Несущая способность фермы. Фермы. Область применения. Классификация. Конструкции ферм

Очертание ферм. Оно зависит от назначения сооружения, ста-тической схемы фермы, вида нагрузок, действующих на нее, и дру-гих факторов. Теоретически наивыгоднейшим является такое очер-тание контура фермы, при котором он соответствует очертанию эпю-ры моментов. Например, при равномерно распределенной нагрузке и горизонтальном нижнем поясе верхний пояс очерчен по дуге па-раболы (рис. ниже), а при одном сосредоточенном грузе в пролете — треугольная ферма (рис. ниже). В этом случае усилия будут возни-кать только в поясах; в стержнях решетки усилия теоретически рав-ны нулю. Однако изготовление ферм с криволинейным поясом дос-таточно сложно и, кроме того, в элементах криволинейного пояса возникают значительные изгибающие моменты (рис. ниже), суще-ственно ухудшающие работу пояса.

Многоугольное очертание одного из поясов фермы с частью уз-лов, расположенных по дуге параболы (полигональная ферма, рис. ниже), также обеспечивает малые усилия в стержнях решетки и относительно меньший вес ферм. Такие фермы не требуют изгиба элементов поясов и разметки по кривым. Однако необходимость в каждом узле с переломом пояса устраивать стыки и дополнитель-ный расход материалов на стыковые накладки усложняют изготов-ление и увеличивают стоимость полигональных ферм. Поэтому в фермах относительно небольших пролетов (до 40 м) полигональ-ные формы используют редко. Наиболее часто легкие фермы при-меняют трапециевидной формы (рис. ниже) и с параллельными по-ясами (рис. ниже). Фермы трапециевидного очертания имеют неболь-шие уклоны верхнего пояса. Их стали применять вместо треугольных ферм при использовании рулонных кровельных материалов, не тре-бующих больших уклонов кровли. В настоящее время такие фермы являются основным типом стропильных ферм (ферм покрытий).

Очертания верхнего пояса легких ферм

Трапециевидное очертание ферм достаточно хорошо соответ-ствует эпюре изгибающих моментов от равномерно распределен-ной нагрузки— контур фермы как бы описан вокруг эпюры (рис. выше); пунктир — эпюра изгибающих моментов).

Треугольные фермы (рис. выше) вследствие весьма больших уси-лий в поясах всегда значительно тяжелее ферм остальных типов. Примером применения треугольных ферм по эксплуатационным тре-бованиям могут служить шедовые покрытия (рис. ниже), используе-мые в зданиях, где необходим большой и равномерный приток днев-ного света с одной стороны.

Фермы треугольного очертания шедового покрытия

1 — остекление

Высоту фермы назначают после решения вопроса об очертании ее контура. Наивыгоднейшая (оптимальная) высота фермы получа-ется тогда, когда масса поясов равна массе решетки (с фасонками), что достигается при сравнительно большом отношении высоты фер-мы к ее пролету (h/l > 1/5). На практике от такого соотношения отсту-пают, и масса решетки вместе с фасонками часто составляет менее половины массы поясов (0,4-0,3 общей массы фермы). Это связано с тем, что при большой высоте ферму неудобно транспортировать и монтировать, так как ее пришлось бы перевозить отдельными эле-ментами и собирать на месте монтажа, что требует много времени и больших затрат, не окупаемых экономией металла.

Для возможности перевозки по железной дороге наибольший габарит конструкции по вертикали не должен превышать 3,8 м. По-этому высоту легкой фермы в середине пролета (при l < 36 м) обыч-но назначают не более этого размера. Наименьшая высота фермы определяется требованиями жесткости — величиной допускаемо-го прогиба. Чем меньше размер допускаемого прогиба, тем боль-шей должна быть назначена высота фермы, кроме того, она должна быть увязана с желательным углом наклона раскосов к поясу и раз-мером отдельной панели.

С учетом указанных выше обстоятельств, из которых важнейши-ми следует считать обеспечение допускаемого прогиба и выдержи-вание транспортных габаритов, высоту h легких ферм назначают в довольно широких пределах: от 1/5 до 1/20 пролета. Для стропильных ферм трапециевидного очертания и с параллельными поясами обыч-но назначают высоту в середине пролета h = (1/7-1/9)l.

Высоту на опоре фермы h 0 рационально принимать одинаковой для ферм различных пролетов. Это позволяет иметь единую стан-дартную геометрическую схему и обеспечивает стандартность де-талей крепления. При уклоне верхнего пояса 1/8 высота h 0 в типо-вых фермах пролетов 18-36 м принята 2,2 м (между обушками угол-ков). В фермах с параллельными поясами эта высота равна 3,15 м.

Системы решеток ферм. В металлических фермах они весь-ма разнообразны. От системы решетки зависят масса фермы, тру-доемкость ее изготовления, внешний вид. Ее стремятся запроек-тировать таким образом, чтобы нагрузки на ферму передавались, как правило, в узлах (во избежание местного изгиба пояса). Ре-шетка ферм работает на поперечную силу, выполняя функции стен-ки сплошной балки.

Все виды решеток ферм можно разделить на три основные си-стемы: треугольную, раскосную и специальную.

Треугольная система решетки с переменным направлением рас-косов без стоек (рис. ниже) имеет наименьшее число узлов и стерж-ней и наименьшую суммарную длину их. Однако при такой решетке длина панелей сжатого пояса оказывается весьма значительной, что требует повышенного расхода материала для обеспечения его устой-чивости в плоскости фермы. Чтобы уменьшить длину панелей сжа-того пояса, к треугольной решетке добавляют дополнительные стой-ки (рис. ниже). Иногда добавляют и подвески (рис. ниже), позволяю-щие при необходимости уменьшать расстояние между узлами фермы (например, в козловых кранах). Дополнительные стойки и подвески ненамного увеличивают массу фермы, так как они работают только на местную нагрузку, не участвуя в" передаче на опору поперечной силы, что позволяет принимать их сечение небольшим.

Различные системы решеток ферм

При раскосной системе решетки необходимо стремиться, что-бы более длинные элементы решетки (раскосы) работали на растя-жение, а более короткие (стойки) — на сжатие, так как на работе коротких сжатых стержней меньше сказывается влияние продоль-ного изгиба, чем на работе длинных.

Это требование удовлетворяется при нисходящих раскосах в фермах трапециевидного очертания и с параллельными поясами (рис. ниже) и восходящих — в треугольных фермах (рис. ниже). Од-нако в последних восходящие раскосы образуют неудобные для кон-струирования узлы. Поэтому в треугольной ферме рациональнее применять нисходящие раскосы (рис. ниже); они получаются сжа-тыми, но их длина меньше и узлы фермы более компактны. Приме-нять раскосную решетку целесообразно при малой высоте ферм, больших узловых нагрузках, а также когда конструктивная схема сооружения точно фиксирует положение узлов фермы (например, в продольной связевой ферме гидротехнических затворов).

К специальным системам решетки относят шпренгельную, кре-стовую, ромбическую и полураскосную решетки.

Необходимость в шпренгельной решетке (рис. ниже) возникает в фермах с большой высотой, когда при соблюдении желательного угла наклона раскосов к поясу длина панелей получается чрезмерно большой, неудобной для расположения кровельного покрытия.

В фермах, работающих на двустороннюю нагрузку, как прави-ло, устраивают крестовую решетку (рис. ниже). Такие решетки час-то применяют в горизонтальных связевых фермах, которые служат для пространственной жесткости основных ферм (например, в про-изводственных зданиях, мостах и других конструкциях). При этом раскосы в крестовой решетке конструируют из гибких элементов, способных нести только растягивающие усилия. Подобный способ конструирования превращает крестовую решетку из статически нео-пределимой в статически определимую. При любом возможном нагружении фермы в каждой панели один раскос будет растянут, а другой сжат. Вследствие большой гибкости сжатый раскос при не-значительных усилиях теряет устойчивость и выключается из рабо-ты. В результате остается работоспособным только раскос, растя-нутый при данной комбинации нагрузок; ферма как бы приобрета-ет систему решетки с нисходящими раскосами (рис. ниже).

Ромбическая и полураскосная решетки (рис. ниже) благода-ря двум системам раскосов обладают большой жесткостью; они рациональны при работе конструкций на большие поперечные силы, в связи с чем их применяют в мостах, башнях и других кон-струкциях.

Угол наклона раскосов к поясу ферм оказывает существенное влияние на величину усилий, а следовательно, на сечение и вес рас-косов. Оптимальный угол наклона в треугольной решетке состав-ляет 45°, в раскосной решетке — 35°. Во всех случаях для улучше-ния конструкции узлов углы между раскосами и поясами следует назначать в пределах 30°-60°.

Длина панелей ферм, как правило, должна быть такой, чтобы обеспечивать передачу нагрузки на ферму в узлах. Кроме того, раз-мер панелей должен соответствовать допустимому углу наклона рас-косов к поясу. В стропильных фермах размер панелей зависит от системы кровельного покрытия. Обычно длина панелей в этих фер-мах 3 м, в редких случаях 1,5 м (в последнем случае часто применя-ют шпренгельную решетку для уменьшения стандартной панели длиной 3 м до 1,5 м).

Страница 4 из 10

Первоначально сквозные фермы устраивались многорешетчатыми по типу деревянных ферм Тауна. Первый мост с такими фермами был сооружен в 1845 г. через Королевский канал на железной дороге Дублин-Дрогеда в Ирландии с пролетом 42,7 м. Плоские раскосы ферм, изготовленные из листового железа, могли работать только на растяжение, и при воздействии незначительных сжимающих усилий выключались из работы. Многорешетчатые фермы с элементами плоского сечения были использованы и в ряде других европейских мостов, в числе которых был один из крупнейших для того времени железнодорожный мост через р. Вислу в Диршау (Германия) с пролетами по 130,9 м (1857 г.).

Существенные улучшения в конструкцию этих ферм были внесены выдающимся русским инженером С. В. Кербедзом при разработке проекта двухпутного железнодорожного моста через р. Лугу на б. Петербурго-Варшавской железной дороге (рис. 1). Мост был построен в 1857 г., имел два пролета по 55,3 м, перекрытых неразрезными пролетными строениями с ездой поверху. Под каждый путь в поперечном сечении было установлено отдельное пролетное строение, состоящее из двух главных ферм с расстоянием между ними 2,25 м.

Рис. 1 - Мост через р. Лугу

Для повышения поперечной устойчивости оба пролетные строения над опорами соединялись общими поперечными связями. При назначении сечений элементов этого моста С. В. Кербедз впервые в практике мостостроения учел явление продольного изгиба. Пояса ферм, сжатые и сжато-растянутые раскосы приняты жесткого сечения, сформированного из листов и уголков и лишь растянутые раскосы сохранены плоскими (рис. 2). Верхний пояс имел П-образную форму, нижний - такую же, но повернутую на 180°.

Рис. 2 - Сечения поясов и раскосов ферм лужского моста: а - верхний пояс у конца ферм; б - то же, над средней опорой; в - раскосы сжатые и сжато-растянутые; г - раскосы растянутые

Развитие сечений поясов по мере роста в них усилий производилось за счет увеличения толщины вертикальных листов и числа горизонтальных листов (до двух) с одновременным их утолщением.

Сжатые и сжато-растянутые раскосы состояли из двух ветвей; каждая ветвь включала вертикальный лист и прикрепленный к нему уголок. Обе ветви соединялись между собой решеткой из планок, наложенных на полки уголков. В результате создавалось жесткое сечение, способное воспринимать сжимающие усилия.

В 1884 г. Н. А. Белелюбским были разработаны первые типовые проекты пролетных строений для пролетов в свету от 53,5 м до 106,68 м с интервалом 10,67 м. Схема ферм в этих проектах была принята двухраскосной, величина панели не превышала 5,182 м (рис. 3).

Рис. 3 - Схемы первых типовых пролетных строений с двухраскосными фермами

Для пролетов в свету 85,34 м и более фермы были приняты с полигональным очертанием верхних поясов, при котором высота ферм к середине пролета увеличивалась в соответствии с изменением изгибающего момента.

Целесообразность криволинейного очертания поясов усматривалась из балки равного сопротивления, известной еще во времена Галилея (1564-1642 гг.). Впервые криволинейное очертание поясов применил Брюнель в фермах пролетом 57,25 м на мосту через р. Темзу у Виндзора в 1849 г.

В фермах Н. А. Белелюбского сечения поясов верхних (рис. 4, а) и нижних (рис. 4, б) были двухстенчатыми П-образными (рис. 4), их развитие происходило за счет увеличения числа горизонтальных листов. Эти типы сечения поясов ферм и способ их развития применяются в металлических пролетных строениях почти 50 лет. Сечения растянутых раскосов (рис. 4, в) состояли из двух ветвей вертикальных листов, сжато-растянутых раскосов (рис. 4, г), сжатых раскосов (рис. 4, д) и стоек (рис. 4, е) из уголков и вертикальных листов или из уголков. Здесь Н. А. Белелюбский следовал принципам создания жестких сечений, принятым С. В. Кербедзом в Лужском мосту.

Рис. 4 - Сечения элементов ферм первых типовых пролетных строений

Развитие теории расчета сооружений, успехи металлургической промышленности, расширившей сортамент проката, и оснащение заводов оборудованием, позволившим изготавливать элементы пролетных строений с большими сечениями, создали условия для дальнейшего упрощения системы решетки ферм и увеличения размеров панелей.

Дальнейшим усовершенствованием явилось применение треугольных решеток (рис. 5, а). Эта решетка имеет наименьшее количество элементов и узлов. Усилия, которые передаются от середины пролета к опорам, идут по кратчайшему пути, с каждым раскосом приближаясь к опорам, в то время когда при наличии в решетке вертикальных элементов они передаются снизу вверх (или сверху вниз), не приближаясь к опорам. В отличие от раскосной решетки, где все раскосы могут быть нисходящими и работать только на растяжение, в треугольной решетке часть раскосов (восходящие) работает на сжатие, но в связи с отсутствием стоек решетка в целом оказывается легче раскосной.

Рис. 5 - Схемы ферм

Недостатком треугольной решетки по сравнению с раскосной является увеличение панели фермы в 2 раза, что существенно повышает вес проезжей части.

В автодорожных мостах, где временная нагрузка значительно меньше, а расстояние между осями ферм больше, чем в железнодорожных мостах, треугольная решетка в ряде случаев оказывается целесообразной.

В железнодорожных мостах, как правило, приходится принимать меры к уменьшению панели проезжей части. Это достигается установкой дополнительных вертикальных элементов-стоек и подвесок (рис. 5, б). При этом длина панели проезжей части сокращается вдвое.

Работа стоек и подвесок в треугольной решетке принципиально отличается от работы вертикальных элементов в решетках раскосной системы. В фермах с треугольными решетками стойки при езде понизу (рис. 5, в), и подвески при езде поверху (рис. 5, г) оказываются нулевыми и их можно исключить. Однако стойки при езде понизу, как правило, сохраняются, так как они сокращают свободную длину элементов верхних сжатых поясов ферм.

Вертикальные элементы в решетках раскосной (рис. 6, а) системы являются основными элементами фермы и работают при загружении любого участка ферм (см. линии влияния на рис. 6).

Рис. 6 - Линии влияния усилий в стойках раскосной фермы и фермы с треугольной решеткой и дополнительными стойками и подвесками

Стойки и подвески в треугольных решетках являются дополнительными элементами, они работают только на местную нагрузку в пределах одной-двух панелей (рис. 6, б).

Установка стоек и подвесок вызывает дополнительный расход металла, но в целом оказывается целесообразной. Даже с дополнительными стойками и подвесками вес пролетных строений с треугольными решетками обычно несколько меньше, чем с раскосными.

Выяснение этого положения способствовало распространению ферм с треугольной решеткой и дополнительными стойками и подвесками.

Уменьшение длины панели в фермах с треугольной решеткой можно осуществить без дополнительных вертикальных элементов, а сгущением решетки путем совмещения двух треугольных решеток (рис. 7, а) получим так называемую двухрешетчатую систему.

При этом размер панели проезжей части получается таким же, как и при треугольных фермах с дополнительными стойками и подвесками, но усилия в раскосах и их свободная длина оказываются в 2 раза меньшими. Теоретически можно было предполагать, что такие решетки будут легче, чем треугольные со стойками и подвесками. Однако практически снижения веса не достигается. Из-за отсутствия вертикальных элементов усложняется прикрепление поперечных балок и поперечных связей. Недостатком является также большое количество узлов, затрудняющее изготовление и сборку.

Рис. 7 - Схемы мостовых ферм

Введение в состав двухрешетчатой фермы вертикальных стержней (рис. 7, б) облегчает задачу прикрепления поперечных балок и связей. В таком виде решетка стала называться крестовой и также была использована в пролетных строениях, не получив широкого распространения.

Если вертикальные элементы поставить со сдвижкой их на половину панели (рис. 7, в), появляется возможность сокращения панели проезжей части в 2 раза при прикреплении поперечных балок во всех узлах. В таком виде эти фермы нашли широкое применение для перекрытия больших пролетов после Великой Отечественной войны.

Двухрешетчатую ферму можно видоизменить таким образом, что рисунок ее станет ромбическим, при этом она становится не только статически определимой, но даже геометрически изменяемой (рис. 7, г); в этом случае в ней не хватает одного стержня. Для создания неизменяемости в середине фермы обычно добавляется один вертикальный или горизонтальный стержень (рис. 7, д), хотя особой необходимости в этом нет, так как неизменяемость фермы достигается за счет жесткости узлов. Эта система не имеет каких-либо технических или производственных достоинств по сравнению с двухрешетчатой, но рисунок ее считается более спокойным и законченным.

Фермы с ромбической решеткой были применены для ряда городских мостов в Западной Европе (рис. 8).

Рис. 8 - Схема моста через р. Рейн в Везеле с ромбической решеткой ферм

Улучшение условий прикрепления поперечных балок в фермах с ромбической решеткой может быть достигнуто установкой подвесок в средних узлах (см. рис. 7, е).

В таком виде решетка была предложена проф. Г. П. Передернем.

В очень высоких фермах с целью сокращения панелей при сохранении выгодного угла наклона раскосов в отдельных случаях применялась полураскосная система решетки (рис. 7, ж). Недостатком ее является, увеличение количества стержней и узлов. Полураскосная решетка в настоящее время находит применение только в связях.

В большепролетных фермах с треугольной решеткой с целью сокращения размера панели проезжей части применяются не только дополнительные стойки и подвески, но и шпренгели. В современных пролетных строениях чаще ставят нижние шпренгели (рис. 7, з), так как учитывают, что наличие шпренгелей приводит к увеличению усилий в тех поясах ферм, в уровне которых они поставлены. Развивать же сечения нижних растянутых поясов проще, чем верхних сжатых. Кроме того, пролетное строение с нижними шпренгелями оказывается более устойчивым под воздействием поперечного давления ветра, так как плотность решетки ферм увеличена в нижней части, а не в верхней.

Типы ферм

Фермами называют геометрически неизменяемые решетчатые конструкции, жесткость узлов которых незначительно влияет на работу стержней и потому допускает рассматривать эти конструкции как шарнирно-стержневые системы.
Фермы образуют замкнутые, обычно пространственные геометрически неизменяемые фигуры, например: мосты, мачты, затворы гидротехнических сооружений и др. Для удобства расчета пространственные фигуры расчленяют на плоские. При этом следует учитывать связь в работе отдельных плоских элементов, составляющих пространственную фигуру, в результате которой эти элементы могут быть дополнительно нагружены или разгружены. В особо ответственных случаях пространственные фермы следует рассчитывать как пространственные шарнирно-стержневые системы или как эквивалентные сплошностенчатые оболочки.
Различают фермы: двухопорные (разрезные), многоопорные (неразрезные) и консольные. Многоопорные фермы вследствие разгружающего влияния реакций промежуточных опор на величину пролетных изгибающих моментов испытывают меньшие усилия в поясах, чем двухопорные, но большие усилия в решетке у промежуточных опор. Неразрезные фермы легче разрезных. Однако свойственные неразрезным конструкциям недостатки (большая зависимость усилий в стержнях от осадки опор, сложность монтажа, необходимость повышенной точности монтажных соединений, накопление температурных деформаций и др.) делают применение неразрезных ферм целесообразным в относительно редких случаях. Двухопорные фермы могут быть свободно оперты или защемлены.
В современном промышленном и гражданском строительстве используют главным образом разрезные свободно опертые фермы или фермы, входящие в качестве ригеля в рамы каркасов.
Фермы с консолями, как и неразрезные, испытывают меньшие усилия в поясах и потому несколько легче простых разрезных. Они меньше, чем неразрезные, чувствительны к осадкам опор и температурным колебаниям, что особенно важно для длинных сооружений. Однако изготовление консольных ферм в сочетании с подвесными сложно из-за промежуточных шарниров и меньшей повторяемости элементов; также более сложен и монтаж их вследствие нарушения последовательности установки ферм. Поэтому сочетание консольных и подвесных ферм допустимо только в тех случаях, когда получаемая экономия в весе может оправдать усложнение и замедление темпов изготовления и монтажа. Однопролетные консольные фермы широко применяют в конструкциях кранов перегружателей, козловых кранов и во многих других случаях.
Металлические фермы условно делят на легкие и тяжелые. К легким фермам относят такие, узлы которых конструируют с помощью одной фасонной вставки (или приставки) и даже совсем без вставок и приставок. В противоположность этому к тяжелым относят фермы, у которых каждый узел образован с помощью двух параллельно расположенных фасонных вставок или приставок, а стержни, как правило, имеют двустенчатое сечение, чаще всего H- или П-образное.
Из легких ферм выделяют в особые группы прутковые и фермы с жестким сжатым поясом. Первые применяют в покрытиях зданий; вторые - в крановых и подкрановых мостах, а также в железнодорожных мостах с ездой по верхнему поясу, когда сжатый пояс испытывает значительные изгибающие моменты от подвижной нагрузки.

Очертание контура

Теоретически наивыгоднейшим очертанием контура фермы является такое, при котором ее контур соответствует очертанию эпюры моментов. Например, при равномерно распределенной нагрузке и горизонтальном нижнем поясе верхний пояс очерчен по дуге параболы (рис. V-I), а при одном сосредоточенном грузе в пролете - треугольная ферма. В этом случае усилия будут возникать только в поясах; в стержнях решетки усилия теоретически равны нулю. В действительности, вследствие некоторой неравномерности реальных нагрузок, конструктивных эксцентриситетов и других неизбежных факторов элементы решетки испытывают весьма незначительные усилия.

Вес ферм с параболическим поясом несколько меньше (примерно на 8%), чем вес ферм с параллельными поясами или трапециевидных, запроектированных при тех же условиях. Однако изготовление ферм с криволинейным поясом много сложнее и требует больше времени (изгиб элементов, составляющих пояс; обрезка узловых фасонок по кривой; разметка криволинейных элементов и т. п.). Кроме того, в элементах криволинейного пояса возникают значительные изгибающие моменты M=Nf, существенно ухудшающие работу пояса. Ухудшают работу пояса и начальные напряжения, возникающие в элементах криволинейного очертания при их гнутье. Поэтому в современном строительстве не применяют фермы с криволинейным стальным поясом. Многоугольное очертание одного из поясов фермы с частью узлов, расположенных по дуге параболы (на рисунке V-1,б они отмечены черточками), также обеспечивает малые усилия в стержнях решетки и относительно меньший вес ферм; оно не требует изгиба элементов, шаблонировки и разметки по кривым. Однако необходимость в каждом узле с переломом пояса устраивать стыки и дополнительный расход материалов на накладки и средства соединения в стыках сильно усложняют изготовление и увеличивают стоимость таких многоугольных (полигональных) ферм. Для легких ферм, в которых влияние собственного веса незначительно и экономия на расходе металла невелика, многоугольные фермы используют редко. Наиболее часто в легких фермах применяют прямолинейное очертание с параллельно расположенными поясами или с наклонным верхним поясом для образования скатов кровли - трапециевидные фермы (см. рис. V-1, в, г).
Если рассчитать каждую из ферм, представленных на рисунке V-1, при одинаковых равномерно распределенных нагрузках, пролетах и высотах, а затем сравнить результаты, то окажется, что величина наибольшего усилия в поясах треугольной фермы почти в 2 раза превосходит аналогичную величину поясных усилий остальных ферм.
Разница в величине наибольших поясных усилий остальных ферм незначительна (до 15%) и не очень влияет на конструирование таких ферм и на их вес. Треугольные же фермы вследствие весьма больших усилий в поясах всегда значительно тяжелее ферм остальных типов. Поэтому применение треугольных ферм ограничено: стропильные покрытия с кровлей, требующей крутых скатов, а также стрелы грузоподъемных кранов, некоторых землеройных машин и др. Такие треугольные фермы часто опираются в верхнем узле и в одном из крайних. Верхний опорный узел при этом часто располагается не посредине пролета, а ближе к крайнему опорному (например, стрелы шагающих экскаваторов, горизонтальные стрелы башенных кранов и др.).

На рисунке V-2 представлена эпюра моментов от равномерно распределенной нагрузки (пунктир) и контуры ферм одинаковой высоты: с параллельными поясами и треугольной. При постоянном сечении поясов эти контуры в некотором масштабе и приближенно представляют эпюру моментов, которые могут быть восприняты фермами. Контур первой фермы как бы описан вокруг эпюры моментов, контур второй - на всем протяжении вписан в эту эпюру. Максимальные усилия в поясах ферм с параллельно расположенными поясами, а также трапециевидных, описанных около эпюры моментов, находятся в середине пролета и резко падают к опорам. Величина изгибающих моментов к опорам уменьшается, а плечо пары внутренних усилий в фермах с параллельными поясами остается по всему пролету постоянным. В трапециевидных фермах плечо пары внутренних сил уменьшается к опорам менее быстро, чем убывают ординаты эпюры моментов. Плечи пар внутренних усилий в поясах треугольных ферм на всем их протяжении остаются меньше, чем в фермах с параллельными поясами или трапециевидных. При этом плечи внутренних пар в треугольных фермах уменьшаются к опорам быстрее, чем убывают ординаты эпюры моментов, что вызывает в треугольных фермах возрастание поясных усилий к опорам (рис. V-3).
Более рациональное очертание поясов представлено на рисунке V-2, в. Верхний пояс очерчен двумя прямыми, касательными к эпюре моментов или секущими ее так, чтобы отношения M1:h1 и M2:h2 были близки между собой. В таких фермах очертание поясов наиболее близко подходит к эпюре моментов, поэтому усилия в отдельных панелях поясов меняются очень мало, приближаясь к минимальным теоретически необходимым; усилия в стержнях решетки тоже малы. Наибольшие усилия в поясах возникают около четвертей пролета. Применять такие фермы весьма целесообразно; их часто используют в покрытиях помещений с подвесным потолком и железной кровлей. При этом крайние панели нижнего пояса (их усилие равно нулю) и стойки обычно исключают, и фермы опирают верхними крайними узлами (рис. V-2, в, правая половина). Если фермы опираются на стальные стойки и имеют момент в опорном узле, соединение фермы со стойкой осуществляют, как показано на рисунке V-2, г.
Очертание поясов ферм существенно влияет не только на работу самих поясов, но и на работу решетки. Выше отмечалось, что в параболических и многоугольных фермах элементы решетки нагружены очень слабо. В фермах с параллельными поясами, треугольных и трапециевидных (с малым уклоном поясов) решетка, наоборот, испытывает очень большие усилия.
Наибольшие усилия стержней решетки таких ферм в 2-3 раза превосходят аналогичные усилия ферм с криволинейным поясом (при расчетной для последних несимметричной нагрузке). Это оказывает существенное влияние на расход материалов для стержней решетки и на конструирование узлов.
Усилия в стержнях решетки треугольных ферм возрастают от опор к середине пролета, а в фермах с параллельными поясами и трапециевидных со слабым уклоном верхнего пояса, наоборот, - от середины к опорам.

Высота ферм

После решения вопроса об очертании контура фермы проектировщик должен назначить ее высоту. С увеличением высоты фермы усилия в поясах падают и уменьшается расход металла на пояса. Однако с увеличением высоты фермы возрастает длина раскосов и стоек и, следовательно, расход металла на них. Кроме того, удлинение сжатых элементов решетки сопровождается повышением их гибкости, что, в свою очередь, требует увеличения поперечных размеров сжатых элементов и повышает расход металла. Таким образом, с ростом высоты фермы вес поясов уменьшается, а вес решетки возрастает.
Наивыгоднейшая теоретическая высота фермы - та, при которой вес поясов приближается к весу решетки. На практике от такого соотношения отступают, и вес решетки часто составляет менее половины веса поясов (0,4-0,25 общего веса фермы с учетом фасонок). Следует отметить, что отступления от теоретической наивыгоднейшей высоты фермы в сторону ее уменьшения приводят к медленному росту веса фермы, но зато способствуют уменьшению объема перекрываемого помещения, улучшению архитектурного вида и т. п.
Наименьшая высота ферм определяется требованиями жесткости - величиной допускаемого прогиба. Чем меньше величина допускаемого прогиба и чем больше напряжения в элементах ферм от нагрузки, при которой проверяют прогиб, тем большей должна быть назначена высота ферм. Поэтому в фермах, изготовленных, например, из сталей с большим расчетным сопротивлением, приходится иногда назначать большую высоту, чем в фермах из обыкновенных углеродистых сталей. Высота ферм должна быть увязана с желательным углом наклона раскосов к поясу и размером отдельной панели.
Если фермы или их части предполагается перевозить по железным или автомобильным дорогам, при назначении высоты ферм следует учитывать размеры соответствующих сооружений.
С учетом указанных обстоятельств высоту h легких ферм назначают в довольно широких пределах: с параллельными поясами и трапециевидных с малым уклоном пояса - от 1/5 до 1/20 пролета (l); стропильных ферм покрытий и ригелей затворов гидротехнических сооружений - h = (1/7-18)l. В фермах мостовых кранов h = (1/12-1/15)l; в фермах связей до 1/20l, а в треугольных фермах h = (1/4-16)l. Для ферм, показанных на рисунке V-2, в, рекомендуемая высота h = (1/5-1/5,5)l. В дальнейшем изложении эти рекомендации будут конкретизированы.

Схемы решеток

Встречающиеся в стальных фермах решетки весьма разнообразны. Их классифицируют по многим признакам.
По внешнему виду фигур , образуемых стержнями решетки и поясов: треугольная (рис. V-4, а-и), ромбическая (рис. V-4, к, л), прямоугольная (безраскосная, рис. V-4, м).

По наличию (или отсутствию) раскосов и стоек: раскосная с основными стойками (рис. V-4, а, б), раскосная без стоек (рис. V-4, в); раскосная с дополнительными стойками (рис. V-4, г, д); безраскосная (рис. V-4, м); в ферме на рисунке V-4, г стойки поставлены для уменьшения длины панели сжатого пояса и могут быть изъяты без нарушения геометрической неизменяемости фермы; в ферме рисунка V-4, д дополнительные стойки и подвески уменьшают длину обоих поясов; средняя стойка в ферме на рисунке V-4, е является основной, а две промежуточные - дополнительными.
По направлению раскосов: с постоянным направлением раскосов; с нисходящими раскосами от опоры в сторону максимальных моментов (растянутыми, рис. V-4,а); с восходящими раскосами (сжатыми) (рис. V-4, б); с переменным направлением раскосов (рис. V-4, в-е).
По числу раскосов в одной панели; однораскосные (рис. V-4, а-е); двухраскосные (с перекрестной решеткой, рис. V-4, и) или многораскосные (рис. V-4, к), полураскосные (рис. V-4, з).
Решетки , образующие системы статически определимые (рис. V-4, а-з, к) и статически неопределимые (рис. V-4, и, л, м, н).
При выборе типа решетки следует стремиться к наиболее простому ее начертанию, ясному в отношении распределения усилий между стержнями и обеспечивающему удобство изготовления. Для уменьшения расхода стали на решетку и снижения трудоемкости изготовления следует выбирать такую схему решетки, которая имеет наименьшее число промежуточных стержней и наименьшую суммарную длину их, наименьшее число промежуточных узлов и наибольшую повторяемость типов стержней и типов узлов.
Кроме того, желательно, чтобы более длинные элементы решетки (раскосы) работали преимущественно на растяжение, а более короткие (стойки) - преимущественно на сжатие, так как на работе коротких сжатых стержней меньше сказывается влияние продольного изгиба, чем на работе длинных.
Наименьшее число стержней решетки и наибольшую повторяемость типов стержней и узлов дает безраскосная решетка (рис. V-4, м). Однако фермы с безраскосной решеткой в стальных конструкциях почти не применяют, потому что для работоспособности такой системы необходима жесткая заделка элементов, сходящихся в каждом узле. Сами же элементы, помимо осевых усилий, подвергаются воздействию еще и значительных изгибающих моментов. Эти обстоятельства заставляют увеличивать поперечные размеры поясов и стоек и усложнять конструкцию узлов, что и делает применение таких ферм в обычных случаях нерентабельным. Следует отметить, что само отнесение безраскосных систем с жесткими узлами к разряду ферм противоречит основному определению ферм, как шарнирно-стержневых систем.
При заданном угле наклона (то есть постоянном для всех сравниваемых ферм) раскосов к поясу решетка с переменным направлением раскосов без стоек (рис. V-4, в) имеет наименьшее число узлов и стержней и наименьшую суммарную длину их. Однако при такой решетке длина панелей сжатого пояса получается в 2 раза больше, чем при решетке с постоянным направлением раскосов. Это ухудшает условия работы сжатого пояса, увеличивая гибкость его в плоскости фермы, что, в свою очередь, требует повышенного расхода стали. Кроме того, длинные панели нежелательны в тех поясах ферм, по которым перемещаются подвижные нагрузки, например в мостовых кранах и подкрановых фермах. В длинных панелях таких ферм возникали бы большие изгибающие моменты при нахождении подвижного груза между узлами. Сказанное относится и к фермам затворов гидротехнических сооружений, если вода давит непосредственно на один из поясов.
Чтобы уменьшить длину панелей пояса при переменном направлении раскосов, ставят дополнительные стойки (рис. V-4, г, е). В этом случае число промежуточных стержней решетки и число узлов также оказываются меньше, чем при постоянном направлении раскосов.
Если способ загружения потребует уменьшения длины панелей и по нижнему поясу, что достигается постановкой подвесок (рис. V-4, д), то ферма с переменным направлением раскосов почти утратит свои преимущества перед фермами с постоянным направлением раскосов. Ее преимущество и в этом случае: меньшее число стержней, принимающих участие в передаче поперечной силы с пролета на опоры; путь поперечной силы оказывается как бы короче. Из опыта проектирования стропильных ферм известно, что замена решетки с переменным направлением раскосов решеткой с постоянным направлением их сопровождается увеличением общего веса ферм на 4-6%.
Достоинством ферм с постоянным направлением раскосов являются однотипность узлов и возможность назначить такое направление раскосов, при котором все они в основном будут растянуты, а стойки, более короткие элементы, - сжаты.
Угол наклона раскосов к поясу оказывает существенное влияние на величину усилий, а следовательно, на сечение и вес раскосов. Теоретический анализ изменения веса ферм в зависимости от изменения величины угла между раскосами и поясами показывает, что в фермах с переменным направлением раскосов этот угол желательно принимать около 45° (отношение высоты фермы к длине панели от 0,8:1 до 1,2:1), а в фермах с постоянным направлением раскосов - около 35° (tg 35°=0,7). Во всех случаях для улучшения конструкции узлов углы между раскосами и поясами следует назначать в пределах от 30 до 60°.

Полураскосная решетка (рис. V-4, з) по сравнению с простой раскосной (однораскосной) имеет значительно больше стержней и узлов. Фермы с такой решеткой обычно получаются тяжелыми и трудоемкими. Достоинство полураскосной решетки заключается в уменьшении в 2 раза свободной длины стоек, а следовательно, и их гибкости в плоскости фермы; длина отдельного полураскоса меньше длины раскоса. В основных несущих фермах такую решетку применяют редко (в конструкциях ног козловых кранов и кранов перегружателей). Чаще полураскосную решетку применяют в фермах связей, устраиваемых между поясами основных несущих ферм для раскрепления последних в пространстве. Полураскосную решетку применяют, когда длина панелей значительно меньше, чем высота фермы, и когда угол между направлением пояса и целого раскоса не укладывается в рекомендуемые пределы (рис. V-5).
При равномерной нагрузке в фермах с параллельными поясами и в трапециевидных с малым наклоном поясов на растяжение работают нисходящие раскосы, в треугольных фермах, наоборот, - восходящие (рис. V-6). Восходящие раскосы в фермах с параллельными поясами и нисходящие - в треугольных фермах сжаты. При растянутых раскосах стойки оказываются сжатыми, а при сжатых раскосах стойки растянуты. Это указание не распространяется на дополнительные стойки. Усилия последних зависят только от направления внешних узловых нагрузок: если нагрузки направлены внутрь контура, то дополнительные стойки сжаты, если наружу - растянуты.
В отмеченном характере работы решетки нетрудно убедиться методом рассечения. В ферме с параллельными поясами и нисходящими раскосами (рис. V-6, а) опорная реакция (А=4Р) больше суммы узловых нагрузок, лежащих левее сечения I-I (ΣP=2,5P), а потому для равновесия отсеченной части необходимо, чтобы раскос был растянут. По той же причине усилие в стойке (сечение II-II) должно быть направлено вниз, то есть к узлу левой части. Это означает, что стойка сжата. В треугольной ферме с восходящими раскосами (рис. V-6, б) у левой отсеченной части все моменты внешних сил стремятся вызвать вращение вокруг моментной точки по движению часовой стрелки; следовательно, уравновешивающее усилие раскоса должно сообщать момент обратного направления, то есть усилие раскоса должно быть направлено от узла - раскосы растянуты, а стойки, наоборот, сжаты. Изменение направления раскосов вызывает и изменение направления усилий в них и стойках.

В трапециевидных фермах с большим уклоном верхнего пояса (рис. V-6, в) только в двух-трех крайних панелях раскосы и стойки работают так, как в фермах с параллельными поясами. Чем ближе подходит к опорному узлу моментная точка для определения усилий в раскосах и стойках, тем более характер работы элементов решетки в средних панелях приближается к характеру работы решетки в треугольных фермах, то есть нисходящие раскосы средних панелей оказываются сжатыми, а стойки при них - растянутыми; усилия в средних элементах решетки начинают возрастать. Уменьшение уклона верхнего пояса сопровождается быстрым удалением моментной точки от опорного узла, что приближает характер работы решетки в трапециевидных фермах со слабым скатом к работе решетки в фермах с параллельными поясами.
В фермах с параллельными поясами наибольшие усилия испытывают стержни решетки в крайних панелях; по мере удаления от опорных узлов усилия в стержнях решетки падают. Это видно из уравнения равновесия левой отсеченной части (рис. V-6, а):

По мере приближения к середине пролета ΣPi возрастает, а разность А-ΣPi убывает, поэтому при постоянном угле α величина усилия в раскосах падает.
В решетке треугольных ферм по мере приближения к середине пролета усилия в стержнях решетки возрастают. Это объясняется тем, что с удалением стержней решетки от опоры сумма моментов внешних сил относительно точки Риттера возрастает быстрее, чем увеличивается плечо внутреннего усилия рассеченного элемента.
Многораскосные системы (рис. V-4, к) вследствие большой трудоемкости их изготовления и отсутствия ясности в работе отдельных элементов в настоящее время в строительстве не применяют. Лишь двухраскосные системы (рис. V-4, и) применяют часто в фермах связей, которые служат для пространственной жесткости основных ферм. При этом раскосы конструируют из гибких элементов, способных нести только растягивающие усилия. Подобный способ конструирования таких двухраскосных ферм превращает их из статически неопределимых в статически определимые. При любом возможном загружении ферм в каждой панели один раскос будет растянут, а другой - сжат. Вследствие большой гибкости сжатый раскос при ничтожно малых усилиях теряет устойчивость, изгибается и выключается из работы. По этой причине в каждой панели остается работоспособным только один раскос, растянутый при данной комбинации нагрузок, что и обеспечивает статическую определимость такой системы.
Фермы с двухраскосной решеткой, элементы которой способны работать как на растяжение, так и на сжатие, дают при одинаковой нагрузке значительно меньшие прогибы, чем однораскосные фермы. Поэтому их применяют, например, в качестве тормозных ферм подкрановых балок и мостов при быстроходных тележках большой грузоподъемности и при ограниченной высоте этих ферм.
Необходимость в шпренгельной решетке (см. рис. V-4,ж) возникает в фермах с большой высотой, когда при соблюдении желательного угла наклона раскосов к поясу длина панелей получается больше необходимой для поддерживаемой фермой конструкции или больше целесообразной для устойчивости элементов сжатого пояса. Устройство шпренгельной решетки связано с увеличением числа промежуточных узлов и стержней, с увеличением трудоемкости изготовления. Усилия в добавочных стержнях обычно бывают очень незначительны, поэтому сечения их часто подбирают конструктивно, а материал используют далеко не полно. Дополнительные шпренгельные элементы можно вводить не во всех панелях фермы, а лишь в некоторых.

Связи между фермами

Все плоские фермы должны быть раскреплены связями, образующими совместно с ними геометрически неизменяемые пространственные фермы, обычно решетчатые параллелепипеды. Связи располагают в плоскостях обоих поясов главных ферм - так называемые продольные по отношению к раскрепляемым фермам (горизонтальные1) связи, а также в плоскостях опорных и некоторых промежуточных стоек - так называемые поперечные (вертикальные) связи (рис. V-7).

Система связей должна обеспечить устойчивость сжатых поясов в направлении, перпендикулярном плоскостям раскрепляемых ферм, а также общую устойчивость и неизменяемость положения несущих конструкций; принять нагрузки, действующие в направлении, перпендикулярном плоскостям главных ферм, и передать их на ниже лежащие части конструкций и т.д.

Совершенствование форм несущих конструкций

Господствующей формой несущих конструкций является система плоских конструкций, расположенных во взаимно пересекающихся плоскостях (обычно под прямым углом). В простейшем случае они образуют решетчатый параллелепипед. Однако последний не является геометрически неизменяемой пространственной фигурой. Для геометрической неизменяемости и совместности работы всех элементов такого параллелепипеда необходимо ставить значительное количество поперечных связей. Последние играют положительную роль при кручении пространственной конструкции.
Основной способ расчета несущих строительных конструкций состоит в разложении пространственных конструкций и действующих на них сил на три плоские системы, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Затем делают расчет полученных таким путем плоских несущих систем. Дальше иногда учитывают пространственность работы рассматриваемой конструкции путем введения различных поправок, обычно в форме поправочных коэффициентов.
Такой способ оформления несущих конструкций был правильным при использовании сталей обычной прочности, клепаных соединений и плоскостных составляющих элементов - листы, уголки, швеллеры, двутавры и т. п.
За последнее время сварные соединения почти полностью вытеснили клепаные. Бурное развитие металлургии позволяет получать для строительства стали повышенной прочности и пока в ограниченном количестве стали высокопрочные с пределом текучести 45-75 кг/мм2. Для эффективного использования этих материалов необходимо не только усовершенствование, но и коренное изменение существующих форм несущих конструкций и составляющих их элементов.
Известно, что простейшей неизменяемой плоской фигурой является треугольник, простейшим неизменяемым стержневым телом - тетраэдр, а простейшей пространственной фермой - треугольная призма. Все стержни этих систем принимают участие в их основной работе. Дополнительные (связевые) стержни отсутствуют.
Изготовление пространственных треугольных систем из обычных открытых профилей неудобно и трудоемко. Эти системы лучше делать сварными из труб, а в отдельных случаях из равнобоких уголков, согнутых из полос металла под углом 60°. Следует отметить, что наименьший радиус инерции у такого уголка больше, чем у прямоугольного той же площади поперечного сечения. Элементы из тонкостенных труб также обладают значительно большей несущей способностью при сжатии, чем элементы из открытых профилей того же веса.
Замена пространственной фермы в виде параллелепипеда треугольной призмой во многих случаях позволяет снизить расход металла, затраты труда и сроки изготовления несущих конструкций не только из сталей повышенной прочности, но и из обыкновенных сталей.
Применяемые формы стальных конструкций резко снижают экономический эффект от использования в них сталей повышенной прочности и делают почти нецелесообразным по экономическим и технологическим причинам использование высокопрочных сталей. Применение высокопрочных сталей сопровождается значительным уменьшением всех коэффициентов устойчивости (φ, φвн, φб) и увеличением прогибов конструкций. Так, например, использование высокопрочных сталей с σт = 70-80 кг/мм2 в обычных фермах или балках приводит к увеличению их прогибов во столько раз, во сколько расчетное сопротивление этих новых сталей выше расчетного сопротивления стали марки ВСт.3, то есть почти в 3 раза.
Экономически оправданное использование высокопрочных сталей в строительстве может быть достигнуто в разнообразных вантовых и висячих системах. Дальнейшему усовершенствованию и развитию таких систем должно быть уделено большое внимание.

Фермой называют решетчатую конструкцию, образуемую из отдельных прямолинейных стержней, связанных в узлах в геометрически неизменяемую систему.

Ферма в целом работает преимущественно на изгиб, а ее элементы (если нагрузка приложена в узлах, оси элементов пересекаются в центре узлов) на осевые усилия (растяжение или сжатие). Жесткость узлов в легких фермах несущественно влияет на работу конструкции, поэтому в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные.

Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными. Плоские фермы могут воспринимать нагрузку, приложенную в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскости связями или другими элементами.

Основными элементами фермы являются пояса, образующие ее контур, и решетка, состоящая из раскосов и стоек.

Пояса фермы работают в основном на продольные усилия и полностью воспринимают изгибающий момент. Решетка объединяет пояса в одно целое, обеспечивает неизменяемость системы и воспринимает поперечную силу.

Максимальное усилие в элементах пояса при шарнирном опирании однопролетной фермы действует в середине ее пролета, в раскосах – у опоры.

Соединение элементов в узлах фермы осуществляют путем непосредственного примыкания одних элементов к другим или с помощью узловых фасонок.

Классифицируются фермы по назначению, статической схеме, очертанию поясов, системе решетки, способу соединения элементов в узлах и на опоре, величине усилия в элементах, напряженному состоянию.

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

По статической схеме фермы подразделяются на балочные (разрезные, неразрезные, консольные), рамные, арочные и вантовые. Балочные разрезные системы наиболее просты в изготовлении и монтаже, но весьма металлоемки. Неразрезные фермы экономичнее по расходу материала, обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту, но они, как статически неопределимые системы, чувствительны к осадке опор. Рамные и арочные системы экономичны по расходу стали. Их применение рационально для большепролетных зданий. В вантовых фермах все стержни работают только на растяжение и могут быть выполнены из гибких элементов (стальных тросов).

Промежуточными между фермой и сплошной балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами, либо сверху аркой. Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающие моменты в балке и повышают жесткость системы.

В зависимости от очертания поясов фермы бывают с параллельными поясами, треугольные, трапецеидальные, полигональные.

Выбор очертания ферм зависит от назначения сооружения, типа и материала кровли, системы водоотвода (малоуклонные рубероидные кровли или металлические и из асбестоцементных листов, которые требуют больших уклонов), типа и размеров фонаря, типа соединения фермы с колоннами (шарнирное или жесткое), статической схемы, вида нагрузок, определяющих эпюру изгибающих моментов (теоретически наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов).

Фермы с параллельными поясами благодаря распространению кровель с рулонным покрытием являются основными для покрытий зданий. По своему очертанию они далеки от эпюры моментов и по расходу стали не экономичны, однако имеют существенные конструктивные преимущества. Равные длины стержней поясов и решетки, одинаковая схема узлов, наибольшая повторяемость элементов и деталей и возможность унификации способствуютт индустриализации их изготовления.

Фермы треугольного очертания рациональны для консольных систем, а также для балочных систем при сосредоточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы). К конструктивным недостаткам треугольных ферм можно отнести сложный острый опорный узел, допускающий только шарнирное сопряжение с колоннами, длинные средние раскосы, подбираемые по предельной гибкости (вызывают перерасход металла). Применение треугольных ферм под распределенную нагрузку диктуется необходимостью обеспечения большого уклона кровли.

Фермы трапецеидального очертания занимают промежуточное место между треугольными и фермами с параллельными поясами, они больше соответствуют эпюре изгибающих моментов, имеют конструктивные преимущества перед треугольными фермами за счет упрощения узлов и возможности устроить жесткий рамный узел, что повышает жесткость каркаса.

Фермы полигонального очертания рационально применять для тяжелых ферм больших пролетов, так как очертание их наиболее близко соответствует параболическому очертанию эпюры изгибающих моментов, что дает значительную экономию металла. Элементы верхнего пояса таких ферм прямолинейны между узлами, криволинейное очертание достигается переломами пояса в узлах.

Системы решетки ферм бывают:

– треугольной (образована непрерывным зигзагом раскосов, направленных попеременно в разные стороны), эта решетка может быть дополнена стойками и подвесками, работающими только на местную нагрузку, а также служащими для уменьшения расчетной длины поясов;

– раскосной (непрерывный зигзаг образован раскосами и стойками);

– крестовой;

– ромбической и полураскосной;

– шпренгельного типа.

Оптимальный угол наклона раскосов к нижнему поясу в треугольной решетке α = 45 о (обычно 40 – 50 о), в раскосной – α = 35 о (обычно 30 –40 о).

Направление опорного раскоса может быть восходящим (раскос идет от нижнего опорного узла к верхнему поясу) и нисходящим (направление раскоса от опорного узла верхнего пояса к нижнему). В практике проектирования зданий для стропильных ферм чаще применяется восходящий опорный раскос. Такое решение позволяет надежнее обеспечить горизонтальную жесткость рамы здания при работе фермы как ригеля, конструктивно лучше решить опорный узел и расположение связей. При нисходящем раскосе имеется ряд преимуществ: они растянуты (меньше требуют металла); центр тяжести фермы лежит ниже ее линии опирания (ферма более устойчива на монтаже). Недостаток – удлинение колонны на высоту фермы, что влияет на устойчивость колонны.

Выбор типа решетки зависит от схемы приложения нагрузки, очертания поясов и конструктивных требований.

Треугольная система решетки имеет наименьшую суммарную длину элементов и наименьшее число узлов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры. Различают фермы с восходящими и нисходящими раскосами. В местах приложения сосредоточенных нагрузок можно установить дополнительные стойки и подвески. В фермах трапецеидального очертания или с параллельными поясами треугольная система решетки является достаточно эффективной. Недостатком треугольной решетки является наличие длинных сжатых раскосов, работающих на устойчивость.

В раскосной системе решетки все раскосы имеют усилия одного знака, а стойки – другого. При проектировании необходимо стремиться, чтобы длинные раскосы были растянуты, а короткие стойки сжаты. Это требование удовлетворяется при нисходящих раскосах в фермах с параллельными поясами. Раскосная решетка более металлоемка и трудоемка по сравнению с треугольной. Путь усилия от места приложения нагрузка до опоры длиннее, он идет через все стержни раскосной решетки и узлы. Применение раскосной решетки целесообразно при малой высоте фермы и больших узловых нагрузках.

Крестовая решетка одинаково работает при смене направления нагрузки на противоположное и чаще всего выполняется из гибких стержней. В этом случае сжатые раскосы, вследствие большой гибкости, выключаются из работы из-за потери устойчивости (в расчетную схему не входят) и решетка превращается в раскосную с растянутыми раскосами и сжатыми стойками.

Ромбическая и полураскосная решетки благодаря двум системам раскосов обладают большой жесткостью, применяются в фермах большой высоты для уменьшения расчетной длины стержней и особенно рациональны при работе конструкций на значительные поперечные силы.

Шпренгельную решетку применяют для уменьшения размеров панели при рациональном угле раскоса. Она более трудоемка, однако при частом расположении прогонов достигается предотвращение местного изгиба элементов пояса в местах приложения сосредоточенных сил и уменьшение их расчетной длины, что может обеспечить снижение расхода стали.

По способу соединения элементов в узлах фермы подразделяются на сварные и болтовые. Болтовые соединения на высокопрочных болтах, как правило, применяются в монтажных узлах.

По величине максимальных усилий условно различают легкие од-ностенчатые фермы с сечениями элементов из простых прокатных или гнутых профилей (при усилиях в стержнях N ≤ 3000 кН) и тяжелые фермы (N > 3000 кН). Стержни тяжелых ферм отличаются от легких более мощными сечениями, составленные из нескольких элементов, и обычно проектируются двустенчатыми. В качестве легких ферм обычно используются стропильные фермы (фермы кровельного покрытия).

По напряженному состоянию фермы можно разделить на обычные и фермы с регулированным напряжением – с затяжками (шпренгелями), со смещением уровня опор в неразрезных фермах и другие.

Генеральными размерами фермы является ее пролет и высота. Пролет выбирают в зависимости от технологического процесса, который протекает в здании (расстановка оборудования, организация потоков и т.п.). Если нет ограничений технологического характера, пролет назначается из экономических соображений. В целях типизации пролеты ферм унифицируются и принимаются кратными модулю 6 м, т.е. 18, 24, 30, 36, 42 м). В отдельных случаях допускается модуль 3 м.

Высота фермы в середине пролета определяется условиями минимального веса, требуемой жесткости, характеризуемой заданным прогибом, и габаритами при перевозке, как правило, железнодорожным транспортом (наибольший габарит по вертикали 3,85 м). Практически из условий стандартизации геометрической схемы высоту стропильных ферм рационально принимать одинаковой для всех ферм различных пролетов: в типовых фермах трапецеидального очертания – 2,2 м (между обушками на разбивочной оси колонны) и в фермах с параллельными поясами 3,15 м.

Высота треугольной фермы в середине пролета определяется в зависимости от пролета и уклона верхнего пояса и может достигать значительных размеров.