточок. Місця стику поясних куточків перекриваються кутикової накладкою і фасонкою.
Для забезпечення роботи елементів ферм з парних куточків як єдиного стрижня застосовують сполучні прокладки. Прокладки розташовуються уздовж стиснутих стрижнів на відстані l £ 40r, уздовж розтягнутих стрижнів l 1 £ 80 г (де r-радіус інерції куточка щодо осі, паралельної площині розташування прокладок). Між вузлами у стислих елементах повинно бути не менше двох прокладок.
Якщо не ставити сполучні прокладки, то під впливом стискає сили кожен куточок буде працювати окремо. Несуча спроможність двох окремих куточків менше, ніж з'єднаних прокладками.
Торцевий лист приймаємо товщиною 20 мм і шириною 180 мм (з умови розміщення болтів) /
Напруження зминання біля торця:
Товщина швів кріплення опорного розкосу призначається: на обушка
Аналогічно для швів нижнього пояса при товщині їх у обушка Про мм і у пера - 4 мм:
Пo необхідним розрахунковим довжинам швів з урахуванням конструктивних вимог (добавка
Розрахункове зусилля для кріплення куточків пояса до вертикальної фасонкою:
Необхідна довжина цих швів у обушка (h ш -10 мм) і пера (h ш = 6 мм):
На зусилля N р = 755 кН розраховуємо шви вертикальних листових накладок, що перекривають фасонки суміжних ферм. Необхідна довжина одного вертикального шва при товщині шва h ш = 12 мм:
Товщину накладок приймаємо 6 = 12 мм.
Довжину швів, що прикріплюють раскоси і стійку, визначаємо за формулами, аналогічним прикріпленню куточків до вертикальних фасонкою.
Вузол V розраховується аналогічно вузлу IV.
Гратчасті будівельні металоконструкції різного призначення
Пролітні споруди
До цієї категорії зазвичай відносять будівлі громадського призначення - концертні та спортивні зали, виставкові павільйони, вокзали, ринки і т. п., а також будівлі спеціального призначення - ангари. У великопрольотних конструкціях істотну частку в розрахунковому навантаженні складає власну вагу, тому для їх спорудження особливо ефективне застосування сталей підвищеної просторової системи у вигляді склепінь, складок і куполів. Вибір того чи іншого рішення великопрольотної покриття здійснюють при проектуванні споруди, виходячи з конкретних умов.
Обрис поясів і систем решіток у великопрольотних фермах може бути самим різним. Ферми з паралельними поясами проектуються зазвичай з трикутними або співпрацівники гратами. Їх висоту приймають зазвичай рівний 1 / 8 ... 1 / 15 прольоту. Трапецеїдальні ферми роблять з ухилом покрівлі i = 1 / 10 / ... 1 / 15 і висотою посередині 1 / 7 ... 1 / 11 прольоту. Сегментні ферми мають невеликі зусилля в розкосах, тому тут доцільна розріджена або хрестова решітка. Висоту їх призначають рівної 1 / 8 ... 1 / 12 прольоту. Висота багатопрогонових нераз + різьблених або консольних ферм може бути зменшена на 25 ... 30% в порівнянні з розрізними. Ecлі зусилля в стержнях великопрольотних ферм перевищують 4000 ... 5000 кН, ceчeнія таких ферм приймаються складовими із зварених двотаврів або прокатних профілів. Великі зусилля в стержнях легше передаються у вузлах через два фасонки.
Унаслідок великої висоти ферм їх не можна перевозити по залізниці у вигляді зібраних відправних марок. Такі конструкції укрупнюються на монтажі. На монтажному майданчику елементи з'єднують зварюванням або високоміцними болтами.
Опорні реакції для ферм значні, тому передача їх повинна здійснюватися строго по осі вузла ферми. Чітка передача опорної реакції може бути досягнута за рахунок застосування тангенціальною або спеціальної балансирной опори (див. рис).
Рис. Спеціальні опори великопрольотних ферм
а - тангенціальна; б - балансирная; в - Каткова
Катки балансирних опор у циліндричних шарнірах (цапфах) при центральному вугіллі торкання поверхонь ³ p / 2 розраховують на місцеве зминання за формулою
де А-тиск на опору; r-радіус катка; l - довжина ковзанки; Rсм.м - розрахунковий опір місцевим зминанню при щільному дотику
катки, що знаходяться між двома паралельними площинами, розраховують на діаметрального стиск за формулою
де n-число ковзанок; d - діаметр ковзанки; Rс.к. - Розрахунковий опір Діаметральний стиск котків при вільному дотику.
Для виготовлення коткових опор використовують сталь 35Л, а котки виточують із сталі марки 5.
Розрізняють два види компонування рамних покриттів: поперечну, з розміщенням рам поперек будівлі з певним кроком і подовжню, найчастіше застосовується для ангарів. У разі поздовжньої компонування основну несучу раму ставлять вздовж більшого розміру плану будівлі (тут влаштовують розсувні ворота) і на неї спираються поперечні ферми. У ангарних конструкціях застосовують ферми з консолями, що виходять за несучу раму, що значно полегшує поперечні ферми, але кілька обважнює раму. Стійкість несучих рам і поперечних ферм забезпечується хрестовими зв'язками.
Ферми, попередньо напружені затяжками
Попереднє напруження можна успішно застосовувати у гратчастих конструкціях різного призначення.
Найбільш розроблені попередньо напружені ферми покриття будівель, в яких попереднє напруження здійснюється за допомогою високоміцних матеріалів. Можливості варіювання конструктивних схем для ферм значно ширше, ніж у балках, і тому ефект застосування попереднього напруження тут значною мірою залежить від раціонально обраної для конкретного випадку схеми ферми і затягування, а також послідовності попереднього напруження.
За характером розміщення затягувань і їх впливу на роботу конструкції попередньо напружені ферми можна розділити на два основних типи: ферми, у яких затягування розміщені в межах найбільш навантажених стрижнів і викликають попереднє напруження тільки в цих стрижнях; ферми, у яких затягування розміщені в межах всього прольоту або частини його і викликають попереднє напруження в декількох чи у всіх стержнях ферми.
Ферма другого типу більш різноманітна за конструктивними схемами і, як правило, більш ефективна.
Ферма другого типу виходить при влаштуванні одного або кількох затяжок вздовж нижнього (розтягнутого) пояса. Одна затягування створює попереднє напруження в кількох панелях пояси, вздовж яких вона розміщена, але інші стрижні попереднього напруження не отримують.
При рівномірному попередньому напрузі всього нижнього пояса однієї затягуванням попереднє напруження лімітується несучою спроможністю на стиск найбільш гнучкою панелі.
Натяг затяжок доцільно проводити на заводі або на укрупнювального збірці. Щоб забезпечити стійкість пояси в процесі натягу, затягування з їх довжині з'єднують з поясом діафрагмами через 40-50 найменших радіусів інерції перерізу пояса. Число гілок в затягуванні визначається формою перетину пояса та у спосіб попереднього напруження.
Оптимальна висота ферм посередині прольоту від затягування до верхнього пояса становить 1/6-1/8 прольоту, а висота твердої частини ферми приймається в межах 1/10-1/12.
Ефективність попереднього напруження ферм в значній мірі залежить від послідовності натягу затяжки і навантаження ферми. Натяг затягування в проектному положенні конструкції після передачі на ферму частини або всієї постійного навантаження, як правило, дає більший ефект, ніж натяг до завантаження ферм.
При закріпленні затягування, створює спільне попереднє напруження в стержнях ферми, зусилля в затягуванні виходить звичайно значним і тому треба при конструюванні зміцнювати вузол додатковими ребрами жорсткості.
Висновок
Я розробляв дипломний проект «Технологія виготовлення будівельної ферми з прямокутних труб».
Мені сподобалася робота над дипломним проектом, так як вона вимагала самостійної роботи.
Частина знань я застосував у дипломному проекті, решту а інформацію отримав в бібліотеці.
Дипломна робота вимагала знань з креслення, технології, електрозварювання і іншим спеціальним дисциплінам.
Під час дипломної роботи я відчув себе конструктором зварювального виробництва і, звичайно ж, відповідальною особою над своєю конструкцією.