Фермы покрытий. Железобетонные фермы

Кузин Н.Я. Проектирование и расчет стальных ферм покрытий промышленных зданий: Учебное пособие. - М.: Изд-во АС В, 1998 - 184 с.

Рассматриваются актуальные вопросы проектирования и расчета металлических ферм с применением эффективных прокатных профилей Учебное пособие подготовлено на кафедре металлических и деревянных конструкций и предназначено для использования студентами специальности 290300 "Промышленное и гражданское строительство" при выполнении курсового и дипломного проектирования.

Издательство АСВ, 1998

Пензенская государственная архитектурно-строительная академия, 1998

Н.Я.Кузин, 1998

Предисловие

Современное развитие строительства требует применения экономичных, легких, долговечных, эстетически выразительных,надежных строительных конструкций.

В определенной степени этому отвечают металлические конструкции. Они изготовляются из относительно легкого, прочного, плотного материала - стали. Причем для различных видов конструкций или их наиболее нагруженных элементов могут применяться стали с высоким расчетным сопротивлением. К распространенным элементам строительных конструкций можно отнести металлические фермы.

Они применяются в промышленных, общественных зданиях и от их конструктивного решения зависят архитектурный вид здания, стоимость. Современный уровень производства прокатныхпрофилей позволяет изготовлять такие поперечные сечения, которые лучше всего отвечают работе элементов ферм на сжатие, изгиб, растяжение, сжатие с изгибом, в результате ферма становится легче и дешевле.

Однако вопросы проектирования таких ферм имеют некоторую специфику. Она заключается в том, что необходимо учитывать ряд конструктивных особенностей, а именно: местную устойчивость труб и гнуто-сварных профилей, работу сварных швов в узлах ферм и фланцевых соединениях.

Для студентов, изучающих курс "Металлические конструкции", выполняющих расчеты и конструирование ферм, пособие будет полезным. В нем изложены основные расчетные положения по проектированию стальных ферм из одиночных, а также двух симметрично расположенных уголков, с поясами изширокополочных тавров, круглых труб, замкнутых гнутых профилей.

Для лучшего понимания проблемы при изучении раздела "Стропильные фермы" в пособии даны примеры расчета инекоторые чертежи, эскизы. В этой связи практические навыки по проектированию и расчету металлических ферм являются важным условием профессиональной подготовки инженеров-строителей (специальность 290300 -"Промышленное и гражданское строительство").

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Фермой называется стержневая конструкция, у которой концы стержней соединены в узлах и образуют статически неизменяемую систему. Фермы классифицируются по нескольким признакам:

Конструктивному решению,

Очертанию поясов,

Типу решетки,

Статической схеме,

Типу поперечных сечений.

По конструктивному признаку фермы делятся на легкие и тяжелые. К тяжелым фермам относятся решетчатые конструкции, работающие в тяжелых и особых условиях, например: фермы мостов, ангаров, кранов. Часто эти сооружения воспринимают

динамические нагрузки, поэтому их проектируют клепаными или с узлами на высокопрочных болтах.

Наиболее распространенными в строительстве являются легкие фермы, конструкцию которых будем рассматривать ниже.

По очертанию поясов фермы делятся на трапециевидные,треугольные, параболические или сегментные, полигональные, фермы с параллельными поясами.

По типу решетки фермы подразделяются на треугольные, треугольные с дополнительными стойками, треугольные со шпренгелями, ромбические, крестовые.

Расчетная схема ферм может быть статически определимой и статически неопределимой, что обусловливает выбор конструкции опорного узла, которые бывают шарнирными и жесткими. По типу поперечных сечений различают фермы из одиночных или двух симметрично расположенных уголков, труб, гнутосварных профилей, двутавров, тавров, швеллеров.

Фермы разделяются также на стропильные и подстропильные. Конструкции покрытий из ферм в основном применяются:

при ширине пролетов зданий, м, - 15, 18, 24, 30, 36 и более;

при шаге стропильных ферм, м, - 4,6 или 12;

в зданиях однопролетных и многопролетных;

при опирании ферм на стальные или железобетонные колонны, кирпичные стены, подстропильные фермы.

в зданиях бесфонарных, с зенитными аэрационными или светоаэрационными фонарями;

в зданиях без перепадов или с перепадами высот пролетов;

в зданиях бескрановых, с подвесными или мостовыми кранами любых режимов работы;

в водоотводах с покрытий неорганизованных и организованных;

в покрытиях зданий из стального профилированного настила, асбестоцементных или стальных волнистых листов, железобетонных плит, двух - или трехслойных панелей с эффективным утеплителем;

в производственных зданиях отапливаемых или неотапливаемых.

2. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СТРОПИЛЬНЫХ И ПОДСТРОПИЛЬНЫХ ФЕРМ

Расчет ферм производится в соответствии с требованиями, изложенными в СНиП П-23-81* "Стальные конструкции", СНиП 2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия".

Стропильные фермы рассчитываются на нагрузки, которые определяются для каждого конкретного случая индивидуально. На фермы могут действовать постоянные и временные нагрузки. К постоянным нагрузкам относятся масса покрытия (кровли), собственная масса фермы с учетом массы связей, распорок, прогонов, фонарей.

Временные нагрузки - это масса технологического оборудования и трубопроводов, подвесного транспорта, снеговая и ветровая нагрузки (иногда учитывается вес отложений производственной пыли).

При строительстве в сейсмически опасных зонах добавляются сейсмические воздействия.

Снеговая нагрузка определяется с использованием обязательного приложения 3 , в зависимости от конкретного профиля покрытия, наличия фонарей, количества пролетов, размера уклона кровли. При расчете ферм на снеговую нагрузку следует учитывать одностороннее загружение, что является существенным для средних раскосов.

Ветровая нагрузка учитывается при уклоне кровли более 30°.

При расчете ферм ветровая нагрузка на фонарь не принимается во внимание, так как оказывает незначительное влияние. Часто вслучае крепления стеновых панелей к опорной стойке ветровую нагрузку прикладывают к поясам фермы. Нагрузки вычисляются с учетом коэффициента надежности по назначению yn .

Если ферма жестко опирается на колонны, дополнительно учитывается изгибающий момент, который раскладывается нагоризонтальные составляющие. Усилия от опорных моментовскладываются с расчетными усилиями, если они догружают стержень.

Подстропильные фермы в большинстве случаев рассчитывают как разрезные свободно опертые конструкции с приложением нагрузки в узлах. Расчетная нагрузка на них состоит из опорного давления стропильных ферм, собственного веса конструкций. Пояса подстропильных ферм проверяют на восприятие ветровых нагрузок, приложенных в торце здания. При опирании кровли на верхний пояс подстропильной фермы учитывается вес покрытия. Статический расчет ферм выполняется на ЭВМ илиграфическим построением диаграммы Максвелла-Кремоны для каждого вида загружения отдельно, при этом делаются следующиедопущения: стержни заменяются прямолинейными отрезками,пересекающимися в узлах с идеальным шарниром. В действительности же это соединение жесткое, и жесткость узлов учитывается для ферм из двутавровых, трубчатых и н-образных профилей, если соотношение высоты сечения стержня к его длине h/l > 1/15 при расчетной температуре наружного воздуха более -40е С и h/l > 1/10 при t < -40°С. Несоостность соединения стержней принимается во внимание, если смещение осей превышает 1,5% высоты пояса. Если нагрузка на пояса ферм действует как равномернораспределенная, то необходимо учесть действие изгибающих моментов, которые определяются так же, как у неразрезной балки.

...

Железобетонные фермы применяют при пролетах 18, 24 и 30м, при шаге 6 или 12 м. В железобетонных фермах в сравнении со стальными расход металла почти вдвое меньше, но трудоемкость и стоимость изготовления не­много выше. При пролетах 36 м и больше, как правило, применяют стальные фермы. Однако технически возмож­ны железобетонные фермы и при пролетах порядка 60 м и более.

При скатных, малоуклонных и плоских покрытиях применяют железобетонные фермы, отличающиеся очер­танием поясов и решетки. Различают следующие основ­ные типы ферм: сегментные с верхним поясом ломаного очертания и прямолинейными участками между узлами (рис. 14.17,а); арочные раскосные с редкой решеткой и верхним поясом плавного криволинейного очертания (рис. 14.17,б); арочные безраскосные с жесткими узлами в примыкании стоек к поясам и верхним поясам криволинейного очертания (14.17,в); полигональные с параллельными поясами или с малым уклоном верхнего пояса трапециевидного очертания (14.17,г); полиго­нальные с ломаным нижним поясом (14.17,(д).

Рис.14.17. Схемы стропильных ферм

Рис. 14.18. Эпюры моментов в верхнем поясе арочной фермы

Высоту ферм всех типов в середине пролета обычно принимают равной 1/7-1/9 пролета. Панели верхнего поя­са ферм, за исключением арочных раскосных, проектиру­ет размером 3 м с тем, чтобы нагрузка от плиты покры­тия передавалась в узлы ферм и не возникал местный изгиб. Нижний растянутый пояс ферм всех типов и рас­тянутые раскосы ферм некоторых типов проектируют предварительно напряженными с натяжением арматуры, как правило, на упоры.

Наиболее благоприятное очертание по статической работе имеют сегментные и арочные фермы, так как очер­тание их верхнего пояса приближается к кривой давле­ния. Решетка этих ферм слабоработающая (испытывающая незначительные усилия), а высота на опорах срав- нительно небольшая, что приводит к снижению массы фермы и уменьшению высоты наружных стен. В арочных раскосных фермах изгибающие моменты от внеузлового загружения верхнего пояса уменьшаются благодаря эк­сцентриситету продольной силы, вызывающему момент обратного знака, что позволяет увеличить длину панели верхнего пояса и сделать решетку более редкой (рис 14.18). В арочных безраскосных фермах возникают до­вольно большие изгибающие моменты в стойках, поясах и для обеспечения прочности и трещиностойкости появля­ется необходимость в дополнительном армировании, од­нако эти фермы несколько проще в изготовлении, удоб­нее в зданиях с малоуклонной или плоской кровлей и при использовании межферменного пространства для техно­логических коммуникаций (при устройстве дополнитель­ных стоечек над верхним поясом). Полигональные фер­мы с ломаным очертанием нижнего пояса более устойчи­вы на монтаже и не требуют специальных креплений, так как их центр тяжести расположен ниже уровня опор.

Полигональные фермы с параллельными поясами или с малым уклоном верхнего пояса имеют некоторое эконо­мическое преимущество в том отношении, что при пло­ской кровле создается возможность широко применять средства механизации кровельных работ.

Для ферм всех типов уменьшение размеров сечений и снижение общей массы достигается применением бетонов высоких классов (С25/30-С45/50) и установлением высоких процентов армирования сечений поясов.

Фермы рационально изготовлять цельными. Членение их на полуфермы с последующей укрупнительной сбор­кой на монтаже повышает стоимость. Фермы пролетом 18 м изготовляют цельными; пролетом 24 м - цельными или из двух полуферм; пролетом 30 м - из двух полу­ферм. Решетку полуфермы следует разбивать так, чтобы стык нижнего пояса для удобства монтажного соедине­ния был выносным, т. е. расположенным между узлами. Чтобы обеспечить монтажную проч­ность участка нижнего пояса, у стыка устраивают кон­структивные дополнительные подкосы (не учитываемых в расчете).

Решетка ферм может быть закладной из заранее изготовленных железобетонных элементов с выпусками арматуры, которые устанавливают пред бетонированием поясов и втапливают в узлы на 30…50 мм, или изготовляемой одновременно с бетонированием поясов. Последний вариант получил большее распространение. Ширина сечения закладной решетки должна быть менее ширины сечения поясов, а ширина сечения решетки, бетонируемой одновременно с поясами, должна быть равна ширине се­чения последних.

Ширину сечения верхнего и нижнего поясов ферм из условий удобства изготовления принимают одинаковой, ширину сечения поясов при шаге ферм 6 м принимают 200-250 мм, а при шаге ферм 12 м - 300-350 мм.

Армирование нижнего растянутого пояса должно вы­полняться с соблюдением расстояний в свету между напрягаемыми стержнями, канатами, спаренной проволо­кой, что обеспечивает удобство укладки и уплотнения бетонной смеси. Вся растянутая арматура должна охваты­ваться замкнутыми конструктивными хомутами, устанав­ливаемыми с шагом 500 мм.

Верхний сжатый пояс и решетки армируют ненапрягаемой арматурой в виде сварных каркасов. Растянутые элементы решетки при значительных усилиях выполняют предварительно напряженными.

В узлах железобетонных ферм для надежной переда­чи усилий от одного элемента к другому создают спе­циальные уширения - вуты, позволяющие лучше размес­тить и заанкерить арматуру решетки (рис. 14.19). Уз­лы армируют окаймляющими цельногнутыми стержнями диаметром 10-18 мм и вертикальными поперечными стержнями диаметром 6-10 мм с шагом 100 мм, объеди­ненными в сварные каркасы. Арматуру элементов решет­ки заводят в узлы, а растянутые стержни усиливают на конце анкерами в виде коротышей, петель, высаженных головок. Надежность заделки проверяют расчетом.

Рис. 14.19. Армирование промежуточных узлов ферм

а - в - верхнего пояса; г - нижнего пояса

Опорные узлы ферм армируют дополнительной продольной ненапрягаемой арматурой и поперечными стержнями, обеспечивающими надежность анкеровки растяну­той арматуры нижнего пояса и прочность опорного узла по наклонному сечению. Кроме того, чтобы предотвра­тить появление продольных трещин при отпуске натяже­ния арматуры, ставят специальные поперечные стержни, приваренные к закладным опорным листам, и сетки.

Пример армирования сегментной фермы пролетом 24 м приведен на рис.14.20. Напрягаемую арматуру нижнего пояса фермы предусматривают нескольких видов: из канатов класса, стержней из стали класса S800 и S1200, высокопрочной проволоки. Арматуру натягивают на упоры. Хомуты нижнего пояса выполняют в виде встречно поставленных П-образных сеток, окай­мляющих напрягаемую арматуру. В опорном узле по­ставлены дополнительные продольные ненапрягаемые стержни диаметром 12 мм, заведенные в приопорную па­нель нижнего пояса, и поперечные стержни Æ10мм (рис. 14.21).

Рис.14.20. Конструкция поясов сегментной фермы

Рис.14.21. Конструкция узлов сегментной фермы

Расчет ферм выполняют на действие постоянных и временных нагрузок - от покрытия, массы фермы, подвесного транспорта. Нагрузки от массы покрытия считаются приложенными к узлам верхнего пояса, а нагрузки от подвесного транспорта - к узлам нижнего пояса. В расчете учитывают неравномерное загружение снего­вой нагрузкой у фонарей и по покрытию здания. Учитывают также невыгодное для элементов решетки загруже­ние одной половины фермы снегом и подвесным транс­портом.

В расчетной схеме раскосной фермы при определении усилий принимают шарнирное соединение элементов поясов и решетки в узлах. В расчетах прочности влиянием жесткости узлов фермы на усилия в элементах поясов и решетки в виду малости можно пренебречь. При определении изгибающих моментов от внеузловой нагрузки верхний пояс рассматривается как неразрезная балка, опорами которой являются узлы.

Прочность сечений поясов и решетки рассчитывают по формулам для сжатых и растянутых элементов. Расчетная длина сжатых элементов в плоскости фермы и из плоскости фермы различна (табл. 14.3).

Таблица 14.3.

Расчетная длинна l 0 сжатых элементов фермы

Примечание:l - расстояние между центрами смежных закрепленных узлов; e 0 - эксцентриситет продольной силы; h - высота сечения верхнего пояса; b, b d - ширина сечения верхнего пояса и стойки.

Безраскосные сегментные фермы по схеме работы близки к железобетонным аркам с затяжкой, удерживаемой подвесками. Бетон С30/35 – С40/45. Предварительно напряженную арматуру нижнего пояса предусматривают из стержневой упрочненной периодического профиля класса S500, горячекатаной стали класса S800, холоднотянутой проволоки диаметром 5мм (рис. 14.22).

Рис.14.22. Конструкция безраскосной сегментной фермы

Фермы с параллельными поясами изготавливают пролетом 18, 24 и 30м при шаге колонн 6 и 12 м (рис. 14.23). Для компенсации прогиба ферм верхнему поясу придается уклон путем увеличения поперечного сечения на 20…40мм.

Рис.14.23. Конструкция фермы с параллельными поясами

Растянутые раскосы при усилиях до 300кН проектируют без предварительного напряжения продольной рабочей арматуры, а при усилиях свыше 300кН – предварительно напряженными со стержневой арматурой, натягиваемой электротермическим способом. Растянутые предварительно напряженные раскосы анкеруются в узлах ферм выпуском рабочих стержней арматуры, на концах которых приварены коротыши. Ширина верхнего и нижнего поясов принята одинаковой для ферм пролетом 18 и 24м: при шаге 6м – 240мм и при шаге 12м – 280мм.

Арматуру опорного узла фермы на основании исследований можно рассчитывать по схеме (рис. 14.24а.) Учитывается, что понижение расчетного усилия в напрягаемой арматуре, которое происходит из-за недостаточ­ной анкеровки в узле, компенсируется работой на растяжение дополнительной продольной ненапрягаемой арматуры и поперечных стержней. Площадь сечения продольной ненапрягаемой арматуры:

(14.6)

где N - расчетное усилие приопорной панели.

Рис.14.24. К расчету узлов ферм

а - опорного узла; б - промежуточного узла

Расчетное суммарное усилие нормальных к оси поперечных стержней N w на участке l 2 (от грани опоры до внутренней грани опорного узла) разложим на два направления: горизонтальное (N w ×ctg(α) ) и наклонное; здесь α - угол наклона линии АВ, соединяющей точку А у грани опоры с точкой В в примыкании нижней грани сжатого раскоса к узлу. Из условия прочности в наклонном сечении по линии отрыва АВ

определяется усилие

(14.8)

площадь сечения одного поперечного стержня

(14.9)

где - расчетное усилие в продольной напрягаемой арматуре;

(14.10)

Расчетное усилие в продольной ненапрягаемой арматуре;

(14.11)

n - число поперечных стержней, пересекаемых линией АВ (за выче­том поперечных стержней, расположенных ближе 10 см от точки А);

Длина заделки в опорном узле за линией АВ продольной на­прягаемой и ненапрягаемой арматурой; l p , l an - длина заделки, обес­печивающая полное использование прочности продольной напрягае­мой и ненапрягаемой арматуры.

Значение l p при классе тяжелого бетона C20/30 и выше принимают 1500 мм для семипроволочных канатов, 1000 мм для высокопрочной проволоки диаметром 5 мм, 35Æ для стержневой арматуры класса S800. Зна­чение l an для арматуры класса S400 принимают 35Æ.

Прочность опорного узла на изгиб в наклонном се­чении проверяют по линии АС (соединяющей точку А у грани опоры с точкой С у низа сжатой зоны на внутренней грани узла) по условию, что момент внешних сил не должен превышать момента внутренних усилий:

где Q A - опорная реакция; l - длинна опорного узла; а - расстояние от торца до центра опорного узла

Высота сжатой зоны в наклонном сечении:

(14.12)

Арматуру промежуточного узла рассчитывают по схе­ме рис. 14.24б . В этом узле также учитывают, что понижение расчетного усилия в арматуре растянутого раскоса на длине заделки компенсируется работой на растяжение поперечных стержней. Из условия прочности по линии отрыва АВС

определяют N sw и площадь сечения одного поперечного стержня

(14.14)

где N - расчетное усилие в растянутом раскосе; φ - угол между по­перечными стержнями и направлением растянутого раскоса; n - чис­ло поперечных стержней, пересекаемых линией АВС; при этом по­перечные стержни, располагаемые на расстоянии меньше 100 мм от точек А и С, а также имеющие в пределах вута заделку менее 30Æ (с учетом загнутых участков поперечной арматуры), в расчет не включаются; l 1 - длина заделки арматуры растянутого раскоса за линией АВС; k 2 - коэффициент, учитывающий особенность работы узла, в котором сходятся растянутый и сжатый подкосы: для узлов верхнего пояса k 2 - 1; для узлов нижнего пояса, если в одном из примыкающих к узлу участке растянутого пояса обеспечивается 2-я категория требований по трещиностойкости и при наличии в узле сжатых стоек или раскосов, имеющих угол наклона к горизонту бо­лее 40 0 , k 2 - 1,1; в остальных случаях k 2 - 1,05; а -условное увели­чение длины заделки растянутой арматуры с анкерами: а=5Æ - при двух коротышах; а=3Æ - при одном коротыше и петле; а=2Æ - при высаженной головке; l an - заделка арматуры растянутого раско­са, обеспечивающая полное ее использование по прочности при тя­желом бетоне класса C25/30 и выше и арматуре класса S400 l an =35Æ; k 1= σ s /f s σ s -напряжение в арматуре растянутого раскоса от рас­четной нагрузки.

Поперечные стержни промежуточного узла, в котором сходятся два растянутых элемента решетки, рассчитывают по формуле (14.14) последовательно для каждого элемента решетки, считая, что элементы, расположенные рядом, сжаты.

Расчет по трещиностойкости растянутого пояса раскосной фермы необходимо выполнять с учетом изгибающих моментов, возникающих вследствие жесткости узлов. Эти моменты в фермах со слабоработающей решеткой достаточно точно могут быть определены из рассмотрения нижнего пояса как неразрезной балки с заданными осадками опор. Последние находят по диаграмме перемещений стержней фермы.

Расчет фермы выполняют также на усилия, возникающие при изготовлении, транспортировании и монтаже.

В расчетной схеме безраскосной фермы в расчетах прочности и трещиностойкости принимают жесткое соединение поясов и стоек в узле. Усилия М, Q, N определяют как для статически неопределимой системы с замкнутыми контурами. Здесь возможны как строгие, так и приближенные способы расчета.

Для расчета ферм на ЭВМ разработаны программы, по которым можно выбрать оптимальный вариант конструкции.

Железобетонные стропильные фермы применяют в качестве ригелей покрытий промышленных и общественных зданий при пролетах 18, 24, 30 м и шаге 6 и 12 м. При больших пролетах железобетонные фермы получаются тяжелыми, неудобными при транспортировании, трудоемкими в монтаже и могут применяться лишь при специальном обосновании. Технически возможны железобетонные фермы при пролетах 60 м и более.

Фермы устанавливают на колонны или подстропильные конструкции. По фермам укладывают плиты покрытия и кровлю.

Вид стропильной фермы определяется профилем кровли и зависит от общей компоновки покрытия. Для зданий со скатной кровлей как типовые фермы применяют сегментные раскосные и арочные безраскосные. Для зданий с плоской кровлей – фермы раскосные и с параллельными поясами.

В курсовом проекте в качестве основной несущей конструкции покрытия применяем арочную безраскосную ферму пролетом 30 м.

В настоящее время арочные безраскосные фермы получили широкое распространение. Они отличаются простотой и удобством изготовления.

Безраскосные фермы целесообразно применять в зданиях, где межферменное пространство используют для коммуникаций, технических этажей. Эти фермы можно использовать для устройства плоской кровли путем установки дополнительных стоек в узлах верхнего пояса.

Недостатком этого типа ферм является то, что в стойках и поясах фермы возникают значительные изгибающие моменты, для восприятия которых требуется дополнительный расход арматуры, при этом стоимость ферм увеличивается.

Расстояние между узлами верхнего пояса ферм принимается равным ширине плиты покрытия (3м) в целях обеспечения узловой передачи нагрузки.

Фермы рационально изготавливать целиком. Разделение их на полуфермы с последующей укрупнительной сборкой на монтаже повышает стоимость.

Фермы пролетом 30 м и более рекомендуется изготавливать из двух полуферм для обеспечения возможного транспортирования. На строительной площадке элементы соединяются стыком на сварке закладных деталей. Такие фермы дороже цельных на 15% и менее надежны в работе на динамическую нагрузку.

По способу изготовления различают фермы с закладной решеткой и фермы бетонируемые целиком. Последний вариант получил большее распространение.

В курсовом проекте применяем безраскосную арочную ферму бетонируемую целиком.

В фермах с закладной решеткой элементы решетки изготавливаются заранее в отдельных формах, затем их укладывают в общую форму, заводят в узлы на 30-50 мм, после чего бетонируют узлы и пояса. Этот способ позволяет изготавливать элементы решетки небольшого сечения и из бетона более низких классов.

Высота ферм всех типов в середине пролета принимается (1/6-1/10)∙L, где L – пролет ферм.

Ширина сечения верхнего пояса назначается из условия обеспечения устойчивости его из плоскости фермы при монтаже и перевозки, b в.п. =(1/70-1/80)∙L.

Ширина верхнего пояса также зависит от условия опирания плит. При шаге ферм 6 м ее принимают не менее 200 мм, при шаге 12 м – не менее 300 мм.

Ширина сечения нижнего пояса всегда принимается равной ширине сечения верхнего пояса.

Высота сечения верхнего пояса определяется расчетом на прочность, а нижнего пояса определяется условием размещения напрягаемой арматуры.

Размеры сечений сжатых элементов решетки определяются, ширина сечения элементов решетки принимается равной ширине сечения поясов, если ферма бетонируется целиком. Размеры сечений закладной решетки могут быть значительно меньше, но не менее 100 мм.

По данным о типовых конструкциях высота сечения верхнего и нижнего поясов принимается равной h в.п. =250-350 мм.

Фермы изготавливаются из бетона классов В30-В50.

Нижний пояс фермы предварительно напряженный, армируется высокопрочной арматурой – проволочной, канатной или стержневой. Натяжение арматуры обычно осуществляется на упоры. Чтобы предотвратить появление продольных трещин нижний пояс фермы армируется конструктивной поперечной арматурой диаметром 5-6 мм с шагом 500 мм. Эту арматуру объединяют обычной продольной арматурой в П-образные каркасы.

В верхних поясах, раскосах и стойках применяют сварные каркасы с продольной рабочей арматурой из горячекатаной стали периодического профиля классов А400 и А300.

Особое внимание при конструировании ферм следует обращать на армирование узлов. Для надежной передачи усилий от одного элемента к другому в узлах железобетонных ферм создают специальные уширения, их называют вутами. Они позволяют лучше разместить и заанкеровать арматуру решетки.

Узлы армируют окаймляющими цельногнутыми стержнями диаметром 10-18 мм и вертикальными стержнями диаметром 6-10 мм с шагом 100 мм, объединенными в сварные каркасы. В каждом узле фермы устанавливаются 2 плоских каркаса, которые объединяются в пространственные каркас узла. Арматуру элементов решетки заводят в узлы, растянутые стержни усиливают на конце анкерами в виде коротышей, петель, надежность заделки проверяется расчетом. Опорные узлы фермы армируются дополнительно продольной ненапрягаемой арматурой и поперечными стержнями, обеспечивающими надежность анкеровки напрягаемой растянутой арматуры нижнего пояса и прочность опорного узла по наклонным сечениям. Поперечную арматуру опорного узла объединяют контурным стержнем в плоский каркас, два таких каркаса образуют пространственный каркас узла. Чтобы предотвратить появление продольных трещин при отпуске-натяжении арматуры, устанавливают специальные поперечные стержни, приваренные к закладным опорным листам, и косвенную арматуру в виде сеток. Для предотвращения раскрытии трещин в месте сопряжения нижнего пояса с узлом ставят дополнительную сетку.

В курсовом проекте необходимо запроектировать безраскосную арочную ферму пролетом 30 м из бетона класса В30. Рабочая предварительно напряженная арматура нижнего пояса фермы выполнена из арматуры класса А600, рабочая ненапрягаемая арматура фермы – из арматуры класса А400.

Дуга верхнего пояса фермы имеет форму параболы и задается уравнением:

Статический расчет фермы выполняется на компьютере с применением ПК ЛИРА 9.4 (см. приложение Б).

Сбор нагрузок на ферму

На ферму действуют следующие нагрузки: постоянная нагрузка от собственного веса фермы, постоянная нагрузка от веса кровли и плит покрытия, кратковременная снеговая нагрузка на весь пролёт арки, кратковременная снеговая нагрузка на половину пролёта арки. Нагрузки прикладываются к узлам верхнего пояса:

От покрытия и собственного веса фермы

На промежуточные узлы;

на крайние узлы;

Временная снеговая на промежуточные узлы;

на крайние узлы.

Стропильные фермы служат для поддержания конструкций кровли и восприятия действующих на них нагрузок. Конструкции кровли вместе со стропильными фермами и связями образуют кровельное покрытие. Основное назначение кровельного покрытия заключается в защите помещения от атмосферных воздействий (снега, дождя, холода и т. п.). Стропильные фермы большей частью опираются на стальные или железобетонные колонны.

В промышленных сооружениях различают теплые и холодные кровли.

Теплые кровли состоят из несущих плит, утеплителя, асфальтовой стяжки и водоизоляционного ковра из рулонного материала — рубероида.

Различают два типа покрытия — с прогонами и беспрогонное. В первом типе покрытия в качестве несущих плит могут применяться стандартные сборные железобетонные плиты, армопенобетонные и армопеносиликатные плиты (совмещающие функции несущего элемента и утеплителя) и др.

Эти плиты укладываются на прогоны, которые опираются на стропильные фермы в узлах, передавая на них нагрузку. Наиболее распространенная длина плиты, определяющая панель фермы, равна 3 м.

Второй тип покрытия (беспрогонное), более распространенный, состоит из крупнопанельных железобетонных плит длиной 6 м, опирающихся непосредственно на верхние пояса стропильных ферм.

Плиты прикрепляются к поясу ферм путем приварки к нему уголков (коротышей), которые забетонированы в плиту. На крупнопанельные плиты также укладываются утеплитель (если они не выполняют одновременно и теплоизоляционных функций), стяжка и рубероидный ковер.

Холодные кровли применяются в горячих цехах и в холодных зданиях. Они осуществляются из волнистых асбестоцементных листов или, в отдельных случаях, из волнистой стали по прогонам. Наряду с этим холодные кровли можно устраивать по типу теплых с применением железобетонных плит, но без утеплителя.

Для обеспечения стока воды крыше придают уклон, который в основном зависит от материала кровли. Обычно уклоны кровли назначаются:

Уклон кровли, как правило, создают путем устройства наклонного верхнего пояса стропильных ферм.

Различают двускатные и односкатные кровли.

Прогоны бывают стальные (сплошные прокатные или решетчатые) и железобетонные. Прокатные прогоны из швеллеров или двутавров тяжелее решетчатых, но значительно проще и дешевле в производстве, чем и объясняется их преимущественное применение. Прокатные прогоны устанавливаются на наклонный верхний пояс ферм; будучи расположены под углом к плоскости действия усилия, они подвергаются косому изгибу.

Расчет прогонов производится на нагрузку от веса кровли и снега.

Эту нагрузку раскладывают на составляющие по главным осям сечения прогона: q x — нормально к скату, q y — вдоль ската (скатная составляющая); эти составляющие изгибают прогон в двух плоскостях.

Максимальные расчетные моменты соответственно равны:

Очевидно, что в крайних двух точках сечения прогона напряжения от одновременного действия М х и М у будут суммироваться. При этом суммарное напряжение не должно превышать расчетного сопротивления, умноженного на коэффициент условий работы:

Необходимо стремиться к тому, чтобы напряжение σ у было значительно меньше напряжения σ х, поскольку балочные профили имеют хорошо развитый момент инерции относительно оси х — х и сравнительно малый момент инерции относительно оси у — у.

Для уменьшения напряжения о от скатной составляющей прогоны обычно раскрепляют гяжами, поставленными в середине пролета в плоскости кровли и тем самым вдвое уменьшают значение l у. Тяжи облегчают выравнивание на монтаже линии прогонов, улучшая условия укладки железобетонных плит.

При косом изгибе учет развития пластических деформаций разрешается только для слагающей нагрузки, действующей в плоскости наибольшей жесткости, т. е. в плоскости наибольшего момента инерции.

Таким образом, рабочая формула для проверки напряжения в прокатном прогоне имеет вид

Кроме того, необходима также проверка прогиба прогона в плоскости его наибольшей жесткости.

Прикрепление прокатных прогонов к фермам осуществляется на черных болтах: швеллерных прогонов — при помощи уголковых коротышей, приваренных к поясу ферм или, как и двутавровых прогонов, — при помощи планок, привариваемых к прогонам снизу и прикрепляемых болтами непосредственно к верхнему поясу ферм.

Двутавровые прогоны могут также прикрепляться при помощи уголковых коротышей.

Решетчатые прогоны применяются с решеткой из круглой стали (прутковые прогоны). Прутковые прогоны можно устанавливать вертикально и наклонно, т. е. перпендикулярно поясу ферм (при уклонах кровли до 1:7).

Во всех случаях, а особенно при наклонном положении прогонов, необходимо раскреплять их связями в боковом направлении (как верхний, так и нижний пояс); связи могут быть из проволоки d = 6 мм.

Применение решетчатых прогонов особенно целесообразно при пролетах более 6 м.

На стропильных фермах часто располагают фонари, т. е конструкции, предназначенные для освещения помещений верхним светом и для естественной вентиляции (аэрации). Фонари для целей освещения делают в том случае, когда световой площади окон в стенах недостаточно 1 .

Фонари могут быть расположены вдоль здания (продольные фонари) и поперек здания (поперечные фонари). К конструкциям фонаря подвешиваются металлические оконные переплеты или жалюзи. Вся нагрузка от покрытия, состоящая из постоянной нагрузки и снега, передается на стропильные фермы либо через прогоны и фонари, либо непосредственно через крупнопанельные железобетонные плиты, причем предполагается, что нагрузки действуют строго в плоскости ферм.

В действительности этого нет, нагрузка прикладывается с некоторым эксцентриситетом, вызванным конструктивной необходимостью. Это обстоятельство, а также необходимость предотвращения продольного изгиба верхнего сжатого пояса ферм требуют устройства связей, не лежащих в плоскости фермы.

Связи устраивают: горизонтальные — в плоскости верхнего пояса, вертикальные — между фермами, располагая их по концам здания (или температурного блока); при этом образуются жесткие панели.

Промежуточные фермы присоединяются к жестким панелям прогонами или распорками. Вопрос об устройстве связей в промышленных зданиях рассмотрен в разделе .

1 Строительные нормы и правила (СНиП), II-B.4 и II-B.5.

«Проектирование стальных конструкций»,
К.К.Муханов

Железобетонные фермы применяют при пролетах 18, 24 и 30 м (редко 36 л); подразделяют их на сегментные, арочные, треугольные, трапециевидные и с параллельными поясами (рис. 64). В зависимости от способа изготовления фермы могут быть цельными, из полуферм, из блоков длиной 6 м и из отдельных элементов.

Сегментные, арочные и полигональные фермы предназначены для покрытий с рулонной кровлей, треугольные — под кровлю из асбестоце-ментных и металлических волнистых листов. Фермы с параллельными поясами применяют в зданиях с плоским покрытием под рулонную «сухую» или водонаполненную кровлю.
Во избежание большого уклона кровли в крайних панелях на опорах сегментных ферм предусматривают небольшие столбики для опира-ния панелей покрытия. Шаг ферм 6 и 12 л (редко 18 м).

Решетка ферм позволяет опирать панели шириной 1,5 и 3 м. При вне-узловом опирании панелей верхний пояс дополнительно армируют для воспринятая усилий от местного изгиба. Большинство скатных ферм имеет опорные узлы высотой 0,8 м.
Фермы изготовляют из бетона марок 300—500. Нижний пояс выполняют предварительно напряженным и армируют пучками из высокопрочной проволоки. Для армирования верхнего пояса, раскосов и стоек применяют сварные каркасы из горячекатаной стали периодического профиля. В фемах предусмотрены закладные элементы, аналогичные балкам.

Наиболее рациональными по распределению материала являются сегментные и арочные фермы, имеющие ломаный или криволинейный верхний пояс. По сравнению с другими в них меньшие усилия в элементах решетки и меньшие изгибающие моменты в верхнем поясе от внеузлового загружения, что позволяет делать решетку более редкой. Сегментные и арочные фермы имеют небольшую высоту на опоре, что позволяет уменьшить высоту стен; однако криволинейность верхнего пояса усложняет устройство опалубки и армирование.

Рис. 64. Железобетонные фермы покрытий:

Конфигурация верхнего пояса трапециевидных ферм проста, они взаимозаменяемы со стальными фермами. К недостаткам таких ферм относятся: сравнительно мощная решетка, большая высота на опоре, что требует устройства вертикальных связей между фермами в плоскости опорных стоек; эти фермы несколько тяжелее сегментных.
На фермы с параллельными поясами по сравнению с другими больше расходуется материалов, зато применяемая для их изготовления опалубка отличается простотой и меньшей трудоемкостью.

Крепят фермы к колоннам и к подстропильным конструкциям анкерными болтами и сваркой закладных опорных элементов (аналогично креплению железобетонных балок).