Верхний узел фермы. Конструкции ферм из круглых труб

Общие указания

Центрирование элементов, сходящихся в узле. Конструирование узла начинают с того, что на бумагу наносят схему узла: оси сходящихся в нем элементов, затем контуры последних, начиная с пояса (рис. V-16). С осевыми линиями схемы совмещают линии центров тяжести элементов; это называется центрированием по центрам тяжести. При таком центрировании величина конструктивных эксцентриситетов в прикреплениях оказывается наименьшей. Размещение связей, прикрепляющих сходящиеся в узле элементы, должно быть таково, чтобы равнодействующая усилий каждого элемента проходила по линии его центров тяжести или возможно ближе к ней. Более подробно этот вопрос рассмотрен ниже.
В легких клепаных фермах для упрощения их изготовления принято с осевыми линиями схемы совмещать не линии центров тяжести уголков, а линии рисок (рис. V-16, е). При двухрядных уголках совмещают риски, ближайшие к обушку. Такое расположение уголков называют центрированием по рискам. Оно связано с допущением в элементах больших конструктивных эксцентриситетов, чем при центрировании по центрам тяжести.

При центрировании по центрам тяжести для нанесения контуров уголков от осевых линий откладывают в сторону обушка уголка округленное до 5 мм расстояние zц от центра тяжести до обушка, определенное по таблицам ГОСТ. В противоположном направлении от оси откладывают расстояние bуг-zц, или, что проще, от проведенной линии обушка откладывают полную ширину уголка bуг. Аналогично поступают и при сечениях другой формы.
Если прямолинейный пояс имеет по длине сечения разной высоты, и при этом наружные кромки его на всем протяжении должны лежать в одной плоскости (рис. V-17), то от оси схемы в сторону обушков уголков откладывают среднее расстояние до центра тяжести:

Смещение центров тяжести сечений поясов в стыках можно не учитывать в расчетах, если оно не превышает 5% высоты пояса в легких фермах и 1,5% - в тяжелых.
Если перемена сечения пояса совпадает с узлом на переломе осевой линии, то каждый примыкающий элемент располагают обычным порядком, то есть совмещая осевые линии с линиями центров тяжести.
Обрез уголков. После нанесения контура элементов показывают обрез уголков решетки так, чтобы в сварных узлах между краями пояса и элементов решетки оставался зазор 40-50 мм для уменьшения вредного влияния усадки швов (рис. V-16,а). Такое же расстояние желательно соблюдать между краями соседних элементов решетки в узлах и между краями (торцами) соседних швов, крепящих накладки в стыках пояса. Эти расстояния следует назначать в зависимости от высоты сварных швов и толщины прикрепляемых элементов.
В клепаных фермах между всеми элементами, сходящимися в узле, следует оставлять зазор 5-10 мм на возможную неточность резки уголков. Если стык в узле перекрыт накладками, зазор увеличивают до 15- 20 мм.

Для простоты производства работ рекомендуется обрезать торец уголка перпендикулярно к его оси (рис. V-18). Менее желательна, но допустима комбинация нормального обреза со срезом части полки, но не далее начала выкружки, что позволяет несколько уменьшить размер фасонки. Косой обрез по обушку не желателен, а такой, как на рисунке V-18, г, недопустим.
Изображение на чертеже средств соединения и очертания фасонок. Следующая операция по конструированию узлов заключается в нанесении связей, крепящих элементы к фасонке. Для этого предварительно определяют размеры швов, количество заклепок или болтов.
Следует помнить, что для размеров фасонных узловых вставок (фасонок) или приставок решающими являются размеры сварных швов у обушков уголков раскосов. Поэтому их делают по возможности большей высоты. По этой же причине заклепки в раскосах ставят наиболее плотно.
В зависимости от расположения связей у элементов решетки назначают очертание фасонок, стремясь к наиболее простому очертанию их (прямоугольник, прямоугольная трапеция, параллелограмм и т. п., рис. V-19,а-в). Входящие углы в фасонках (рис. V-19,д) недопустимы как по причине концентрации местных напряжений у таких углов, так и по причине производственных затруднений. Длинные и узкие, далеко выступающие части фасонки мало надежны и не рекомендуются к применению. Во избежание перенапряжений в фасонке кромка ее должна составлять с осью элемента угол а не менее 15° (рис. V-20). Точка пересечения примыкающего элемента с осью пояса (центр узла) должна лежать в пределах размещения связей. Площадь сечения фасонки, перпендикулярной к оси примыкающего элемента решетки, но вне пределов последнего, должна быть не менее площади сечения самого элемента (сечение 1-1).
Назначение толщины фасонок. На узловые фасонки в легких фермах расходуется стали 7-12% полного веса уголков, в конструкциях плоских затворов - до 15-18%. Существенное влияние на вес фасонок оказывает толщина их. Для экономии стали стремятся назначать тонкие фасонки. Однако не следует забывать, что фасонки испытывают большие местные напряжения под влиянием эксцентриситетов крепления элементов, усадки швов и других причин. Поэтому очень тонкие фасонки могут оказаться недостаточно прочными.

Расчет прочности фасонок с использованием обычных методов строительной механики совершенно не учитывает большого влияния местных напряжений на прочность фасонок, а при динамических нагрузках и на предел выносливости стали. В современной практике проектирования легких ферм прочность фасонок обеспечивают конструктивно: назначением надлежащего очертания и толщины фасонок в зависимости от величины наибольшего усилия в стержнях фермы (обычно крайние раскосы).
Например, Проектстальконструкция рекомендует следующие соотношения между величиной указанного усилия и толщиной фасонок стропильных ферм (табл. V-3).

При большой разнице между усилиями опорного раскоса и промежуточных допускается применять в одной ферме фасонки двух толщин - для крепления опорного раскоса и для крепления остальных раскосов и стоек.
При очень больших усилиях в крайних раскосах, малой высоте ферм на опорах и малой длине опорной панели иногда опорные раскосы заменяют сплошным листом, помещаемым между сжатым и растянутым поясом и опорно-концевой стойкой или балкой (например, в стропильных фермах - см. рис. V-21 - в затворах ГТС, в крановых мостах). Такой лист усиливают парным ребром жесткости, расположенным по оси замененного раскоса. Толщину фасонок в таком случае назначают по следующему большему усилию в раскосах.

В клепаных фермах толщину фасонок δф назначают из условия равнопрочности клепаных соединений на срез и смятие: δф = (0,6-0,7)d. Обычно принимают δф = 0,6d, где d - диаметр заклепок. Толщину фасонок связей назначают независимо от толщины фасонок основной фермы, с учетом наибольших усилий, передаваемых элементами связей на их фасонки. В стропильных покрытиях принимают толщину фасонок связей 8 мм.

Стыки поясных элементов

Стыки поясных элементов в легких фермах обычно совмещают с узлами. При конструировании стыков необходимо стремиться к тому, чтобы как прочность стыка, так и его жесткость в обоих направлениях были не ниже прочности и. жесткости, пояса вне стыка. Конструкция стыка должна обеспечивать наименьшие возможные отклонения силовых потоков и наименьшую концентрацию местных напряжений. В случае устройства стыка вне узлов его располагают на участке 1/4-1/5 длины панели от узла.
Количество стыков в поясах должно быть обосновано технической и экономической целесообразностью или технической необходимостью (например, ограничения в длине имеющегося на заводе проката). Количество стыков нужно доводить до минимума.
Качество швов в стык растянутых поясов должно быть проверено с использованием повышенных способов контроля. В противном случае швы элементов из листовой стали растянутого пояса следует делать косыми, а фасонного проката - в панелях с пониженными значениями усилий и напряжений. Во всех фермах заводские соединения поясных элементов в стык должны быть выполнены до крепления узлов.
В конструкциях, работающих под динамическими или вибрационными воздействиями, а также при резких колебаниях температуры, необходимо устранять концентрацию напряжений в месте стыка, например при разной толщине или ширине стыкуемых элементов полого скашивать один из них, строгать швы, начало и конец шва выводить на подкладки и т. п.

Монтажные и укрупнительные сварные стыки поясных элементов стропильных ферм обычно перекрывают накладками. В составном элементе накладки должны перекрывать каждую часть элемента. Часто при помощи накладок перекрывают и заводские стыки. Стыки поясов желательно выполнять без сборочных болтов, что упрощает изготовление ферм и уменьшает число отправочных марок. Кроме того, в растянутых поясах отверстия для сборочных болтов дают ослабления сечений.
Клепаные стыки и стыки на болтах всегда устраивают с накладками.
В легких фермах монтажные стыки поясных элементов перекрывают листовыми или уголковыми накладками (рис. V-22). Чтобы уголковые накладки плотно прилегали к поясу, их обушки строгают. Для стыков в узлах с переломом оси пояса накладки нужно изгибать. Уголковые накладки приходится гнуть в кузнице, то есть вводить новые производственные операции, что не желательно. Листовые накладки на полках, расположенных под углом друг к другу, следует располагать с такой стороны, чтобы в работе они прижимались к полкам, а не отрывались бы от них, например в сжатом узле, показанном на рисунке V-23, а, накладки следовало поставить на полки снизу, а в растянутом (рис. V-23,б) - сверху. Очертание накладок, их размеры и расположение в пространстве должны быть удобными для постановки связей. В сварных конструкциях нужно избегать потолочных швов, например швы I-I на рисунке V-22, в при сварке нижнего пояса в проектном положении фермы. Для удобства наложения швов и меньшего отклонения силовых потоков в стыке полки угловых накладок следует обрезать косо, отношение катетов 1:5 (рис. V-22,г). Обеспечить хороший провар между пером одного уголка и полкой второго очень трудно, почему в конструкциях, работающих под динамической нагрузкой, такие швы применять не следует.

В болтовых и клепаных стыках следует следить за тем, чтобы листовые накладки плотно прилегали к перекрываемым элементам, для чего каждую накладку желательно крепить двумя продольными рядами болтов или заклепок; в узких накладках с однорядным размещением заклепок следует увеличивать толщину, чтобы устранить изгиб их вследствие обжатия остывающими заклепками.

Расчет средств соединения в узлах и стыках

Расчет средств соединения, необходимых для крепления в узлах элементов решетки, ведут или по их максимальным усилиям, определенным из расчета фермы, или по несущей способности каждого прикрепляемого элемента.
Первый способ требует немного меньше средств соединения, чем второй. Его применяют в фермах, для которых в процессе их многолетней эксплуатации не предвидится резких изменений в расположении или в интенсивности расчетных нагрузок.
Второй способ - расчет по несущей способности - обеспечивает равную прочность прикрепляемого элемента и его крепления в узле и применяется в конструкциях, где в процессе эксплуатации возрастают нагрузки сверх предусмотренных расчетом или изменяется их расположение (мосты, в том числе и подкрановые, междуэтажные перекрытия ряда промышленных предприятий и т. п.). Этот способ следует применять в конструкциях, где максимальные усилия определены недостаточно достоверно из-за неопределенности ряда воздействий, например в затворах гидротехнических сооружений - гидродинамические воздействия, скручивание щита при опирании его на три точки и др.
Процесс наложения сварных швов настолько ускорен и удешевлен, что целесообразно во всех видах конструкций производить крепление элементов решетки по несущей способности последних. Это типизирует крепление уголков, что, в свою очередь, упрощает изготовление и проектирование ферм. Объем сварки от перехода на такой метод расчета креплений увеличится очень немного потому, что крепление многих уголков в узлах приходится делать по конструктивным соображениям больше, чем это требуется по расчету.
При очень малых усилиях в элементах решетки крепление их в узлах назначают конструктивно по допускаемым минимумам; например, расчетная длина флангового шва должна быть не менее 4 высот его и не менее 40 или 60 мм, а высота шва - не менее 4 или 6 мм; в клепаных фермах каждый конец элемента должен быть прикреплен не менее чем двумя заклепками.
При знакопеременной работе стержня крестового сечения концы уголков следует крепить угловыми швами, расположенными по контуру.
Крепление фасонки к поясу, если в узле не устраивают стык пояса, должно быть рассчитано на равнодействующую усилий всех элементов решетки, примыкающих непосредственно к узловой фасонке. При прямолинейном поясе эта равнодействующая равна разности усилий в соседних панелях пояса и противоположно направлена, что следует из статического равновесия сходящихся в узле элементов (рис. V-24).
Связи должны быть размещены равномерно на участке соприкасания фасонки с поясными уголками (при сварке с учетом несимметричности последних). Часто в этом случае размеры или количество фактически размещаемых связей определяют конструктивно, исходя из учета фактической длины фасонки и минимально допускаемой высоты шва или максимально допускаемого расстояния между заклепками (болтами).

Если непосредственно к поясным уголкам (рис. V-25,а), а не к фасонке (рис. V-25, б) приложены внешние нагрузки, Тогда связи между поясом и фасонкой должны передать от пояса на фасонку и эту нагрузку. В таких случаях связи рассчитывают на равнодействующую R разности усилий в соседних панелях прямолинейного пояса и внешней узловой нагрузки.
Если нагрузки передаются непосредственно на фасонку, например к последней прикреплены прогоны кровли или потолка (рис. V-25,б), то расчет крепления фасонки к поясу производят только на разность усилий в соседних панелях пояса.

Фасонку крепят к поясу угловыми швами, располагаемыми вдоль пера и обушка уголков. Для удобства укладки швов у обушков необходимо край фасонки выводить наружу на 15-30 мм (рис. V-26,а). Если на пояс опираются прогоны, то часть выступа фасонки в этом месте следует срезать. He следует крепить фасонки к поясу только швами у пера уголков (рис. V-26,в). Такое крепление создает момент не только в швах, но и в панелях пояса, ухудшая работу последнего. Величина этого момента M= (Nп-Nл)e (где е - расстояние от шва до центра тяжести сечения пояса) часто бывает больше момента, возникающего в стыках поясных элементов разной высоты. В узлах со слабо нагруженной решеткой швы у обушков можно устраивать погруженными (рис. V-26,б) в виде раздельных угловых швов или в виде прорези с предварительным скосом обушков уголков. Недостаток таких швов - трудность проверки их качества.

Расчет крепления накладок к стыкуемым поясным элементам в узлах без перелома оси пояса производят по меньшему из усилий в соседних панелях (Nл≤Nп), а при расчете связей по несущей способности элементов - по меньшему из примыкающих к узлу поясных элементов.
Требуемая площадь угловых швов для крепления всех накладок с одной стороны стыка

Крепление фасонки к поясному элементу с большим усилием должно быть рассчитано на разность усилий в соседних панелях пояса, например

а при расчете по несущей способности элементов - на разность несущих способностей примыкающих к узлу поясных элементов. Крепление к фасонке элементов пояса с меньшим усилием назначают конструктивно. Если непосредственно на уголки пояса действует внешняя узловая нагрузка, то расчет ведут на равнодействующую узловой нагрузки и разности усилий.
Если в узле со стыком меняется направление пояса, то распределение усилий между связями, крепящими стыковые накладки и фасонку к поясу, усложняется. Крепление фасонки к поясным уголкам и в этом случае должно быть рассчитано на равнодействующую усилий решетки и внешней узловой нагрузки, если последняя приложена непосредственно к поясам. Чтобы определить доли усилий, приходящихся на крепление левой и правой частей пояса к фасонке, следует равнодействующую разложить на две составляющих, направленных по осям пояса. Крепление накладок к поясам следует рассчитывать на геометрическую сумму полного усилия в панели пояса и указанной составляющей.

Узлы ферм с поясами из уголков

Обычная конструкция промежуточных сварных узлов (без стыка пояса) была показана ранее (на рис. V-16, а по нижнему поясу и на рис. V-25, а и V-26, а, б по верхнему поясу).
Узел со стыком растянутого пояса в месте изменения направления оси последнего показан далее на рисунке VII-24,б. В этом узле изменено и сечение пояса. Вертикальные полки уголков перекрыты узловой фасонкой, а горизонтальные полки - отдельными изогнутыми накладками.

Поперечные ребра служат одновременно для крепления поперечных связей и других примыкающих в узле элементов.
Примеры конструктивного оформления узлов типовой стропильной фермы пролетом 36 м под пологую кровлю по железобетонным плитам 3х12 м и с нагрузкой только по верхнему поясу, заимствованные из альбома «Стальные конструкции покрытий зданий пролетами 24, 30 и 36 м», серия ПК-01-125, выпуск II, Проектстальконструкция, 1965, приведены на рисунках V-27 и 28, а с плитами 3х6 м на рисунке V-29.

Пример конструктивного оформления узлов сварной стропильной фермы с крутым скатом и с подвесным потолком представлен на рисунке V-30.
Подробные указания о конструировании клепаных узлов приведены на рисунке V-31,а. Там же показаны варианты уменьшения размеров фасонок благодаря замене в левом, наиболее сильно нагруженном раскосе двух равнобоких уголков двумя неравнобокими уголками. Большие полки последних допускают размещение заклепок по двум рискам в шахматном порядке. Уменьшить размер фасонки можно постановкой коротышей у концов раскоса (рис. V-31,б). При этом первую заклепку между основными уголками и коротышами следует располагать ближе к середине стержня.

Узлы ферм с поясами таврового и других сечений

В фермах с тавровыми поясами элементы решетки можно приваривать непосредственно к вертикалу. Если последний для этой цели недостаточно широк, к нему в узле приваривают швом в стык с полным проваром узловую приставку такой же толщины, как вертикал пояса. Толщина приставок для крепления связей между фермами может быть меньше толщины поясного элемента.
Длину и ширину приставок назначают в зависимости от расположения швов в узле. Швы, соединяющие приставки с поясом, в местах расположения элементов решетки для плотного прилегания должны быть состроганы заподлицо.
Обычно боковые грани приставок обрезают под углом 45° к грани пояса, а в конструкциях, работающих под динамической нагрузкой, свободные стороны приставок скругляют, чтобы обеспечить наиболее плавный переход силовых потоков от приставки на пояс.
В особо ответственных фермах взамен приставок в узлах делают узловые вставки-компенсаторы, прерывая вертикал. Очертание вставок должно быть таким, чтобы силовые потоки плавно переходили с решетки на вставку и со вставки на пояс. Для этого свободные края вставки скругляют газовой резкой, а в местах примыкания к поясу - наждачным кругом или другим способом.

Горизонтал и вертикал тавровых сечений соединяют сплошными угловыми швами. Высоту этих швов при статической нагрузке назначают конструктивно в зависимости от толщины соединяемых элементов. Если в поясах есть изгибающие моменты (например, затворы ГТС), швы должны быть проверены на действие сдвигающей силы. При наличии подвижных нагрузок, перемещающихся по поясу (крановые и подкрановые мосты), швы, кроме того, следует проверить на давление сосредоточенного груза. В таких случаях горизонтал и вертикал поясов соединяют швом со сплошным проваром. Также сплошной провар необходим в швах, соединяющих горизонтал и вертикал в пределах узлов с сильно нагруженными элементами решетки. В таких швах значительны дополнительные силовые воздействия, не учитываемые в обычных расчетах узлов.

На рисунке V-32 показаны две крайние панели и узлы трапециевидной стропильной фермы с поясами и опорными раскосами из сварных тавров и решеткой из уголков. Опорный и крайний верхний узлы унифицированы. В первом промежуточном узле изменено сечение нижнего пояса и устроен стык его. В нем же для крепления стойки устроено местное уширение вертикала. Шов между приставкой и вертикалом для укладки уголков стойки должен быть состроган. В коньковом и среднем узлах по нижнему поясу сделаны уширения вертикала пояса (раздельные для каждой половины фермы) для возможности их перевозки. Стыки вертикалов перекрыты парными накладками, а горизонталов - односторонними. В центре узла поставлены поперечные фасонки для крепления вертикальных связей. В коньковом узле эти фасонки тщательно подогнаны к верхней накладке в месте ее изгиба. Стойки сделаны из двух уголков, расположенных крестом.
В фермах с элементами двустенчатого Н-образного сечения узлы осуществляют при помощи пары узловых фасонок вставок (рис. V-33,а) или пары узловых приставок (рис. V-33,6).
Узловые вставки делают такой же толщины, как и вертикалы пояса, иногда несколько толще, для компенсации перенапряжений, возникающих в пределах узла. Вертикалы сходящихся в узле элементов примыкают к вставкам под прямым углом к своей оси. Их приваривают швом в стык. Для повышения вибропрочности (если это требуется) свободные края фасонки закругляют газовой резкой и механической обработкой для плавного перехода силовых потоков. Для крепления связей между фермами к вертикалу пояса приваривают сплошным пропаром трапециевидную приставку, обычно на уровне горизонтала.

Осуществление узлов в конструкциях из труб сложнее, чем в фермах из плоских элементов. За 30-летний период применения трубчатых конструкций накопилось много способов выполнения узлов. Основные из них можно свести в следующие три группы.
1. Непосредственное примыкание элементов решетки к поясу (рис. V-34). Достоинство такого способа в отсутствии промежуточных (вспомогательных) элементов и экономия в расходе стали, хорошая работа при наличии крутящих моментов или моментов, действующих в двух плоскостях, простота герметизации внутренних пространств труб и др. Недостатки: необходимость точной резки труб и фигурной обработки их концов; концентрация швов на небольшом участке поясной трубы, особенно при пространственном примыкании элементов решетки (рис. V-34,б); невозможность подварки корня швов и трудность контроля последних; возможность деформаций тонких поясных труб, показанных на рисунке V-34, а.
Для уменьшения концентрации сварных швов в узле и упрощения обработки концов труб последние сплющивают (рис. V-34,в), а для уменьшения деформаций пояса к нему иногда приваривают штампованную накладку или ставят между раскосами листовую вставку (пунктир на рисунке V-34, а).
2. Примыкание элементов решетки к плоской фасонке, приваренной к поясу по образующей (рис. V-35, а) или, что редко бывает, по дуге окружности. В этом случае необходимо принимать меры по герметическому закрытию концов труб (окуполивание или постановка заглушек, сплющивание концов и др.). Возможна комбинированная конструкция узла: непосредственное примыкание сжатой стойки-распорки к поясу и примыкание раскосов (обычно предварительно напряженных) к листовым фасонкам.
3. Осуществление узлов при помощи объемных узловых вставок показано на рисунке V-36: вверху (а) - опорный узел стропильной фермы, удобный для монтажного фланцевого соединения на болтах с трубчатой стойкой; внизу - узел, осуществленный при помощи полой сферической вставки, особенно удобной при пространственном расположении соединяемых элементов. При массовом изготовлении сферических вставок осуществление узлов на них стоит не дороже, чем способами, описанными ранее. Толщину шаровой оболочки назначают около (1/20-1/30) диаметра шара и не менее толщины наиболее толстой трубы. Если расстояние между соседними трубами в свету менее пятикратной толщины их, то ближайшие участки труб на длине 30-50 мм не заваривают (рис. 36,б). Торцы труб приваривают или в стык со сплошным проваром, или угловыми равнобедренными швами высотой около 1,2 толщины трубы. Основное преимущество узлов с объемными вставками заключается в простоте обрезки труб - по нормали и в простоте общей конструкции узла.
4. Применение узловых цилиндрических вставок из обрезков труб с вваренными в них диафрагмами (рис. V-36, г) упрощает обработку концов труб, примыкающих к узлу. Эту обработку ведут цилиндрическими фрезами.
Стыки труб осуществляют на фланцах, или при помощи 4-8 пар накладок, соединяющих длинные ребра, приваренные к концам труб по образующим, или косым швом в стык (2:3).

1.1. Расчетная высота фермы в рассматриваемом сечении - это расстояние между центрами тяжести сечений верхнего и нижнего поясов.

Например, для прямоугольной фермы с расчетной высотой h = 50 см, верхний и нижний пояс которой изготовлен из квадратной профильной трубы сечением 50х50х2 мм, общая высота фермы составит примерно:

h об = 50 + 2.5 + 2.5 = 55 см (562.1)

Добавлю, что через центры тяжести сечений профиля проходят оси стержней .

1.2. Соединения в узлах ферм допускается рассматривать как шарнирные, если отношение высоты сечения к длине элементов h/l не превышает

1/15 - для климатических районов с расчетной темературой ниже -45°;

1/10 - для остальных климатических районов.

Общий смысл данного положения становится понятен после рассмотрения следующей иллюстрации:

Рисунок 562.1 . Определение расчетных длин стержней ферм

а) верхнего пояса, стоек и раскосов в плоскости фермы, б) верхнего пояса из плоскости фермы.

Т.е. не смотря на то, что например верхний пояс может изготавливаться из цельной трубы, при этом стойки и раскосы крепятся в узлах фермы сваркой, изменение положения оси стержней в результате продольного изгиба может происходить примерно так, как показано на рисунке 562.1.

Примечание : возможное положение оси раскоса при продольном изгибе верхнего пояса показано не правильно. Раскос будет выгибаться в другую сторону, но принципиального значения это не имеет.

В целом отношение h/l является косвенным показателем гибкости стержня. В данном случае под l подразумевается расчетная длина стержня, а для ее определения как раз и нужно знать как именно следует рассматривать соединения стержней в узлах: как шарнирные или с частичным защемлением.

Например, при квадратном сечении профиля в зависимости от толщины стенки радиус инерции может достигать значения 0.39h. В этом случае гибкость стержня составит:

λ = l/0.39h = 15/0.39 = 38.5 (562.2.1)

Стержень с такой гибкостью на мой взгляд уже является достаточно жестким и влияет на общую работу фермы, так как может создавать дополнительный изгибающий момент в узле (об этом чуть ниже), при этом для более теплых климатических районов ограничение по гибкости еще меньше и составляет

λ = l/0.39h = 10/0.39 = 25.6 (562.2.2)

Таким образом данное положение, закрепленное в действующих нормативных документах, позволяет значительно упростить расчет ферм, при этом появляется некоторый запас прочности. И только если конструируется ферма с достаточно большой жесткостью стержней (что в малоэтажном частном строительстве маловероятно), то:

1.3. Если h/l больше указанных в п.1.2, то при расчете следует учитывать дополнительные изгибающие моменты от жесткости узлов фермы

При этом нормальные напряжения (осевые усилия) в стержнях разрешается определять по шарнирной схеме (согласно п.1.2), а учет жесткости (дополнительные изгибающие моменты) допускается выполнять приближенными методами.

К сожалению в СНиП II-23-81* "Стальные конструкции" не указывается, какими именно приближенными методами при этом можно пользоваться. А в СП 16.13330.2011, который является актуализированной редакцией вышеуказанного СНиПа вообще осталась только формулировка п.1.3 без упоминания о приближенных методах, поэтому попробую пояснить, как следует трактовать этот пункт в моем понимании.

Когда мы рассматривали плоские рамы , то выяснили, что при действии вертикально приложенной нагрузки промежуточные стойки многопролетных рам изменяют значение изгибающего момента слева и справа от стойки, при этом некоторую часть момента принимают на себя. По большому счету, если учитывать жесткость в узлах, то ферма - это и есть плоская рама, только достаточно сложная, так как к верхнему или нижнему поясу может примыкать до трех стержней (два раскоса и одна стойка).

С учетом большого количества стержней в ферме даже приблизительное определение моментов в узлах фермы - достаточно сложная задача в результате решения которой напряжения в одних стержнях могут увеличиться на 5-8% (как правило это стойки и(или) раскосы), а в других стержнях уменьшиться на 3-10%.

Соответственно, если принять дополнительный коэффициент надежности по нагрузке γ н = 1.1, то без решения этой сложной задачи при расчете фермы можно обойтись.

1.4. Если нагрузки приложены не только в узлах фермы, то расчет поясов фермы следует производить с учетом совместного действия продольных усилий и изгибающих моментов.

Например, на верхний пояс фермы может опираться обрешетка с шагом значительно меньшим, чем расстояние между узлами фермы. Или на нижний пояс фермы могут опираться балки перекрытия также с шагом значительно меньшим, чем расстояние между узлами фермы.

Кроме этого на все стержни фермы действует распределенная нагрузка - собственный вес стержней. Тем не менее, формулировка данного пункта, позволяет не производить расчет стержней фермы на действие распределенной нагрузки от собственного веса, а приводить ее к сосредоточенной в узлах фермы. Это также значительно упрощает расчет ферм.

Если например на сжатый верхний пояс действует только равномерно распределенная нагрузка от покрытия, то поперечный прогиб может гораздо больше влиять на положение нейтральной оси верхнего пояса. При этом между промежуточными узлами верхний пояс будет ближе к балке с жестким защемлением на опорах, чем к шарнирно опертой балке, соответственно расчетная длина стержней верхнего пояса может быть меньше, и в итоге прочность больше, а кроме того будут возникать моменты на опорах - в узлах фермы.

С одной стороны формулировка п.1.4 в таких случаях рекомендует выполнять расчет с учетом этих моментов, хотя нет прямого указания на то, что следует учитывать моменты на опорах, а не в пролете. С другой стороны в п.1.2-1.3 нет никаких дополнительных указаний на то, что при подобном варианте приложения нагрузки соединения в узлах следует рассматривать не как шарнирные.

На мой взгляд это означает, что даже при таком варианте загружения фермы расчет можно вести по упрощенной шарнирной схеме, а значит с дополнительным запасом по прочности.

1.5. Расчетные длины стержней фермы и связей из ГСП

Сразу скажу, если нет желания или возможности вникать в тонкости определения расчетной длины стержней, то просто принимайте расчетную длину равной расстоянию между центрами тяжести узлов рассматриваемого сжатого стержня. Так оно будет проще и надежней, при этом времени на расчетах сэкономится много. Тем не менее продолжим.

1.5.1. Расчетные длины l ef в плоскости фермы сжатых элементов (верхних поясов, опорных раскосов и опорных стоек) следует принимать равными расстоянию между центрами тяжести узлов (см. рис. 562.1.а)):

l ef = l (562.3.1)

1.5.2. Для других элементов решетки:

l ef = 0.9l (562.3.2)

1.5.3. Расчетные длины l ef1 из плоскости фермы сжатых элементов и связей (рис.526.1.б):

l ef1 = l 1 (562.3.3)

1.5.4. Для других элементов решетки из плоскости фермы:

l ef1 = 0.9l 1 (562.3.4)

Такой подход к определению расчетной длины означает, что мы рассматриваем сопряжения в узлах, как шарнирные, согласно п.1.2.

Тем не менее в некоторых случаях значение расчетной длины стержней верхнего пояса в плоскости и из плоскости фермы может быть меньше.

1.5.5. Если верхний пояс фермы является неразрезным стержнем постоянного по длине сечения, на участках которого приложены разные по значению сжимающие или растягивающие усилия, например N 1 и N 2 , при числе участков равной длины k≥2 и исходя из шарнирного закрепления элементов решетки и связей (см. рис.562.2) расчетные длины участков верхнего пояса допускается определять:

В плоскости фермы по формуле:

l ef = (0.17а 3 + 0.83)l ≥ 0.8l (562.3.5)

Рисунок 562.2 . Схемы для определения расчетной длины элементов верхнего пояса плоской фермы

Где а = N 2 /N 1 , при этом 1≥ а ≥ - 0.55. В данном случае знак "-" означает, что одно из рассматриваемых продольных усилий будет растягивающим, а второе - сжимающим.

Общий физический смысл формулы (562.3.5) сводится к тому, что чем меньше значение продольного сжимающего усилия действующего на рассматриваемый стержень, тем меньше значение прогиба, возникающего в результате продольного изгиба. А так как мы рассматриваем неразрезной стержень верхнего пояса, то получается что менее загруженный соседний стержень влияет на работу более загруженного стержня.

При этом прогиб более загруженного стержня уменьшается, а прогиб менее нагруженного увеличивается. И чем больше разница усилий тем это влияние может быть больше, особенно если в одном из стержней действует не сжимающее, а растягивающее продольное усилие. Тем не менее принимать расчетную длину стержней верхнего пояса меньше 0.8l не следует, даже если при расчете по формуле (562.3.5) получено меньшее значение.

1.5.6. Из плоскости фермы:

l ef1 = l 1 ≥ 0.5l 1 (562.3.6)

где β = (ΣN - N 1)/N 1 - отношение суммы усилий на рассматриваемых участках длины l 1 (рис. 562.2) за исключением максимального усилия к максимальному усилию. При этом (k - 1) ≥ β ≥ - 0.5. При определении параметра β растягивающие усилия в стержнях принимаются со знаком "-".

1.5.7. Расчетные длины растянутых нижних поясов определяются в зависимости от расположения связей из плоскости фермы или принимаются равными расстоянию между опорами фермы, если связи из плоскости фермы отсутствуют.

1.6. Фермы длиной более 36 м следует изготавливать со строительным подъемом, равным величине прогиба от постоянной и длительной нагрузок

Кроме того, фермы для плоских кровель изготавливаются со строительным подъемом вне зависимости от длины, при этом величина строительного подъема принимается равной прогибу от суммарной нормативной нагрузки + l/200. В данном случае l - длина пролета фермы.

2. Центрирование стержней

Соблюдение требований данного раздела позволяет не только упростить расчет, но сэкономить металл при изготовлении ферм.

2.1. Конструирование узлов выполняется так, чтобы оси стержней во всех узлах по возможности пересекались в одной точке.

Это называется центрированием осей и может выглядеть примерно так:

Рисунок 562.3 . Узлы фермы из труб прямоугольного или квадратного сечения.

Данная иллюстрация взята мной из учебника В.К.Файбишенко "Металлические конструкции". На ней помимо пересечения осей стержней в одной точке мы также можем видеть, что ферма, особенно большой длины, может изготавливаться не цельной, а собираться из двух полуферм. И хотя в малоэтажном частном строительстве длина ферм редко превышает 10-12 м, делать такие фермы составными никто не запрещает. Правда это потребует дополнительного расчета монтажных стыков.

А вообще необходимость в сборных фермах возникает только тогда, когда фермы изготавливаются вдали от строительной площадки, поэтому транспортировка цельных ферм длиной более 18 метров может быть проблематичной.

В целом это положение более правильно рассматривать как рекомендацию, а не как правило, поэтому оно и не выделено в отдельный пункт.

2.2. Центрирование допускается выполнять с округлением до 5 мм

Смысл данного общего требования, содержащегося в нормативных документах и учебных пособиях, состоит в том, что при современном уровне производства добиться абсолютной точности при изготовлении ферм невозможно. К тому же чем больше размеры сечения центрируемого стержня, тем меньше в итоге будет влияние неточного центрирования (об этом чуть позже).

Поэтому для удобства изготовления ферм допускается изготавливать стержни с размерами, кратными 5 мм. При этом максимальное отклонение осей от центра тяжести (точки пересечения) будет составлять не более 2.5 мм.

Однако в малоэтажном частном строительстве, когда фермы могут изготавливаться из профильной трубы 20х20х2 мм и даже меньшего сечения, пользоваться этим допущением, на мой взгляд - не желательно. В таких случаях следует или добиваться большей точности при изготовлении ферм или выполнять расчет фермы с учетом следующего пункта:

2.3. Расчет стержней ферм при наличии эксцентриситетов следует производить с учетом возникающих при этом изгибающих моментов

Расцентровка осей будет приводить к тому, что продольные усилия будут действовать в стержнях фермы с эксцентриситетом. Например, при отклонении оси рассматриваемого стержня от центра тяжести узла на 2.5 мм эксцентриситет как раз и будет составлять е = 2.5 мм. Соответственно на этот стержень в узле будет действовать не только продольное усилие, но и изгибающий момент:

М = eN (562.4)

Формально этот пункт можно рассматривать, как дополнение к п.1.4.

3. Сварные швы

Приводимые ниже рекомендации не являются обязательными, во всяком случае в действующих нормативных документах они в таком виде не содержатся. Тем не менее соблюдение этих рекомендаций позволит значительно упростить не только расчет но и изготовление ферм.

3.1. Узловые соединения ферм из ГСП выполняются как правило без фасонок

При этом элементы решетки фермы привариваются непосредственно к поясам.

3.2. Ширина профилей решетки может быть немного меньше ширины пояса в рассматриваемом узле

Это позволяет значительно повысить качество сварочных работ, используя только угловые швы. Если разница ширины профиля решетки и пояса значительная, то может потребоваться проверка на прочность стенки пояса.

3.3. Если прочности стенки пояса не достаточно, то для усиления стенки пояса может использоваться накладка

При этом накладка приваривается к поясу, а элементы решетки - к накладке.

3.4. Если длины сварных швов при креплении одного из элементов решетки не достаточно, то следует использовать фасонку

В этом случае скорее всего потребуется и накладка на пояс и торцовые заглушки для элементов решетки. Торцовые заглушки необходимы не из соображений прочности, а для обеспечения герметичности пространства внутри профилей и соответственно снижения риска коррозии металла. Из этих соображений торцовые заглушки делаются в начале и конце поясов фермы. На рисунке 562.3 показаны заглушки, которые одновременно используются для крепления к неким колоннам.

Узловые соединения трубчатых элементов ферм выполняют без фасонок с герметизацией внутренних полостей замкнутых профилей от влаги и пыли, способствующих коррозии. Для этого открытые торцы поясов должны иметь заглушки с плотными внешними швами, а торцы раскосов решетки вырезают без или со снятием кромок для обеспечения плотности сварных швов. При отсутствии оборудования для фигурной резки торцов труб, фермы могут быть изготовлены со сплющиванием концов стержней решетки (рис. 2.1, а) или фасонкой (рис. 1, б).

Рис. 1. Узлы трубчатых ферм: а — из труб, содержащих сплющенные концы; б — на фасонке

В типичных фермах (рис. 2) раскосы приваривают к самому поясу с соблюдением зазора между кромками смежных элементов решетки не менее 20 мм. Если при этом узловые эксцентриситеты окажутся размещенными с одной стороны от оси пояса и не превышают 0,1D, то допускается не учитывать узловые моменты, которые возникают. В противном случае необходимо уточнять расчетные усилия за счет наличия узловых моментов.

Рис. 2. Узлы типовой трубчатой фермы: а, б — опоры; в, г, д — промежуточные; е, ж – монтажные

Стойки решетки, как правило, выполняют с предварительно сплющенными и обрезанными соответствующим образом торцами. Торец, примыкающей к верхнему поясу, сплющивается перпендикулярно к его оси и имеет полукруглый вырез диаметром, равным диаметра трубы пояса (рис. 2, д). Крепление стойки осуществляется сваркой, при этом крайняя кромка стойки размещается выше оси пояса. В узле нижнего пояса, где примыкают раскосы, утолщение торца стойки выполняют параллельно оси пояса, а его крайнюю кромку не доводят до края поясной трубы примерно на 10-20 мм (рис.2, г). Далее выполняют приварку стойки к стенкам раскосов, для чего в части, сплющенная, предусматривают наклонные резы, параллельные осям раскосов.

При наличии обработки кромок трубчатого раскоса, сварной шов, закрепляющий его до пояса, рассматривают как стыковой. В местах передачи на верхний пояс сосредоточенных сил от несущих элементов кровли предусматривают опорные столики с фигурными срезами нижнего торца и с горизонтальным резом верхнего торца(Для приварки опорной плиты).

Варьируя высотой столиков,можно обеспечить необходимый уклон кровли.

Расчет узлов, состоящих из трубчатого пояса и элементов заключается в проверке на местный изгиб (смятие) стенки пояса и прочности трубчатых элементов решетки.Монтажный стык верхнего пояса ферм из труб осуществляют на фланцах, а нижнего — на подкладном кольце (рис. 2, есть, ж). Подкладное кольцо представляет собой отрезок трубы диаметром, равным внутреннему диаметру пояса, который стыкуется. Подкладное кольцо забивают в поясной элемент одной полуфермы на половину его длины, равной 40-50 мм. Конец кольца служит для присоединения элемента другой полуфермы. После стыковки, шов на подкладном кольце заваривают, стык перекрывают накладками, конфигурация которых обеспечивает необходимую длину швов, определяя ее по формуле. По типовому проекту предусмотрено свободное опирания ферм на колонну (рис. 2, а, б).

Изготовление конструкций ферм. Классификация ферм.

Материал, способ изготовления, стыковки элементов и конструкция ферм подбираются в зависимости от эксплуатационных требований к конечному сооружению. Элементами конструкции ферм являются пояс, т.е. контур фермы, и решетка из раскосов и стоек.

Изготовление металлических ферм выполняется в несколько этапов: стыковка уголков с поперечным сечением, которые используются для изготовления верхнего пояса фермы, выполняется по их меньшей стороне; при изготовлении нижнего пояса используются равнобокие уголки; парные швеллеры применяются в случае переноса нагрузки фермы на панель; уголки с равными сторонами с тавровым или крестообразным сечением используют при изготовлении стоек и раскосов; полностью сварные металлические стропильные конструкции изготавливают, применяя тавровое сечение.

При изготовлении такой системы, как металлические фермы – гост и его соблюдение -обязательное требование. Стропильные фермы для стальных конструкций кровли имеют длинные пролеты. Изготавливаются металлические фермы пролетом 12 м, некоторые- до 30 м.

Фермы имеют разную конструкцию в зависимости от назначения, нагрузок и классифицируются по различным признакам:

по статической схеме – балочные (разрезные, неразрезные, консольные); арочные, рамные, комбинированные. а – балочная разрезная; б – неразрезная; в,е – консольная; г – арочная; д – рамная; ж – комбинированная.

по очертанию поясов – с параллельными поясами, трапециевидные, треугольные, полигональные, сегментные. а – сегментное; б – полигональное; в – трапецеидальное; г – с параллельными поясами; д-и - треугольное

по системе решетки – треугольная, раскосная, крестовая, ромбическая и др. а – треугольная; б – треугольная с дополнительными стойками; в – раскосная с восходящими раскосами; г – раскосная с нисходящими раскосами; д – шпренгельная; е – крестовая; ж – перекрестная; и – ромбическая; к - полу раскосная.

по способу соединения элементов в узлах – сварные, клепанные, болтовые;

по величине максимального усилия – легкие – одностенчатые с сечениями из прокатных профилей (усилие N 300кН) и тяжелые – двухступенчатые с элементами составного сечения (N > 300кН).

Конструктивные требования к узлам металлических ферма из уголков и квадратных труб.

А) Фермы с элементами из парных уголков проектируют с узловыми фасонками, которые размещают между поясными уголками. Очертание фасонок определяется схемой узла и длиной швов, или количеством болтов, крепящих стержни решетки. Форма фасонкам должна быть простой для удобства их изготовления и сокращения отходов металла. Торцы стержней решетки обрезают перпендикулярно их осей, однако в уголках шириной полок более 90 мм допускают косые резы. Для снижения концентрации сварочных напряжений, в торце уголков решетки не доводят до кромок поясов. Такие же расстояния нужно соблюдать и между соседними элементами решетки в узле. Элементы решетки приваривают к фасонкам двумя фланговыми. Прикреплять фасонки к поясным уголкам лучше с двух сторон - со стороны обушка и пера, так как в противном случае поясные уголки легко могут отогнуться в результате случайных причин (например, при транспортировке). Для обеспечения передачи равнодействующей усилий, воспринимаемых каждым из двух швов, к центру узла (вдоль оси стержня) угловые швы распределяют по обушку и перу обратно пропорционально их расстояниям до оси элемента. Прогоны крепят к поясам ферм через упоры из уголков. При их монтаже, перепад верха смежных прогонов должен превышать 20 мм, что достигается листовыми подкладками соответствующей толщины.

Б) Основные конструкционные элементы ферм из труб могут быть представлены верхним и нижним поясами, а также раскосами и стойками. Пояса в таких фермах образуют контуры, а наличие раскосов и стоек необходимо для обустройства решётки. Узловые соединения всех элементов конструкции базируются на непосредственном примыкании элементов друг к другу или основаны на использовании специальных узловых фасонок. Все элементы металлических ферм необходимо центрировать по осевому направлению от центра тяжести, что позволяет снизить узловые моменты и обеспечить работу стержней на основные осевые усилия. Трубчатые стальные фермы сваривают обычно встык без фасонок. Фермы из труб экономичны по расходу материала, менее трудоемки по изготовлению и имеют меньшую массу.

3. Конструктивные требования при изготовлении узлов металлических ферм из квадратных труб.

Чтобы конструкция в итоге отличалась прочностью, высоким качеством эксплуатационных свойств, важно производить ее изготовление с соблюдением четкой последовательности необходимых действий. Сопряжения элементов ферм рекомендуется выполнять бесфасоночными. Бесфасоночные узлы, состоящие из пояса и примыкающих к нему элементов решетки, проверяются следующими расчетами: а)на продавливание (вырывание) участка горизонтальной стенки трубы пояса, контактирующего с элементом решетки; б)на несущую способность участка вертикальной стенки трубы пояса в месте примыкания сжатого элемента решетки; в)на прочность элементов решетки в зоне примыкания к поясу; г)на прочность сварных швов, прикрепляющих элементы решетки к поясу. При расчете ферм из прямоугольных труб различают два типа узлов. К первому типу относятся узлы, при отношении c/d 0,25 и при угле наклона раскосов а в интервале 40...50°. Ко второму типу относятся узлы, но при отношении c/d > 0,25, а также узлы (угол наклона равен 90°). Только после завершения сборки конструкции с помощью прихваток можно выполнять сварку (ручную или автоматическую), после которой необходимо зачистить все швы. В заключении конструкция полностью подлежит обработке специальным антикоррозийным составом и покраске. Несущая способность фермы напрямую зависит от ее высоты, и это важно помнить при создании проекта и выполнении чертежей узловых соединений. Трубы из металлопрофиля – наиболее легкий, экономичный и наименее затратный вариант создания конструкций, обладающих высокой прочностью, поэтому именно они стали оптимальным средством для создания стропильных систем больших и малых размеров.