Стальные колонны. Оголовки колонн и сопряжения балок с колоннами

Сопряжение балок с колоннами может быть свободное (шарнирное) и жесткое . Свободное сопряжение передает только вертикальные нагрузки. Жесткое сопряжение образует рамную систему, способную воспринимать горизонтальные воздействия и уменьшать расчетный момент в балках. В этом случае балки примыкают к колонне сбоку.

При свободном сопряжении балки ставят на колонну сверху, что обеспечивает простоту монтажа.

В этом случае оголовок колонны состоит из плиты и ребер, поддерживающих плиту и передающих нагрузку на стержень колонны (рис.).

Если нагрузка передается на колонну через фрезерованные торцы опорных ребер балок, расположенных близко к центру колонны, то плита оголовка поддерживается снизу ребрами, идущими под опорными ребрами балок (рис. а и б).

Рис. Оголовки колонн при опирании балок сверху

Ребра оголовка приваривают к опорной плите и к ветвям колонны при сквозном стержне или к стене колонны при сплошном стержне. Швы, прикрепляющие ребро оголовка к плите, должны выдерживать полное давление на оголовок. Проверяют их по формуле . (8)

Высоту ребра оголовка определяют требуемой длиной швов, передающих нагрузку на стержень колонны (длина швов не должна быть больше 85∙β w ∙k f:

. (9)

Толщину ребра оголовка определяют из условия сопротивления на смятие под полным опорным давлением , (10)

где - длина сминаемой поверхности, равная ширине опорного ребра балки плюс две толщины плиты оголовка колонны.

Назначив толщину ребра, следует проверить его на срез по формуле:

. (11)

При малых толщинах стенок швеллеров сквозной колонны и стенки сплошной колонны их надо также проверить на срез в месте прикрепления к ним ребер. Можно в пределах высоты оголовка сделать стенку более толстой.

Чтобы придать жесткость ребрам, поддерживающим опорную плиту, и укрепить от потери устойчивости стенки стержня колонны в местах передачи больших сосредоточенных нагрузок, вертикальные ребра, воспринимающие нагрузку, обрамляют снизу горизонтальными ребрами.

Опорная плита оголовка передает давление от вышележащей конструкции на ребра оголовка и служит для скрепления балок с колоннами монтажными болтами, фиксирующими проектное положение балок.

Толщина опорной плиты принимается конструктивно в пределах 20-25 мм.

При фрезерованном торце колонны давление от балок передается через опорную плиту непосредственно на ребра оголовка. В этом случае толщина швов, соединяющих плиту с ребрами, так же как и с ветвями колонны, назначается конструктивно.

Если балка крепится к колонне сбоку (рис.), вертикальная реакция передается через опорное ребро балки на столик, приваренный к полкам колонны. Торец опорного ребра балки и верхняя кромка столика пристраиваются. Толщину столика принимают на 20-40 мм больше толщины опорного ребра балки.

Рис. Опирание балки на колонну сбоку

Столик целесообразно приваривать к колонне по трем сторонам.

Чтобы балка не зависла на болтах и плотно стала на опорный столик, опорные ребра балки прикрепляют к стержню колонны болтами, диаметр которых должен быть на 3 - 4 мм меньше диаметра отверстий.

29.Конструирование ферм . Общие требования

Конструирование ферм начинают с вычерчивания осевых линий, образующих геометрическую схему фермы.

Затем наносят контуры стержней так, чтобы осевые линии совпадали с центрами тяжести сечений. Для несимметричных сечений (тавров, уголков) привязки осей округляют до 5 мм.

Когда сечение пояса по длине фермы меняется, в геометрической схеме принимают одну осевую линию поясов и к ней привязывают элементы пояса. Для удобства опирания примыкающих элементов (для ферм перекрытий - настила или прогонов) верхнюю грань пояса сохраняют на одном уровне. Места изменения сечения поясов выносят от центра узла в сторону меньшего усилия. Резку стержней решетки производят нормально к оси стержня; для крупных стержней можно допустить косую резку для уменьшения размеров фасонок. Для снижения сварочных напряжений в фасонках, стержни решетки не доводят до поясов на расстояние равному » шести толщин фасонок, но не более 80 мм. Между торцами стыкуемых элементов поясов ферм, перекладываемых накладками, оставляют зазор не менее 50 мм.

Толщину фасонок выбирают в зависимости от действующих усилий (табл. 7.2). При значительной разнице усилий в стержнях решетки можно принимать две толщины в пределах отправочного элемента. Допустимая разница толщин фасонок в смежных узлах - 2 мм.

Размеры фасонок определяют по необходимой длине швов крепления элементов. Необходимо стремиться к простейшим очертаниям фасонок, чтобы упростить их изготовление и уменьшить количество обрезков.

Фермы пролетом 18 – 36 м разбивают на два отправочных элемента с укрупнительными стыками в средних узлах. Целесообразно для удобства укрупнительной сборки и изготовления проектировать так, чтобы правая и левая полуфермы были взаимозаменяемы.

Ферма - система стержней, соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию. Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными.

Плоские фермы (рис. а) могут воспринимать нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскости связями или другими элементами. Пространственные фермы (рис. б, в) образуют жесткий пространственный брус, способный воспринимать нагрузку, действующую в любом направлении. Каждая грань такого бруса представляет собой плоскую ферму. Примером пространственного бруса может служить башенная конструкция (рис. г).

Рис. Плоская (а) и пространственные (б, в, г) фермы

30.Фермы из парных уголков

В фермах со стержнями из двух уголков, составленных тавром, узлы проектируют на фасонках, которые заводят между уголками. Стержни решетки прикрепляют к фасонке фланговыми швами (рис. а).

Усилие в элементе распределяется между швами по обушку и перу уголка обратно пропорционально их расстояниям до оси стержня:

где b- ширина полки уголка;

z 0 - расстояние от центра тяжести уголка до его обушка.

а – крепление раскоса к фасонке; б – промежуточный узел;

в, г – опирание прогонов и плит

Рисунок – Узлы ферм из парных уголков

Для прокатных уголков в практических расчетах значения коэффициентов a 1 и a 2 можно принять по таблице.

Концы фланговых швов для снижения концентрации напряжений выводят на торцы стержня на 20 мм (рис. а). К поясу фасонки рекомендуется прикреплять сплошными швами минимальной толщины. Фасонки выпускают за обушки поясных уголков на 10...15 мм (рис.б). Швы, прикрепляющие фасонку к поясу, при отсутствии узловых нагрузок рассчитывают на разность усилий в смежных панелях пояса (рис.б) N = N 2 – N 1 . В месте опирания на верхний пояс прогонов или кровельных плит (рис.в) фасонки не доводят до обушков поясных уголков на 10...15 мм.

Чтобы прикрепить прогоны, к верхнему поясу фермы приваривают уголок с отверстиями для болтов. В местах опирания крупнопанельных плит, если толщина поясных уголков менее 10 мм при шаге ферм 6 м и менее 14 мм при шаге ферм 12 м, верхний пояс ферм для предотвращения отгиба полок усиливают накладками t = 12мм. Во избежание ослабления сечения верхнего пояса не следует приваривать накладки поперечными швами.

Если к узлу приложена сосредоточенная нагрузка (рис. в),то швы, прикрепляющие фасонку к поясу, рассчитывают на совместное действие продольного усилия (от разницы усилий в поясах) и сосредоточенной нагрузки. Условно усилие F передается на участки швов l 1 и l 2 . Напряжения в швах от этого усилия ; (1)

от продольного усилия

где Sl w - суммарная длина швов крепления пояса к фасонке.

Прочность шва проверяют на совместное действие усилий по формуле

При расчете узлов обычно задаются k f и определяют требуемую длину шва.

Фасонки ферм с треугольной решеткой следует конструировать прямоугольного очертания, а с раскосной решеткой – в виде прямоугольной трапеции.

Для обеспечения плавной передачи усилия и снижения концентрации напряжений угол между краем фасонки и элементом решетки должен быть не менее 15°. Стыки поясов необходимо перекрывать накладками, выполненными из уголков (рис.а) (при одинаковой толщине поясов) или листов (рис.б). Для обеспечения совместной работы уголков их соединяют прокладками. Расстояние между прокладками должно быть не более 40 i для сжатых элементов и 80 i для растянутых, где i - радиус инерции одного уголка относительно оси, параллельной прокладке. При этом в сжатых элементах ставится не менее двух прокладок.

о - с уголковыми накладками, б - с листовыми накладками

Рис. - Узлы ферм с изменением сечения пояса:

Конструкция опорных узлов ферм зависит от вида опор (металлические или железобетонные колонны, кирпичные стены и т.д.) и способа сопряжения (жесткое или шарнирное).

При свободном опирании ферм на нижележащую конструкцию опорный узел показан на рис. Давление фермы F R через плиту передается на опору. Площадь А пл определяют по несущей способности материала опоры: , (7.9)

где R оп - расчетное сопротивление материала опоры на сжатие.

Опорную плиту прикрепляют к опоре на анкерных болтах. Аналогично конструируют опорный узел при опирании фермы в уровне верхнего пояса (рис. б).

При шарнирном сопряжении наиболее простым является узел опирания фермы на колонну сверху с использованием дополнительной стойки (надколенника) (см. рис.).

Опорное давление фермы передается с опорного фланца фермы через фрезерованные поверхности на опорную плиту колонны. Опорный фланец для четкости опирания выступает на 10... 20 мм ниже фасонки опорного узла. Площадь торца фланца определяется из условия смятия: А³F R / R p ,

где R p - расчетное сопротивление стали смятию торцевой поверхности (при наличии пригонки).

Рисунок – Свободное опирание фермы Рис. – Опирание фермы на колонну сверху

Верхний пояс фермы конструктивно на болтах грубой или нормальной точности (класс точности С или В) прикрепляют к фасонке надколонника. Для того чтобы узел не мог воспринять усилия от опорного момента и обеспечивал шарнирность сопряжения, отверстия в фасонках делают на 5...6 мм больше диаметра болтов.

Для проектирования жесткого узла сопряжения фермы с колонной необходимо прикрепить ферму к колонне сбоку (рис.). При жестком сопряжении в узле возникает помимо опорного давления F R момент М. Передача этих усилий производится раздельно.

Опорное давление F R передается на опорный столик. Опорный столик делают из листа t=30...40 мм или при небольшом опорном давлении (F R ≤200...250 кН) из уголков со срезанной полкой. Опорный фланец прикрепляют к полке колонны на болтах грубой или нормальной точности, которые ставят в отверстия на 3...4 мм больше диаметра болтов, чтобы они не могли воспринять опорную реакцию фермы в случае неплотного опирания фланца на опорный столик.

Рис. - Примыкание фермы к колонне сбоку

Момент раскладывается на пару сил Н = М / h оп, которые передаются на верхний и нижний пояса фермы. В большинстве случаев опорный момент имеет знак минус, т.е. направлен против часовой стрелки. В этом случае усилие Н прижимает фланец узла нижнего пояса к колонне. Напряжения на поверхности контакта невелики и их можно не проверять. Болты ставят конструктивно (обычно б... 8 болтов диаметром 20...24 мм). Если в опорном узле возникает положительный момент, то усилие Нотрывает фланец от колонны и болты следует проверить на растяжение.

Пояснительная записка
I Пример оформления чертежей КМ с применением типовых узлов
Пример оформления чертежей КМ с применением типовых узлов. План колонн на отм. 0.000
Пример оформления чертежей КМ с применением типовых узлов. Поперечные разрезы 1-1 и 2-2
Пример оформления чертежей КМ с применением типовых узлов. Таблицы расчетных данных к типовым узлам
Пример оформления чертежей КМ с применением типовых узлов. Продольные разрезы 3-3; 4-4; 5-5; 6-6
Пример оформления чертежей КМ с применением типовых узлов. Схемы подкрановых балок, тормозных площадок и связей по нижним поясам подкрановых балок
Пример оформления чертежей КМ с применением типовых узлов. Схемы подкрановых балок
Общие примечания
II Схемы с маркировкой узлов колонн и подкрановых балок
Маркировка узлов деталей неразрезных подкрановых балок
Маркировка узлов ступенчатых колонн без прохода вдоль крановых путей и узлов колонн в температурном режиме
Маркировка узлов ступенчатых колонн с проходом вдоль крановых путей и маркировка упоров
Маркировка узлов колонн постоянного сечения без прохода и с проходом вдоль крановых путей
Маркировка узлов опирания подкрановых балок на железобетонные колонны
III Заводские и монтажные узлы подкрановых балок
Детали приварки опорных ребер и ребер жесткости неразрезных подкрановых балок при отрыве менее 55 т. Узлы 1; 2
Детали приварки опорных ребер и ребер жесткости неразрезных подкрановых балок при отрыве более 55 т. Узлы 3; 4; 5
Монтажные сварные стыки неразрезных подкрановых балок. Узлы 6; 7
Монтажные стыки стенок неразрезных подкрановых балок на высокопрочных болтах. Узлы 8; 9
Монтажные стыки верхних поясов неразрезных подкрановых балок на высокопрочных болтах. Узлы 10; 11; 12
Монтажные стыки нижних поясов неразрезных подкрановых балок на высокопрочных болтах. Узлы 13; 14
Расположение отверстий в верхних поясах подкрановых балок при креплении рельса на планках и отверстий в ж.д. рельсе Р43 при креплении на крюках
Упоры. Узлы 15; 16; 17; 18
IV Узлы опирания подкрановых балок на стальные ступенчатые колонны
Опирание балок на ступенчатую колонну при отрыве менее 55 т. Крайний ряд. Узел 19
Опирание балок на ступенчатую колонну при отрыве менее 55 т. Средний ряд. Узел 20
Опирание балок на ступенчатую колонну при отрыве более 55 т. Крайний ряд. Узел 21
Опирание балок на ступенчатую колонну при отрыве более 55 т. Средний ряд. Узел 22
Опирание балок на ступенчатую колонну при отрыве менее 55 т. Крайний ряд. Узел 23
Опирание балок на ступенчатую колонну при отрыве более 55 т. Крайний ряд. Узел 24
Опирание балок на ступенчатую колонну с проходом в стенке колонны при отрыве менее 55 т. Крайний ряд. Узел 25
Опирание балок на ступенчатую колонну с проходом в стенке колонны при отрыве менее 55 т. Средний ряд. Узел 26
Опирание балок на ступенчатую колонну с проходом в стенке колонны при отрыве менее 55 т. Крайний ряд. Узел 27
Опирание балок на ступенчатую колонну с проходом в стенке колонны при отрыве более 55 т. Крайний ряд. Узел 28
Опирание балок на ступенчатую колонну с проходом в стенке колонны при отрыве более 55 т. Средний ряд. Узел 29
Опирание балок на ступенчатую колонну с проходом в стенке колонны при отрыве более 55 т. Крайний ряд. Узел 30
Опирание балок с двумя опорными ребрами на ступенчатую колонну с проходом в стенке колонны при отрыве более 55 т. Крайний ряд. Узел 31
Опирание балок с двумя опорными ребрами на ступенчатую колонну с проходом в стенке колонны при отрыве более 55 т. Средний ряд. Узел 32
Опирание балок с двумя опорными ребрами на ступенчатую колонну с проходом в стенке колонны при отрыве более 55 т. Крайний ряд. Узел 33
V Узлы опирания подкрановых балок на колонны постоянного сечения
Опирание балок на колонну постоянного сечения. Крайний ряд. Узел 34
Опирание балок на колонну постоянного сечения. Средний ряд. Узел 35
Опирание балок на колонну постоянного сечения с проходом в стенке колонны. Средний ряд. Узел 36
VI Узлы опирания подкрановых балок на железобетонные колонны
Опирание балок на железобетонные колонны крайнего и среднего рядов. Узлы 37; 38
Опирание балок разной высоты на железобетонную колонну. Средний ряд. Узел 39
VII Промежуточные узлы подкрановых балок
Опирание балок разной высоты на ступенчатую колонну. Узел 40
Опирание балок разной высоты на ступенчатую колонну. Узел 41
Опирание балок разной высоты на ступенчатую колонну. Узел 42
VIII Промежуточные узлы ступенчатых колонн
Диафрагмы и одноплоскостная решетка стальных ступенчатых колонн. Узлы 43; 44
Диафрагмы и двухплоскостная решетка стальных ступенчатых колонн. Узлы 45; 46
Укрупнительные монтажные стыки ступенчатых колонн. Узлы 47; 48
Детали для крепления стеновых панелей. Узлы 49; 50; 51; 52
Детали для крепления стеновых панелей. Узлы 53; 54
IX Базы ступенчатых и сплошностенчатых колонн
Базы ступенчатых колонн крайнего ряда с ветвями из прокатных профилей с решеткой в одной плоскости. Узел 55
Базы ступенчатых колонн крайнего ряда с ветвями из прокатных профилей. Узел 56
Базы ступенчатых колонн крайнего ряда с ветвями из гнутых и прокатных профилей. Узел 57
Базы ступенчатых колонн крайнего ряда с ветвями из гнутых и составных профилей с уширенными полками. Узел 58
Базы ступенчатых колонн крайнего ряда с ветвями из сварных профилей. Узел 59
Базы ступенчатых колонн среднего ряда с ветвями из сварных профилей. Узел 60
Базы колонн постоянного сечения. Узел 61
Базы ступенчатых колонн в температурном шве. Узлы 62; 63; 64
Х Рекомендации по расчету узлов стальных колонн
Расчет монтажных стыков неразрезных подкрановых балок на высокопрочных болтах
Расчет упора
Расчет траверсы ступенчатой колонны крайнего ряда
Расчет траверсы и прохода в стенке ступенчатой колонны среднего ряда
Расчет ребер жесткости траверсы ступенчатой колонны
Расчет сварных швов траверсы колонны и накладки
Расчет элементов траверсы колонны постоянного сечения
Расчет сварных швов и элементов траверсы колонны постоянного сечения
Расчет подставки под неразрезные подкрановые балки разной высоты при опирании на металлические и железобетонные колонны
Расчет подставки под неразрезные подкрановые балки разной высоты при опирании на металлические колонны, устанавливаемые в связевой панели
Расчет подставки под неразрезные подкрановые балки разной высоты при опирании на железобетонные колонны, устанавливаемые в связевой панели
Расчет креплений неразрезных подкрановых балок в связевой панели на отрыв при опирании одним или двумя ребрами
Расчет опирания балок разной высоты на стальную колонну
Расчет баз ступенчатых колонн
Расчет баз колонн постоянного сечения
Расчет баз колонн постоянного сечения и анкерных плиток
Указания по изготовлению сварных подкрановых балок

При свободном сопряжении балки ставят на колонну сверху, что обеспечивает простоту монтажа.

Рис. Оголовки колонн при опирании балок сверху

. (8)

. (9)

Толщину ребра оголовка определяют из условия сопротивления на смятие под полным опорным давлением

, (10)

Назначив толщину ребра, следует проверить его на срез по формуле:

. (11)

Толщина опорной плиты принимается конструктивно в пределах 20-25 мм.

Рис. Опирание балки на колонну сбоку

Столик целесообразно приваривать к колонне по трем сторонам.

Лекция 13

Фермы. Общая характеристика и классификация

Рис. Плоская (а) и пространственные (б, в, г) фермы

Основными элементами ферм являются пояса, образующие контур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек (рис.).

1 - верхний пояс; 2 - нижний пояс; 3 - раскосы; 4 - стойка

Рис. Элементы ферм

Расстояние между узлами пояса называют панелью (d ) , расстояние между опорами - пролетом (l ), расстояние между осями (или наружными гранями) поясов - высотой фермы (h ф ).

Пояса ферм работают в основном на продольные усилия и момент (аналогично поясам сплошных балок); решетка ферм воспринимает в основном поперечную силу.

Соединения элементов в узлах осуществляют путем непосредственного примыкания одних элементов к другим (рис. а) или с помощью узловых фасонок (рис. б). Для того чтобы стержни ферм работали в основном на осевые усилия, а влиянием моментов можно было пренебречь, элементы ферм центрируют по осям, проходящим через центры тяжести.

а – при непосредственном примыкании элементов решетки к поясу;

б – при соединении элементов с помощью фасонки

Рис. Узлы ферм

Фермы классифицируют по статической схеме, очертанию поясов, системе решетки, способу соединения элементов в узлах, величине усилия в элементах. По статической схеме фермы бывают (рис.): балочные (разрезные, неразрезные, консольные), арочные, рамные и вантовые.

Балочные разрезные системы (рис.а) применяются в покрытиях зданий, мостах. Они просты в изготовлении и монтаже, не требуют устройства сложных опорных узлов, но весьма металлоемки. При больших пролетах (более 40 м) разрезные фермы получаются негабаритными и их приходится собирать из отдельных элементов на монтаже. При числе перекрываемых пролетов два и более применяют неразрезные фермы (рис. б). Они экономичнее по расходу металла и обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту. Но при осадке опор, в неразрезных фермах возникают дополнительные усилия, поэтому их применение при слабых просадочных основаниях не рекомендуется. Кроме того, усложнен монтаж таких конструкций.

а - балочная разрезная; 6 - балочная неразрезная; в, е - консольная;

г - рамная; д - арочная; ж - вантовая; з - комбинированные:

Рис. Системы ферм

Консольные фермы (рис. в, е) используют для навесов, башен, опор воздушных линий электропередач. Рамные системы (рис. д) экономичны по расходу стали, имеют меньшие габариты, однако более сложны при монтаже.Их применение рационально для большепролетных зданий. Применение арочных систем (рис. д),хотя и дает экономию стали, приводит к увеличению объема помещения и поверхности ограждающих конструкций.Их применение вызвано в основном архитектурными требованиями. В вантовых фермах (рис. ж) все стержни работают только на растяжение и могут быть выполнены из гибких элементов, например стальных тросов. Растяжение всех элементов таких ферм достигается выбором очертания поясов и решетки, а также созданием предварительного напряжения. Работа только на растяжение позволяет полностью использовать высокие прочностные свойства стали, поскольку снимаются вопросы устойчивости. Вантовые фермы рациональны для большепролетных перекрытий и в мостах. Применяются также комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами, либо сверху аркой (рис. з). Эти системы просты в изготовлении (вследствие меньшего числа элементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижными нагрузками. Весьма эффективно применение комбинированных систем при усилении конструкций, например, подкрепление балки, при недостаточной ее несущей способности, шпренгелем или подкосами.

В зависимости оточертания поясов фермы подразделяют на сегментные, полигональные, трапецеидальные, с параллельными поясами и треугольные (рис.).

Наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов. Для однопролетной балочной системы с равномерно распределенной нагрузкой это сегментная ферма с параболическим поясом (рис. а). Однако криволинейное очертание пояса повышает трудоемкость изготовления, поэтому такие фермы в настоящее время практически не применяют.

Более приемлемым является полигональное очертание (рис. б) с переломом пояса в каждом узле. Оно достаточно близко соответствует параболическому очертанию эпюры моментов, не требует изготовления криволинейных элементов. Такие фермы иногда применяют для перекрытия больших пролетов и в мостах.

а - сегментное; б - полигональное; в - трапецеидальное; г - с параллельными поясами; д, е, ж, и - треугольное

Рис. Очертания поясов ферм:

Фермы трапецеидального очертания (рис. в) имеют конструктивные преимущества прежде всего за счет упрощения узлов. Кроме того, применение таких ферм в покрытии позволяет устроить жесткий рамный узел, что повышает жесткость каркаса.

Фермы с параллельными поясами (рис. г) имеют равные длины элементов решетки, одинаковая схема узлов, наибольшая повторяемость элементов и деталей и возможность их унификации, что способствует индустриализации их изготовления.

Фермы треугольного очертания (рис. д, е, ж, и) рациональны для консольных систем, а также для балочных систем при сосредоточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы). При распределенной нагрузке треугольные фермы имеют повышенный расход металла. Кроме того, они имеют ряд конструктивных недостатков. Острый опорный узел сложен и допускает только шарнирное сопряжение с колоннами. Средние раскосы получаются чрезвычайно длинными, и их сечение приходится подбирать по предельной гибкости, что вызывает перерасход металла.

По способу соединения элементов в узлах фермы подразделяют на сварные и болтовые. В конструкциях, изготовленных до 50-х годов, применялись также клепаные соединения. Основными типами ферм являются сварные. Болтовые соединения, как правило, на высокопрочных болтах применяют в монтажных узлах.

По величине максимальных усилий условно различают легкие фермы с сечениями элементов из простых прокатных или гнутых профилей (при усилиях в стержнях N < 3000 кН) и тяжелые фермы с элементами составного сечения (N > 3000 кН).

Эффективность ферм может быть повышена при создании в них предварительного напряжения.

Системы решеток ферм

Системы решетки, применяемые в фермах, показаны на рис.

а - треугольная; б - треугольная со стойками; в, г - раскосная; д - шпренгельная; е - крестовая; ж - перекрестная; и - ромбическая; к - полураскосная

Рис. Системы решеток ферм

Выбор типа решетки зависит от схемы приложения нагрузок, очертания поясов и конструктивных требований. Для обеспечения компактности узлов угол между раскосами и поясом желательно иметь в пределах 30...50 0 .

Треугольная система решетки (рис. а) имеет наименьшую суммарную длину элементов и наименьшее число узлов. Различают фермы с восходящими и нисходящими опорными раскосами.

В местах приложения сосредоточенных нагрузок (например, в местах опирания прогонов кровли) можно установить дополнительные стойки или подвески (рис. б). Эти стойки служат также для уменьшения расчетной длины пояса. Стойки и подвески работают только на местную нагрузку.

Недостатком треугольной решетки является наличие длинных сжатых раскосов, что требует дополнительного расхода стали для обеспечения их устойчивости.

В раскосной решетке (рис. в, г) все раскосы имеют усилия одного знака, а стойки - другого. Раскосная решетка более металлоемка и трудоемка по сравнению с треугольной, так как общая длина элементов решетки больше и в ней больше узлов. Применение раскосной решетки целесообразно при малой высоте ферм и больших узловых нагрузках.

Шпренгельную решетку (рис. д) применяют при внеузловом приложении сосредоточенных нагрузок к верхнему поясу, а также при необходимости уменьшения расчетной длины пояса. Она более трудоемка, но может обеспечить снижение расхода стали.

Крестовую решетку (рис. е) применяют при действии нагрузки на ферму как в одном, так и в другом направлении (например, ветровая нагрузка). В фермах с поясами из тавров можно применить перекрестную решетку (рис. ж) из одиночных уголков с креплением раскосов непосредственно к стенке тавра.

Ромбическая и полураскосная решетки (рис. и, к) благодаря двум системам раскосов обладают большой жесткостью; эти системы применяют в мостах, башнях, мачтах, связях для уменьшения расчетной длины стержней.

Типы сечений стержней ферм

По расходу стали для сжатых стержней ферм наиболее эффективным является тонкостенное трубчатое сечение (рис. а). Круглая труба обладает наиболее благоприятным для сжатых элементов распределением материала относительно центра тяжести и при равной с другими профилями площади сечения имеет наибольший радиус инерции (i ≈ 0,355d), одинаковый во всех направлениях, что позволяет получить стержень наименьшей гибкости. Применение труб в фермах дает экономию стали до 20...25 % .

Рис. Типы сечений элементов легких форм

Большим преимуществом круглых труб является хорошая обтекаемость. Благодаря этому ветровое давление на них меньше, что особенно важно для высоких открытых сооружений (башен, мачт, кранов). На трубах мало задерживается иней и влага, поэтому они более стойки против коррозии, их легко очищать и окрашивать. Все это повышает долговечность трубчатых конструкций. Для предотвращения коррозии внутренние полости трубы следует герметизировать.

Прямоугольные гнуто-замкнутые сечения (рис. б), позволяют упростить узлы сопряжения элементов. Однако, фермы из гнутозамкнутых профилей с бесфасоночными узлами требуют высокой точности изготовления и могут быть выполнены только на специализированных заводах.

До последнего времени легкие фермы проектировали в основном из двух уголков (рис. в, г, д, е). Такие сечения имеют большой диапазон площадей, удобны для конструирования узлов на фасонках и прикрепления примыкающих к фермам конструкций (прогонов, кровельных панелей, связей). Существенным недостатком такой конструктивной формы являются; большое количество элементов с различными типоразмерами, значительный расход металла на фа-сонки и прокладки, высокая трудоемкость изготовления и наличие щели между уголками, что способствует коррозии. Стержни с сечением из двух уголков, составленных тавром, не эффективны при работе на сжатие.

При относительно небольшом усилии стержни ферм можно выполнять из одиночных уголков (рис. ж). Такое сечение проще в изготовлении, особенно при бесфасоночных узлах, поскольку имеет меньше сборочных деталей, не имеет щелей, закрытых для очистки и окраски.

Использование для поясов ферм тавров (рис. и) позволяет значительно упростить узлы. В такой ферме уголки раскосов и стоек можно приварить непосредственно к стенке тавра без фасонок. Это в два раза уменьшает количество сборочных деталей и снижает трудоемкость изготовления:

Если пояс ферм работает, помимо осевого усилия, и на изгиб (при внеузловой передаче нагрузки), рационально сечение из двутавра или двух швеллеров (рис. к, л).

Весьма часто сечения элементов фермы принимают из разных видов профилей: пояса из двутавров, решетка из гнутозамкнутых профилей, или пояса из тавров, решетка из парных или одиночных уголков. Такое комбинированное решение оказывается более рациональным.

Сжатые элементы ферм следует проектировать равноустойчивыми в двух взаимно перпендикулярных направлениях. При одинаковых расчетных длинах l x = l y этому условию отвечают сечения из круглых труб и квадратных гнутозамкнутых профилей/.

В фермах из парных уголков близкие радиусы инерции (i x ≈ i y) имеют неравнополочные уголки, поставленные большими полками вместе (рис. г). Если расчетная длина в плоскости фермы в два раза меньше, чем из плоскости (например, при наличии шпренгеля), рационально сечение из неравнополочных уголков, составленных вместе малыми полками (рис. д), так как в этом случае i y ≈ 2i x .

Стержни тяжелых ферм отличаются от легких более мощными и развитыми сечениями, составленными из нескольких элементов (рис.).

Рис. Типы сечений элементов тяжелых ферм

Определение расчетной длины стержней фермы

Несущая способность сжатых элементов зависит от их расчетной длины:

l ef = μ× l , (1)

где ц - коэффициент приведения длины, зависящий от способа закрепления концов стержня;

l - геометрическая длина стержня (расстояние между центрами узлов или точками закрепления от смещения).

Заранее мы не знаем, в каком направлении произойдет выпучивание стержня при потере устойчивости: в плоскости фермы или в перпендикулярном направлении. Поэтому для сжатых элементов необходимо знать расчетные длины и проверить устойчивость в обоих направлениях. Гибкие растянутые стержни могут провисать под действием собственного веса, их легко повредить при транспортировке и монтаже, а при действии динамических нагрузок они могут вибрировать, поэтому их гибкость ограничена. Для проверки гибкости необходимо знать и расчетную длину растянутых стержней.

На примере стропильной фермы производственного здания с фонарем (рис.) рассмотрим приемы определения расчетных длин. Возможное искривление поясов фермы при потере устойчивости в ее плоскости может произойти между узлами (рис. а).

Поэтому расчетная длина пояса в плоскости фермы равна расстоянию между центрами узлов (μ = 1). Форма потери устойчивости из плоскости фермы зависит от того, в каких точках пояс закреплен от смещения. Если по верхнему поясу уложены жесткие металлические или железобетонные панели, приваренные или закрепленные к поясу на болтах, то ширина этих панелей (как правило, равная расстоянию между узлами) и определяет расчетную длину пояса. Если в качестве кровельного покрытия используется профилированный настил, прикрепленный непосредственно к поясу, то пояс закреплен от потери устойчивости по всей длине. При кровле по прогонам расчетная длина пояса из плоскости фермы равна расстоянию между прогонами, закрепленными от смещения в горизонтальной плоскости. Если прогоны не закрепили связями, то они не могут препятствовать смещению пояса фермы и расчетная длина пояса будет равна всему пролету фермы. Для того чтобы прогоны обеспечивали закрепление пояса, необходимо поставить горизонтальные связи (рис. б)и связать с ними прогоны. На участке покрытия под фонарем необходимо поставить распорки.

а - деформации верхнего пояса при потере устойчивости в плоскости фермы; б, в - то же, из плоскости фермы; г - деформации решетки

Рис. К определению расчетных длин элементов ферм

Таким образом, расчетная длина пояса из плоскости фермы в общем случае равна расстоянию между точками, закрепленными от смещения. Элементами, закрепляющими пояс, могут служить кровельные панели, прогоны, связи и распорки. В процессе монтажа, когда элементы кровли еще не установлены для закрепления фермы, из их плоскости могут использоваться временные связи или распорки.

При определении расчетной длины элементов решетки можно учесть жесткость узлов. При потере устойчивости сжатый элемент стремится повернуть узел (рис.г). Примыкающие к этому узлу стержни сопротивляются изгибу. Наибольшее сопротивление повороту узла оказывают растянутые стержни, поскольку их деформация от изгиба ведет к сокращению расстояния между узлами, между тем как от основного усилия это расстояние должно увеличиваться. Сжатые же стержни слабо сопротивляются изгибу, так как деформации от поворота и осевого усилия направлены у них в одну сторону и, кроме того, они сами могут терять устойчивость. Таким образом, чем больше растянутых стержней примыкает к узлу и чем они мощнее, т.е. чем больше их погонная жесткость, тем больше степень защемления рассматриваемого стержня и меньше его расчетная длина. Влиянием сжатых стержней на защемление можно пренебречь.

Сжатый пояс слабо защемлен в узлах, поскольку погонная жесткость растянутых элементов решетки, примыкающих к узлу, невелика. Поэтому при определении расчетной длины поясов мы не учитывали жесткость узлов. Аналогично и для опорных раскосов и стоек. Для них расчетные длины, как и для поясов, равны геометрической, т.е. расстоянию между центрами узлов.

Для прочих элементов решетки принимается следующая схема. В узлах верхнего пояса большинство элементов сжаты и мера защемления мала. Эти узлы можно считать шарнирными. В узлах нижнего пояса большинство сходящихся в узле элементов растянуты. Эти узлы являются упругозащемленными.

Степень защемления зависит не только от знака усилий стержней, примыкающих к сжатому элементу, но и от конструкции узла. При наличии фасонки, ужесточающей узел, защемление больше, поэтому, согласно нормам, в фермах с узловыми фасонками (например, из парных уголков) расчетная длина в плоскости фермы равна 0,8×l , а в фермах с примыканием элементов впритык, без узловых фасонок - 0,9×l .

При потере устойчивости из плоскости фермы степень защемления зависит от крутильной жесткости поясов. Фасонки из своей плоскости гибкие и могут рассматриваться как листовые шарниры. Поэтому в фермах с узлами на фасонках расчетная длина элементов решетки равна расстоянию между узлами l 1 . В фермах с поясами из замкнутых профилей (круглых или прямоугольных труб), имеющих высокую крутильную жесткость, коэффициент приведения расчетной длины может быть принят равным 0,9.

В таблице приведены расчетные длины элементов для наиболее распространенных случаев плоских ферм.

Таблица - Расчетные длины элементов ферм

Примечание. l -геометрическая длина элемента (расстояние между центрами узлов); l 1 - расстояние между центрами узлов, закрепленных от смещения из плоскости фермы (поясами ферм, связями, плитами покрытия и т.д.).

Подбор сечения сжатых и растянутых элементов

Подбор сечения сжатых элементов

Подбор сечений сжатых элементов ферм начинается с определения требуемой площади из условия устойчивости

, (2)

1) Предварительно можно принять для поясов легких ферм l = 60 - 90 и для решетки l = 100 - 120. Большие значения гибкости принимаются при меньших усилиях.

2) По требуемой площади подбирают из сортамента подходящий профиль, определяют его фактические геометрические характеристики A, i х, i y .

3) Находят l х = l x /i x и l y =l y /i y , по большей гибкости уточняют коэффициент j.

4) Делают проверку устойчивости по формуле (2).

Если гибкость стержня предварительно была задана неправильно и проверка показала перенапряжение или значительное (больше 5-10 %) недонапряжение, то проводят корректировку сечения, принимая промежуточное между предварительно заданной и фактической значение гибкости. Обычно второе приближение достигает цели.

Примечание. Местную устойчивость сжатых элементов, выполненных из прокатных сечений, можно считать обеспеченной, поскольку из условий прокатки толщина полок и стенок профилей больше, чем требуется из условий устойчивости.

При выборе типа профилей нужно помнить, что рациональным является сечение, имеющее одинаковые гибкости как в плоскости, так и из плоскости фермы (принцип равноустойчивости), поэтому при назначении профилей необходимо обратить внимание на соотношение расчетных длин. Например, если проектируем ферму из уголков и расчетные длины элемента в плоскости и из плоскости одинаковы, то рационально выбрать неравнополочные уголки и поставить их большими полками вместе, так как в этом случае i x ≈ i y , и при l x = l y λ x ≈ λ y . Если расчетная длина из плоскости l y в два раза больше расчетной длины в плоскости l x (например, верхний пояс на участке под фонарем), то более рациональным будет сечение из двух неравнополочных уголков, поставленных вместе малыми полками, так как в этом случае i x ≈ 0,5×i y и при l x =0,5×l y λ x ≈ λ y . Для элементов решетки при l x =0,8×l y наиболее рациональным будет сечение из равнополочных уголков. Для поясов ферм лучше запроектировать сечение из неравнополочных уголков, поставленных вместе меньшими полками, чтобы при подъеме фермы обеспечить большую жесткость из плоскости.

Подбор сечения растянутых элементов

Требуемую площадь сечения растянутого стержня фермы определяем по формуле

. (3)

Затем по сортаменту выбирают профиль, имеющий ближайшее большее значение площади. Проверка принятого сечения в этом случае не требуется.

Подбор сечения стержней по предельной гибкости

Элементы ферм следует проектировать, как правило, из жестких стержней. Особенно существенное значение жесткость имеет для сжатых элементов, предельное состояние которых определяется потерей устойчивости. Поэтому для сжатых элементов ферм в СНиПе установлены требования по предельной гибкости более жесткие, чем в зарубежных нормативных документах. Предельная гибкость для сжатых элементов ферм и связей зависит от назначения стержня и степени его загруженности: , где N - расчетное усилие, j×R y ×g c - несущая способность.

Растянутые стержни также не должны быть слишком гибкими, особенно при воздействии динамических нагрузок. При статических нагрузках гибкость растянутые элементов ограничивается только в вертикальной плоскости. Если растянутые элементы предварительно напряжены, то их гибкость не ограничивается.

Ряд стержней легких ферм имеют незначительные усилия и, следовательно, небольшие напряжения. Сечения этих стержней подбирают по предельной гибкости. К таким стержням обычно относят дополнительные стойки в треугольной решетке, раскосы в средних панелях ферм, элементы связей и т.п.

Зная расчетную длину стержня l ef и значение предельной гибкости l пр, определяем требуемый радиус инерции i тр = l ef / l тр. По нему в сортаменте выбираем сечение, имеющее наименьшую площадь.

База колонны – нижняя часть колонны, передающая нагрузку на фундамент.

Базы колонн должны выполнять следующие задачи: 1) Надежно фиксировать нижнюю часть стержня колонны на фундаменте, 2) Воспринимать нагрузки от стержня колонны и распределять ее по площади фундамента. Фундаменты, как правило, выполнены из монолитного или сборного железобетона.

Рис. 1. Условно шарнирная база.

Используется для центрально-сжатых колонн. Состоит из опорной плиты, на которую устанавливается фрезерованный торец стержня.

Рис. 2. Жесткая база

Жесткая база в плоскости анкерных болтов и шарнирная из плоскости анкерных болтов. Используется для стоек фахверка и т.п. Состоит из опорной плиты, которая крепится к фундаменту анкерными болтами.

Рис. 3. Жесткая база

Используется для сжато-изгибаемых колонн. Состоит из опорной плиты, которая крепится к фундаменту анкерными болтами.

Рис. 4. Шарнирная база.

Используется для центрально-сжатых колонн. Состоит из опорной плиты, которая крепится к фундаменту анкерными болтами.

Рис. 5. Жесткая база

Используется для сжато-изгибаемых колонн. Состоит из опорной плиты, усиленной ребрами жесткости, которая крепится к фундаменту анкерными болтами.

Похожие материалы: