Конструирование узлов металлических и деревянных ферм

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основные положения расчёта узлов металлической фермы на усилия, возникающие при их кантовке

Ферма - это система обычно прямолинейных стержней, которые соединяются между собой узлами. Это геометрически неизменяемая конструкция с шарнирными узлами (рассматриваются как шарнирные в первом приближении, так как жесткость узлов влияет на работу конструкции несущественно). За счет того, что стержни испытывают только растяжение либо сжатие, материал фермы используется более полно, чем в сплошной балке. Это делает такую систему экономичной по затратам материала, но трудоемки в изготовлении, поэтому при проектировании нужно учитывать, что целесообразность использования ферм растет прямо пропорционально ее пролёту. Фермы широко используются в промышленно-гражданском строительстве. Их применяют во многих строительных отраслях: покрытие зданий, мосты, опоры под линии электропередач, транспортные эстакады, грузоподъёмные краны и т.д.

При расчете металлических ферм конструирование узлов сварных ферм производят в следующей последовательности, соблюдая определённые правила:

1) Наносят геометрическую схему отправочного элемента металлической фермы в разбивочных осях. Масштаб схемы выбирают таким, чтобы можно было удобно разместить рабочий чертёж отправочного элемента на листе стандартного размера. Оси стержней в каждом узле должны сходиться в одной точке (центре узла). Геометрические длины элементов фермы (между центрами углов) определяются аналитически (обычно пользуясь таблицей квадратов чисел до 15000) с точностью до 1 мм.

2) Наносят «тело» элементов: вначале поясов, затем элементов решётки фермы, при этом разбивочная ось схемы должна совпадать примерно с нейтральной осью. В сварных фермах расстояние от обушка уголка ли кромки гнутого профиля до центрирующей в узлах риски принимают по данным сортамента, как расстояние до центра тяжести округлённо до 5 мм. Например, для равнополочного уголка 100Х8 z=2.75 см принимают Т=30 мм. В трубчатых элементах металлических ферм положение разбивочной оси должно совпадать с нейтральной осью трубы. Масштаб для «тела» элементов фермы выбирают более крупный, чем для геометрической схемы, например, 1:10, 1:15, 1:20, 1:25. При прикреплении элементов металлической фермы в узлах болтами (или заклёпками) разбивочные оси совмещают с рисками для размещения болтов (заклёпок).

3) При разработке конструкции ферм обрезы элементов решётки, во избежание значительной концентрации усадочных напряжений от сварки, распологают на расстояниях 40 - 50 мм до кромок поясов металлической фермы. Для достижения большей компактности узлов и уменьшения размеров фасонок в уголках с полками (обушками) шириной 90 мм и более, допускаются косые срезы.

4) При расчёте конструкции фермы, после выполнения пп. «А», «Б», «В» в узле наносят расчётные длины швов, прикрепляющих элементы решётки в узле, и очерчивают фасонку простейшей формы, без входящих уголков, соблюдая следующие правила: - фасонки должны изготавливаться прямыми срезами на ножницах, с минимальными отходами. - в местах креплений элементов решётки металлической фермы к узлам площадь сечения фасонки должна быть не менее расчетной площади прикрепляемого элемента. - сварные швы металлической фермы, прикрепляющие элементы решётки в узле, рекомендуется распологать так, чтобы центр этих швов совпадал с нейтральной осью прикрепляемого элемента, а если это по какой-то причине не соблюдено, то необходимо произвести расчётную проверку прикрепляющих швов с учётом момента, возникающего от эксцентрицитета прикрепления. - во избежание резкой концентрации сварочных напряжений в узле, крепление к фасонке следует конструировать по одному из вариантов рекомендуемых в справочной литературе. - швы, прикрепляющие узловую фасонку к поясу, при отсутствии в узле стыка поясных уголков, воспринимают разность усилий в примыкающих панелях пояса и расчетные размеры их обычно не велики. Однако во избежание резкой концентрации местных напряжений и коррозии между «шпонками» швов рекомендуется делать эти швы сплошными, с минимальным катетом.

5) В конструкции металлической фермы в каждом узле должны быть проставлены размеры в таком количестве, чтобы, пользуясь только ими (не прибегая к масштабу), было возможно изготовить натуральные шаблоны всех деталей. Размеры, которые нужно знать, следующие: - расстояние от центра узла до торцов (обрезов) элементов решётки («вычеты»). Они определяются по эскизам узлов, вычерченных отдельно от рабочего чертежа КМД в масштабе 1:1 - 1:2, величины «вычетов» назначают такими, чтобы конструктивные длины элемента имели размер, кратный 10 мм. - расстояние от центров узлов до обрезов фасонок. Их определяют по тем же эскизам узлов, в крупном масштабе. - размеры прикрепляющих швов указывают, округляя длину до 10 мм, например, сварной шов с катетом 6 мм, длиной 100 мм записывают 6-100. Не следует при расчёте металлической фермы назначать расчётные швы длиной менее 60 мм, а конструктивные - менее 40 мм. Для швов, прикрепляющих фасонки к поясу, в тех местах, где нет стыков пояса, проставляют только высоту катета, без указания длинны, которая по расчёту на разность усилий обычно значительно меньше конструктивной длины фасонки.

6) При расчёте металлической фермы в узлах, где предусмотрено опирание крупнопанельных железобетонных плит, при толщине поясных уголков 10 мм и менее (для шага металлических ферм 6 метров) и при толщине поясных уголков 14 мм и менее (для шага металлических ферм 12 метров) предусматривается усиление уголков пояса приваркой планок. Аналогичное усиление предусматривается в гнутых коробчатых профилях.

7) В конструкции металлической фермы для обеспечения совместной работы спаренных уголков между узлами в растянутых и сжатых элементах металлических ферм устанавливают соединительные планки «сухарики», шириной 40 - 60 мм, на расстояниях не более 40 Р1 для стяжных элементов и до 80 Р1 для растяжных элементов, где Р1 - радиус инерции отдельного уголка относительно «собственной» вертикальной оси. Так как фактические расстояния между планками в сварных металлических фермах могут иметь допустимые отклонения от проекта фермы в пределах 10-20 мм, в рабочих чертежах не следует указывать расстояния между соединительными планками, показывая только, что элемент должен иметь между фасонками 2, 3, 4 и т.д. планок, расположенных на равных расстояниях (р.р). В сжатых элементах конструкции металлических ферм предусматривают не менее двух планок, в растянутых - должна быть хотя бы одна планка между узлами.

2. Расчёт внецентренно-сжатых и сжато-изгибаемых элементов деревянных конструкций

ферма конструкция металлический деревянный

Сжато-изгибаемые и внецентренно-сжатые элементы работают одновременно на сжатие и изгиб. Так работают, например:

- сжатый верхний пояс фермы с межузловой нагрузкой - сжато-изгибаемый элемент;

- стержни, в которых сжимающее усилие действует с эксцентриситетом относительно оси - такие элементы называют внецентренно-сжатыми.

В сечениях сжато-изгибаемого элемента от продольной сжимающей силы N возникают равномерные сжимающие напряжения, а от изгибающего момента М - сжимающие и растягивающие напряжения изгиба.

Эти напряжения суммируются, благодаря чему сжимающие напряжения увеличиваются, а растягивающие уменьшаются.

1) Расчет на прочность внецентренно-сжатых и сжато-изгибаемых элементов выполняют по формуле:

здесь: N - продольная сила в расчетном сечении; A_расч - площадь рассматриваемого поперечного сечения нетто (ослабления, расположенные на участке длиной 20 см считаются совмещенными в одном сечении); W_расч - расчетный момент сопротивления рассматриваемого поперечного сечения, определяемый как для изгибаемого элемента (для элементов цельного сечения W_расч=W_нт); R_с - расчетное сопротивление древесины сжатию. M_д - изгибающий момент в расчетном сечении от действия поперечных и продольных нагрузок, определяемый из расчета по деформированной схеме.

При обычном расчете продольная сила не вызывает изгибающего момента в прямолинейном стержне. Если учесть, что поперечная нагрузка искривляет стержень, то появляются дополнительные момент M и прогиб f от действия продольной силы.

Появление дополнительного изгибающего момента от продольной сжимающей силы N в искривленном поперечной нагрузкой элементе учитывается коэффициентом о.

Для шарнирно-опертых элементов при симметричных эпюрах изгибающих моментов синусоидального, параболического, полигонального и близких к ним очертаний, а также для консольных элементов:

здесь: М - изгибающий момент в расчетном сечении без учета дополнительного момента от продольной силы; о - коэффициент, изменяющийся от 1 до 0, учитывающий дополнительный момент от продольной силы в искривленном элементе:

ц - коэффициент продольного изгиба для центрально-сжатых элементов.

В случаях когда в шарнирно опертых элементах эпюры изгибающих моментов имеют треугольное или прямоугольное очертание, коэффициент о умножается на поправочный коэффициент k_н

где б_н - коэффициент равный 1,22 при эпюрах М треугольного очертания (от сосредоточенной силы) и 0,81 при эпюрах прямоугольного очертания (от постоянного изгибающего момента).

Для элементов с переменной высотой сечения А_бр следует принимать для максимального по высоте сечения, а коэффициент ц умножать на коэффициент k_жN (табл.1 прил.4 СНиП «Деревянные конструкции»).

2) При отношении напряжений от изгиба к напряжениям от сжатия менее 0,1 сжато-изгибаемые элементы следует проверять также на устойчивость без учета изгибающего момента - как центрально-сжатые элементы.

3) Расчет на устойчивость плоской формы деформирования сжато-изгибаемых элементов следует производить по формуле:

здесь: А_бр - площадь сечения с максимальными размерами на участке Lp; Wбр - максимальный момент сопротивления на участке L_p; ц - коэффициент продольного изгиба (как для центрально- сжатых элементов); ц_м - коэффициент продольного изгиба (как для изгибаемых элементов); L_р - длина участка на котором проверяется устойчивость, определяется как для изгибаемого элемента n=2 - для элементов без закрепления растянутой зоны из плоскости деформирования, n=1 - для элементов, имеющих такие закрепления.

Рис.1 - Сжато-изгибаемый элемент: а - расчетная схема и эпюры изгибающих моментов; б - эпюры напряжений

Рис. 2 - Эпюры моментов в сжато-изгибаемом элементе: а - при обычном расчете; б - при расчете по деформированной схеме.

Рис. 3 - К определению дины расчетного участка при проверке устойчивости плоской формы деформирования

3. Конструктивные решения и основные положения расчёта металлодеревянных ферм с верхним поясом из криволинейных клееных деревянных элементов (сегментные фермы)

Деревянные фермы применяются, как правило, в статически определимых системах, как в отношении опорных закреплений, так и схемы решетки. Несущая способность статически определимых ферм зависит от прочности и устойчивости любого стержня, разрушение которого может вызвать потерю устойчивости и разрушение всей конструкции, вследствие этого к качеству материалов для изготовления ферм предъявляются повышенные требова-ния. Фермы проектируют с минимально возможным числом узлов. В современном строительстве применяются следующие типы ферм:

- трапециевидные и сегментные - под рулонную кровлю;

- треугольные - под кровлю из волнистых асбестоцементных листов, стальную, черепичную и другие подобные кровли с уклонами 1/3,1/4.

Пролеты ферм составляют: 9...21 м (45м) для треугольных и 12...30 м - для сегментных ферм. Шаг дощатых ферм в малоэтажном домостроении назначают от 0,5 до 2 м, шаг брусчатых и металлодеревянных ферм в покрытиях зданий - от 2 до 6 м. Высота треугольных ферм в середине пролета между осями поясов назначается 1/5 пролета - при деревянном нижнем поясе и 1/6 - при металлическом нижнем поясе. Для сегментных ферм высота h = 1/6l…1/8l. В треугольных и трапецие-видных брусчатых фермах стыки верхнего пояса конструируют в узлах или вблизи узлов простым лобовым упором. Стыки нижнего пояса уст-раивают в середине длины панели или в центральном узле и перекрывают парными накладками на нагелях. Наиболее рациональна треугольная ре-шетка. Элементы решетки ферм центрируются в узлах.

Нижним поясам ферм при изготовлении придается строительный подъем f_стр= 1/200 пролета. При определении усилий в элементах фермы искажение геометрического очертания ферм строительным подъемом не учитывается.

Особенности расчета ферм

Схемы приложения нагрузок на фермы показаны на рис. 5-7. Основными нагрузками при расчете ферм являются постоянные нагрузки (собственный вес покрытия и ферм, вес подвесного потолка) и временные (снеговая на всем пролете, снеговая на половине пролета). Ветровая на-грузка при расчете ферм не учитывается. Для упрощения расчета собст-венный вес ферм считается приложенным к верхнему поясу. В покрытиях с подвесным потолком половина собственного веса ферм относится к верхнему поясу, а половина - к нижнему. В фермах с подвесным потол-ком учитывается дополнительная полезная нормативная нагрузка на по-толке - 0,7 кПа. К деревянным фермам не рекомендуется подвешивать технологическое оборудование.

Статический расчет ферм обычно ведется по стандартным программам на ПЭВМ. При аналитическом статическом расчете все жесткие узлы ферм условно заменяются идеальными шарнирами. Нагрузка считается приложенной в узлах ферм. Определение опорных реакций производится в предположении, что одна опора неподвижная, а другая подвижная. Практически обе опоры конструируются неподвижными, и только при пролетах ферм более 30м одна из опор делается подвижной.

Расчетный изгибающий момент в опасном сечении верхнего пояса тре-угольных ферм при внеузловой нагрузке от покрытия определяется по формулам:

- при неразрезном верхнем поясе

M_расч = -ql_п²/8 + 0,5Ne

- при разрезном верхнем поясе

M_расч = ql_п²/8 - Ne_ср

Конструктивный расчет элементов ферм ведется по известным формулам расчета растянутых, сжатых и сжато-изгибаемых элементов. Расчетную длину сжатых элементов решетки принимают равной расстоянию между центрами узлов. Для разрезного верхнего пояса расчетная длина равна длине панели верхнего пояса. При неразрезном верхнем поясе расчетная длина для крайних панелей равна 0,8 длины панели, а для средних панелей - 0,65 длины панели. При расчете на устойчивость из плоскости расчетную длину верхнего пояса принимают равной расстоянию между распорками (связевыми фермами).

Передачу сжимающих усилий в верхнем поясе треугольных ферм при внеузловой нагрузке от покрытия рекомендуется обеспечивать с эксцентриситетом, создающим разгружающий момент, величина которого не должна превышать 25 % балочного момента. Если эксцентриситеты на концах элемента разные, то в расчет вводится среднее значение эксцен-триситета. При расчете узлов необходимо также учитывать местную кон-центрацию скалывающих напряжений.

Рис. 5 - Деревянные фермы: а - брусчатая на лобовых врубках; б - дощатая на МЗП типа «Гэнг-Нейл»; в - металлодеревянная типа МДФ; г - безраскосная ферма (металлодеревянная арка типа АМД); д - брусчатая с верхним поясом из балок Деревягина; е - трапециевидная брусчатая; ж - сегментная металлодеревянная с клееным верхним поясом; з - сегментная дощатая

Рис. 6 - Безраскосная металлодеревянная ферма (название по серии 1.860-6, вып. 1 - арка АМД): а - схема приложения нагрузок; б - общий вид фермы под расчетную нагрузку 12 кН/м

Рис. 7 - Сегментная металлодеревянная ферма с клееным деревянным верхним поясом

Размещено на Allbest.ru