Опорная стойка фермы. Лекции

ГЛАВА VI

^ КОНСТРУИРОВАНИЕ ФЕРМ

1. Центрирование стержней в узлах

Стержни фермы центрируются в узлах, для чего оси стержней, проходящие через центры тяжести их сечений, должны пересе­каться в узле в одной точке (рис. 35,а). В этом случае стержни будут работать только на центральное сжатие или растяжение, как это принято в расчетной схеме фермы. Если центровка стерж­ней в узле нарушена, т. е. их оси не пересекаются в одной точке, возникает эксцентриситет приложения усилий (рис. 35,6) и пояс будет дополнительно изгибаться моментом М=N·e.

Расстояние z o несимметричных профилей (уголки, тавры), определяющее положение центра тяжести сечения, принимается по таблицам сортамента и для удобства изготовления фермы округляется до числа, кратного 5 (в мм). Это округление приво­дит к столь малым эксцентриситетам, что ими можно пренебречь. В случае изменения сечения пояса, выполненного из уголков или тавров, для выравнивания линии обушков, центрирование осуществляется по среднему значению z mt (рис. 35, в).

Рис. 35. Центрирование стержней фермы в узле

Возникающие при этом изгибающие моменты можно не учитывать, если смещение оси пояса не превышает 1,5% высоты его сечения.

В фермах из труб при бесфасоночном решении узлов (рис. 40) иногда приходится допускать эксцентричное креп­ление раскосов к поясу, чтобы торцы прикрепляемых элементов размещались независимо друг от друга, т. е. без пересечения. В этом случае разрешается не учитывать моменты, возникающие в узле, если величина эксцентриситета не превышает 1/5 диаметра трубы пояса.
^ 2. Конструирование и расчет промежуточных узлов ферм из уголков

Элементы фермы из парных уголков соединяются между со­бой в узле с помощью фасонки - листа, вводимого в зазоры между уголками.

Форма и размеры фасонки получаются в про­цессе конструирования узла, последовательность которого рас­смотрим на примере промежуточного узла нижнего поя­са (рис. 36). Вначале наносят оси стержней, пересекающиеся в одной точке - центре узла. Затем для каждого стержня от его оси откладывают расстояние от центра тяжести сечения до обуш­ков уголков z 0 а также - ширину и толщину полки уголка и через полученные точки проводят линии, параллельные оси стержня.

^ Рис. 36. Промежуточный узел нижнего пояса фермы из уголков

Уголки элементов решетки обрезают перпендикулярно оси с таким расчетом, чтобы в целях уменьшения сварочных на­пряжений в фасонке между краями элементов решетки и пояса оставался зазор не менее

а = 6 t - 20 мм, но не более 80 мм (t-тол­щина фасонки, мм).

Далее определяют необходимые длины сварных швов, крепя­щих элементы решетки к фасонке. Каждый уголок приваривается угловыми швами по обушку и перу. Усилия, действующие в элементе, распределяются между этими швами, как между опорами балки с пролетом, равным ширине полки уголка (рис. 36), и находятся по формулам:

, (23)

где N - усилие в элементе;

S 1 , S 2 - усилия в швах у обушка и пера уголков;

b - ширина полки уголка;

z 0 - расстояние от обушка до центра тяжести сечения.

Длины швов у обушка и пера определяются из условия проч­ности угловых швов:

(24)

Сварка обычно осуществляется полуавтоматами, что учиты­вается при расчете коэффициентом  f . Длина шва в соответствии с рекомендациями СНиП II-23-81* принимается не менее 40 мм. Наибольший и наимень­ший допустимый катет шва определяется требованиями СНиП II-23-81*. Кроме того, при назначении катета шва у пера прокатного уголка надо учитывать скругление края полки и принимать катет этого шва на 1-4 мм меньше толщины полки уголка (в зависимости от размеров уголка).

Полученные по формулам (24) длины швов откладываются от торцов уголков стержней решетки, сходящихся в узле. Для уменьшения концентрации напряжений СНиП II-23-81* требует выводить сварные швы на торец прикрепляемого элемента на длину 20 мм. Отложенные длины швов позволяют установить необходимые раз­меры фасонки. При конструировании фасовки надо стремиться, чтобы ее форма была как можно проще. С этой целью боковые стороны фасонки обычно делают перпендикулярными поясу. Снизу фасонка выпускается на 20-30 мм за уголки пояса для его при­варки.

Сварные швы, крепящие неразрезанный нижний пояс к фасонке, должны воспринимать усилие, передаваемое с фасонки на пояс, т. е. равнодействующую усилий в примыкающих элементах решетки. Очевидно, в силу равновесия узла эта равнодействующая равна разности усилий в смежных панелях пояса, т. е. N = N 2 – N 1 (рис. 32). Усилия, приходящиеся на швы у пера и обушка, определяют по формулам (23), заменив в них N на N. Длина швов по расчету обычно получается небольшой, но конструктивно они принимаются сплошными на всю ширину фасонки, так как СНиП II-23-81* запрещают применение прерывистых швов (они допускаются только для вспомогательных конструкций).

^ Рис. 37. Промежуточные узлы верхнего пояса фермы из уголков

Промежуточные узлы по верхнему поясу фермы имеют неко­торые особенности (рис. 37, а). Для обеспечения нормального опирания прогонов или плит покрытия фасонку не выводят за пределы пояса, а утапливают на 7-10 мм. Чтобы уголки не рас­ходились, зазор между ними заплавляют. Полученный при этом втопленный сварной шов не является расчетным, разрешается лишь считать, что он воспринимает узловую нагрузку F .

При таком подходе расчетные швы у перьев уголков должны воспринять разность усилий в смежных панелях верхнего пояса:

N = N 2 – N 1 .

Это усилие приложено с эксцентриситетом е = b -z 0 по отношению к швам, поэтому их надо рассчитывать на совмест­ное действие сдвигающей силы  N и изгибающего момента M =  N e :

(25)

В данной формуле:

;

Если швами у перьев воспринять усилие не удается, то можно сделать частичные выпуски фасонки за уголки пояса (рис. 33, а) и швы у обушков ввести в расчет. В этом случае сварные швы у обушков и перьев уголков рассчитываются по формулам (23) и (24) на равнодействующую сдвигающего усилия  N и узловой нагрузки F . При малом уклоне кровли эта равнодействующая с достаточной точностью может быть определена по формуле:

(26)

На рисунке 37,б показан промежуточный узел верхнего пояса, в котором к поясу примыкает только стойка. В этом случае форма фасонки принимается с учетом обеспечения плавного перехода силового потока со стойки на фасонку, для чего край фасонки должен отходить от уголков стойки под углом не менее 15 о. Это условие должно соблюдаться при конструировании фасонок во всех узлах фермы.
^ 3. Опорные узлы ферм из уголков

Фермы могут свободно опираться на стены, колонны, подстро­пильные фермы или жестко сопрягаться со стальными колоннами. При свободном опирании фермы на стену или железобетонную ко­лонну фасонка опорного узла выпускается вниз (рис. 38, а) и к ней привари­вается опорная плита. Для увеличения жесткости фасонки и лучшего распределения усилия на плиту к фасонке привариваются вертикальные ребра жесткости, проходящие через центр узла.

Площадь опорной плиты определяется из условия прочности основания при передаче опорной реакции фермы F :

(27)

где R f - расчетное сопротивление материала основания при мест­ном сжатии (смятии).

Сварные швы, крепящие плиту к фасонке и ребрам жесткости, также рассчитываются на передачу опорной реакции фермы:

(28)

Швы, которыми привариваются ребра жесткости к фасонке, рассчитываются на долю усилия F , передаваемую через швы, кре­пящие ребра к плите.

В опорной плите выполняются отверстия для анкерных болтов. Диаметр отверстий принимается равным 40-50 мм при диаметре анкерных болтов 20-24 мм, что позволяет компенсировать неточную установку анкеров. Отверстия в плите прикрываются квадрат­ными шайбами, которые после установки фермы в проектное поло­жение привариваются к плите.

На рисунке 38, б показано типовое решение свободного опирания стропильной фермы на стальную колонну. Опорная реакция фермы передается опорным ребром (фланцем), приваренным к фасонке нижнего узла фермы. Для равномерной передачи давления торец опорного ребра острагивается, а торец колонны под плитой ее ого­ловка фрезеруется.

Необходимая площадь сечения опорного ребра определяется из условия смятия его торца:

(29)

где А - площадь поперечного сечения ребра;

R p -расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности при наличии пригонки.

^ Рис. 38. Опорные узлы ферм:

1 – ребро жесткости; 2 – опорная стойка; 3 – ребро с овальными отверстиями;4 – ребро для крепления вертикальной связи; 5 – шайба
Сварные швы, крепящие опорное ребро к фасонке узла, рас­считываются на передачу опорной реакции фермы:

, (30)

где l  - расчетная длина сварного шва, равная высоте фасонки за вычетом 1 см.

Для фиксации положения узла на колонне опорное ребро соединяется болтами нормальной точности с опорной стойкой, ко­торая в свою очередь крепится болтами, а затем приваривается к оголовку колонны. С опорной стойкой через специальное ребро с овальными отверстиями соединяется болтами и фасонка верх­него узла фермы. Овальные отверстия допускают перемещение верхнего узла фермы относительно опорной стойки и тем самым обеспечивают свободное опирание фермы, т. е. без появления опорного момента. К ребрам опорной стойки крепятся также вер­тикальные связи.

Рассмотренное конструктивное решение опорных узлов типовых ферм является универсальным, так как позволяет опирать стро­пильные фермы не только на стальные колонны, но и на подстро­пильные фермы, а также на железобетонные колонны, если в их оголовке предусмотрена стальная опорная плита.
^ 4. Стыки поясов ферм из уголков

Для упрощения конструкции фермы желательно избегать уст­ройства стыков поясов, а выполнять их неразрезанными в узлах и, следовательно, постоянного сечения по длине, несмотря на изме­нения усилия в них от панели к панели. Однако по условиям перевозки фермы даже небольших пролетов (l  18 м) приходится членить на отправочные марки и поэтому требуется устраивать так называемые монтажные или укрупнительные стыки. Фермы пролетами до 36 м обычно делятся на две отправочные марки и в связи с этим укрупнительные стыки размещаются в середине пролета фермы.

Кроме укрупнительных, в фермах пролетами более 24 м делают также заводские стыки поясов. Их приходится выпол­нять, так как наибольшая нормальная длина проката составляет 13 м и получение уголков большей длины требует специального согласования. Заводские стыки поясов могут выполняться в узлах фермы и вне узлов. При устройстве стыка в узле целесообразно одновременно изменять сечение пояса, поэтому стыки следует делать в тех узлах, где значительно меняется усилие в поясе.

Стык поясов может осуществляться с помощью уголковых накладок того же сечения, что и стыкуемые элементы, или по­средством листовых накладок.

Конструкция заводского стыка пояса вне узла с уголковыми
накладками показана на рисунке 39, а. Для плотного прилегания
стыковых накладок к стыкуемым уголкам снимается фаска по
обушкам уголковых накладок, что несколько уменьшает их сечение.

^ Рис. 39. Заводской стык нижнего пояса фермы:

а – вне узла с уголковыми накладками; б – в узле с листовыми накладками
Однако это уменьшение сечения компенсируется прокладкой, которая вводится между стыкуемыми уголками.

Для создания стыка, равнопрочного соединяемым элементам, сварные швы, крепящие накладки к поясу, рассчитываются на усилие, равное несущей способности пояса, N = A· R y · c .

Необходи­мая длина шва по одну сторону от стыка находится в предполо­жении равномерного распределения усилия между четырьмя швами по формуле:

(31)

Прокладка приваривается конструктивными швами, катет которых принимается по таблице Приложения 7.

Недостатком стыка с уголковыми накладками является то, что при изменении сечения пояса толщина полок стыкуемых уголков должна быть одинаковой. Стыки же с листовыми накладками такого недостатка не имеют, поэтому они находят широкое при­менение.

На рисунке 39, б показан заводской стык нижнего пояса, выпол­ненный в узле. Горизонтальная полка каждого из поясных уголков перекрывается листовой накладкой, имеющей скос под углом 15°, что обеспечивает более равномерную передачу усилия по ширине полки уголка. Чтобы уменьшить сварочные напряжения в фасонке и накладках, между торцами стыкуемых поясных уголков следует оставлять зазор не менее 50 мм.

Фактическая работа стыка сложна, но расчет ведется по упро­щенной схеме. Неточность расчетной схемы косвенно учитывается увеличением усилий, действующих в поясе, на 20%.

Таким обра­зом, расчет стыка ведется на усилия, действующие соответственно слева и справа от узла: 1,2 N 1 и 1,2 N 2 .

Усилие с левых уголков передается на накладки через свар­ные швы Ш1 и на фасонку через швы Ш2 (рис. 39,6), которые соответственно, рассчитываются на усилия, приходящиеся на обушки и перья уголков (23):

Тогда длина этих швов определяется по формулам:

На правой половине накладок выполняются такие же швы, как на левой, т. е. длиной  l  1 .

Усилие с правых уголков перелается стыковыми накладками на левые утолки, а также швами Ш3 и Ш4 на узловую фасонку.

Швы Ш3 должны быть рассчитаны на восприятие усилия, прихо­дящегося на перья правых уголков:

Швы Ш4 должны воспринимать усилие:

т.е. оставшуюся часть усилия 1,2 N 2 , которая не передана стыковыми накладками и швами у перьев уголков.

Сечение стыковых накладок находится из условия прочности по усилию S 1 , переданному на них швами Ш1:

(32)

где t s - толщина накладки;

b s - ширина накладки, назначаемая конструктивно.
^ 5. Узлы ферм из труб

В фермах из труб рекомендуется выполнять бесфасоночные узлы с непосредственным примыканием элементов решетки к поясам (рис. 40). При таком решении, если осуществляется точное центрирование стержней в узле по их геометрическим осям, в зависимости от соотношения диаметров сопрягаемых труб и углов между ними может получиться, что подходящие раскосы либо не пересекаются между собой, либо имеют общий участок сварного шва, либо взаимно пересекаются. Последний случай нежелателен.

Рис. 40. Типовая ферма из круглых труб

Вопросы для самоконтроля

1. 
   С чего начинается конструирование узлов фермы.
2. 
   Какая часть поперечного сечения уголка называется пером, а какая – обушком.
3. 
   Как распределяются усилия, действующие в элементе, между сварными швами по перу и по обушку.
4. 
   Из какого условия определяется площадь опорной плиты, на которую опирается ферма.
5. 
   На какое усилие рассчитываются сварные швы, крепящие плиту к фасонке и ребрам жесткости.

^ ГЛАВА VII

КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

1. Задание на проектирование, состав и объем проекта

Целью курсового проектирования по дисциплине «Строительные конструкции» является закрепление студентами полученных теоретических знаний по расчету элементов конструкций. Тематика проектирования отвечает учебным задачам подготовки инженеров и увязана с решением практических вопросов конструирования элементов кровли.

При выполнении курсового проекта студент должен научиться пользоваться строительными нормами, ГОСТами, типовыми проектами, а также учебной, справочной и научной литературой. В проекте должны найти отражение требования стандартов единой системы конструкторской документации (ЕСКД).

В бланке задания (прил. 13) для курсового проекта указывается вид проектируемой фермы, генеральные размеры и тип кровли, район строительства, даются указания по выполнению проекта.

Выполненный проект должен состоять из:

• 
  расчетно-пояснительной записки (25 - 30 страниц формата А4); оформляется в соответствии со следующими требованиями: текст делится на разделы, подразделы и пункты; разделы должны иметь порядковую нумерацию в пределах всей записки и обозначаться арабскими цифрами, подразделы нумеруются арабскими цифрами в пределах каждого раздела, пункты нумеруются арабскими цифрами в пределах каждого подраздела; формулы, рисунки и таблицы должны иметь самостоятельную последовательную нумерацию в пределах раздела;
• 
  при ссылках на используемую литературу, рекомендованную в библиографическом списке, указывается номер источника, а также номера страниц, приложений, таблиц, пунктов указаний; написание текста записки четкое, соблюдая следующие размеры полей: левое - 20 мм, правое - 20 мм, верхнее и нижнее - 20 мм; страницы должны иметь сквозную нумерацию арабскими цифрами, проставляемыми в средине нижней части страницы; настоящие указания составлены с учетом требований и могут быть использованы студентом в качестве примера оформления пояснительной записки);
• 
  рабочих чертежей в стадии КМД, выполненных на листе ватмана формата А 2 в соответствии с требованиями .

^ 2. Указания к выполнению проекта

Указания составлены в той последовательности, которая рекомендуется при выполнении проектов. В примерах расчета рассматриваются варианты, наиболее характерные в практике проектирования. Студент, имея данный порядок расчетов и заключений, решает поэтапно конкретные задачи своего варианта.

^ 2.1. Определение расчетных нагрузок на ферму
На ферму действуют два вида нагрузок:

1. 
   постоянная от собственного веса конструкций покрытия;
2. 
   временная снеговая, которую можно отнести только к кратковременной с полным нормативным ее значением.

Пример 1.

Определить постоянную нагрузку от веса покрытия и временную снеговую нагрузку (для беспрогонного типа) при заданной конструкции кровли:

по фермам уложены крупнопанельные ж/б плиты размером 3х6 м; по плитам – утеплитель толщиной 10 см с удельным весом 6 кН/м 3 ; асфальтовая стяжка толщиной 20 мм с удельным весом 18 кН/м 3 ; гидроизоляционный ковер из 3-х слоев рубероида и защитного гравийно-битумного слоя. Собственная масса фермы и связей 0,35 кН/м 2 . Снеговой район – IV.
Решение. Величины расчетных нагрузок на 1 м 2 (горизонтальной проекции) площади покрытия от собственного веса конструкции удобно определять в табличной форме (табл. 7).

Таблица 7

н (кН/м 2)
р (кН/м 2)

№	Вид нагрузки	Коэффициент надежности по нагрузке g f
1	Защитный гравийно-битумный слой h=15мм	0,30	1,3	0,390
2	3-слойный гидроизоляционный ковер	0,15	1,3	0,195
3	Асфальтовая стяжка h=20мм	0,36	1,3	0,468
4	Утеплитель-пенобетон h=100мм, g=6,0кН/м 3	0,60	1,3	0,780
5	ж/б плита ПНС-4 0,3х3х6	1,27	1,1	1,4
6	Стропильная ферма	0,30	1,05	0,315
7	Связи	0,05	1,05	0,052
	Итого	3,03 кН/м 2		3,6 кН/м 2
8	Временная ^ -снег по всему покрытию	1,5	1,4	2,1
	Всего	4,53 кН/м 2		5,70 кН/м 2

На бумагу наносят схему узла: оси сходящихся в нем элемен-тов, затем контуры элементов, начиная с пояса (рис. ниже). С осевы-ми линиями схемы совмещают линии центров тяжести элементов.

При центрировании для нанесения контуров уголков (в фермах со стержнями из парных уголков) от осевых линий откладывают в сторону обушка уголка округленное до 5 мм расстояние Z 0 от цент-ра тяжести до обушка, определенное из сортамента. В противопо-ложном направлении от оси откладывают расстояние (b - Z 0). Ана-логично поступают и при сечениях другой формы. После нанесе-ния контура элементов показывают обрез уголков решетки так, чтобы в сварных узлах между краями пояса и элементов решетки оставал-ся зазор 40-50 мм для уменьшения вредного влияния усадки швов в фасонках (рис. ниже).

Центрирование узлов легких ферм

Такое же расстояние желательно соблюдать между краями со-седних элементов решетки в узлах и между краями (торцами) со-седних швов, крепящих накладки в стыках пояса. Обрез уголка, как правило, производят перпендикулярно к оси. Допустимо срезать часть полки уголка, но не далее начала закругления, что позволяет несколько уменьшить размер фасонки.

Приварку раскосов рекомендуется делать лишь фланговыми швами по обушку и перу, конструктивно выводя их на торец стерж-ня на длину 20 мм. Следует стремиться к наиболее простому очер-танию фасонки (прямоугольник, прямоугольная трапеция, паралле-лограмм и т. п.). Прикрепление фасонки к поясу, если в узле не уст-раивают стык пояса, должно быть рассчитано на равнодействующую усилий N всех элементов решетки, примыкающих непосредствен-но к узловой фасонке. При прямолинейном поясе эта равнодейству-ющая равна разности усилий в соседних панелях пояса (N = N 2 -N 1 рис. выше). Если к поясным уголкам в узле приложена сосредото-ченная нагрузка F (что имеется в верхних узлах стропильных ферм), то швы, прикрепляющие фасонку к поясу, рассчитывают на равно-действующее усилие от сосредоточенной нагрузки и разности уси-лий в соседних панелях. При нагрузке F, перпендикулярной поясу, равнодействующая

N = √N 2 -N 1 2 +F 2

Сварные швы наносят с двух сторон — со стороны обушка и пера — по всей длине примыкания фасонки к поясу. С этой целью край фасонки выводят наружу на 10-15 мм (рис. выше). Однако не всегда конструктивно удобно выпускать всю фасонку за грань пояса, например, при установке по верхнему поясу прогонов, прикрепляе-мых к уголковым коротышам (см. рис. выше), или накладок, на которые опираются железобетонные плиты (рис. ниже). В этом случае часть фасонки не доводят до обушка уголков на 10—15 мм. Таким образом, основными рабочими расчетными швами в этом случае будут швы, наложенные у пера. Обычная конструкция промежуточных сварных узлов (без стыка пояса) легких ферм со стержнями из парных угол-ков показана на рис. выше (верхний пояс) и рис. выше (нижний пояс).

При изменении сечений поясов необходимо осуществлять стык поясных уголков. Как правило, стык располагают в узле, при этом часть фасонки может быть использована в качестве стыкового элемента.

В случае применения в поясе ферм уголков с разной толщиной полок заводской стык поясов выполняют с помощью листовых на-кладок и фасонок (рис. ниже).

Стык поясов с помощью листовых накладок

Считают, что через накладки передается 70% усилия в стыке, остальные 30% — через фасонку, при этом в работу включается часть фасонки на ширине не более 2b (где b — ширина полки мень-шего уголка). Для включения фасонки в работу стыка ее продолжа-ют за узел. Обычно стык относят в сторону панели с меньшим уси-лием на 500 мм.

В фермах с поясами из тавров, полученных путем продольного роспуска широкополочных двутавров, и стержнях решетки из пар-ных уголков необходимо иметь узловые уширения, чтобы получить требуемую длину сварных швов. Для этого к стенке тавра стыко-вым швом прикрепляют фасонку (рис. ниже).

Узлы фермы с поясами из тавров и решеткой из парных уголков

Стыковой шов рассчитывают на срез от суммы расчетных уси-лий в примыкающих раскосах, спроектированных на ось пояса. За-водские стыки, как и в ферме из уголков, относят в сторону панели с меньшим усилием на 500 мм. Их выполняют с введением верти-кальных листовых вставок и горизонтальных накладок (рис. выше).

Стропильные фермы могут опираться на железобетонные колон-ны, кирпичные стены или элементы стального каркаса производствен-ных зданий — стальные колонны. Пример конструирования опорно-го узла фермы при опирании его на железобетонную колонну сверху показан на рис. ниже. Жесткое соединение стропильной фермы со стальной колонной каркаса здания показано на рис. ниже.

Опирание стропильной фермы на железобетонную колонну

а — трапециевидной; 6 — треугольной

Жесткое соединение фермы со стальной колонной

а — торец опорного ребра строгать; Н — распор

По транспортным условиям фермы больших пролетов (более 18 м) разбивают на отдельные отправочные элементы, назначая укрупнительные (монтажные) стыки в середине пролета. Как пра-вило, укрупнительные стыки осуществляют с помощью горизон-тальных и вертикальных листовых накладок. Горизонтальные накладки перекрывают поясные уголки и полку тавра, передавая 70% усилия в стыке, а вертикальные накладки стыкуют фасонки и стен-ки тавра, передавая 30% усилия в стыке. К вертикальным наклад-кам в фермах из уголков приваривают ребра для прикрепления связей. Аналогичные ребра в фермах с поясами из тавров при-крепляют к стойкам. В стыке верхнего пояса трапециевидной фер-мы горизонтальная накладка имеет перегиб. Примеры осуществ-ления узлов легких ферм с укрупнительными стыками представ-лены на рис. ниже.

Укрупнительные узлы поясов легких ферм

а — схема фермы; б— верхнего из тавров; в— нижнего из парных уголков

В стержнях, сечение которых составлено из двух уголков или каких-либо других профилей, необходима установка связующих про-кладок, обеспечивающих совместную работу профилей как едино-го сечения.

Все стыки рассчитывают на усилие, которое на 20% больше дей-ствительного. Это объясняется некоторой нечеткостью работы уз-лов со стыками. Вертикальные швы следует рассчитывать на со-вместное действие вертикального опорного давления и изгибаю-щего момента, вызванного внецентренным приложением продоль-ной силы относительно центра тяжести швов.

В гидротехнических затворах элементы связевых ферм часто принимают из сварных тавров. Это приводит к некоторым особен-ностям конструирования узлов.

В таких узлах для прикрепления стержней к фасонкам исполь-зуют одновременно стыковые и угловые фланговые сварные швы или одни стыковые швы. Пример осуществления узла плоского зат-вора показан на рис. ниже.

Узел плоского гидротехнического затвора

1,2 — продольные и поперечные связи

В случае прикрепления стержней двумя типами сварных швов стенка сварного тавра прикрепляется с помощью стыкового шва, а полка — четырьмя фланговыми швами, для чего в полке предвари-тельно делается прорезь на длину шва и шириной на 1 мм больше толщины фасонки.

1. Конструкция узлов ферм. Ось любого элемента считается совпадающей с положением его центра тяжести, округленным до 5 мм. Оси всех элементов, сходящихся в узле, должны пересекаться в одной точке - центре узла.

На 10.8 приведены промежуточные узлы при опирании на фермы прогонов. При оннраппи железобетонных панелей будут отсутствовать уголки для крепления прогонов, а вместо них, когда при шаге ферм 6 м толщина полок поясных уголков меньше 10 мм, а при шаге ферм 12 м меньше 14 мм. приваривают опорные листы толщиной 10 - 12 мм.

Чтобы уменьшить концентрацию напряжений, края элементов решетки не доводят до поясов на 40-50 мм (10.8, а).

2. Расчет прикреплений элементов решетки. Если в стержне решетки действует расчетное усилие N, а сечение состоит из двух уголков, то на каждый уголок приходится усилие Ni-0,5N. Это усилие должно быть воспринято сварными швами, прикрепляющими уголок к фасонке. Возможны два варианта: а) прикрепление только фланговыми швами (концы которых для снижения концентраций напряжений выводят на 20 мм на торец уголка); б) прикрепление лобовыми и фланговыми швами. В первом случае шов у обушка рассчитывают на усилие No6=aNi, а шов у пера на усилие /Vnepa= (1- а) N J (см. 7.5, б). Во втором случае определяют усилие, воспринимаемое лобовым швом аоставшаяся часть усилия распределяется между фланговыми швами: №6-a(Ni-Л"лоб) и дилера _ = (1-a)(N]-N лоб). Высоту шва принимают 4, 6, 8, 10, 12 мм. Высоту шва у пера часто принимают меньше, чем у обушка. В одной ферме желательно не применять более четырех швов различной высоты.

3. Расчет прикреплений поясов к фасонкам. Возможны три случая:

I. Пояс проходит через узел не прерываясь. Очевидно, что в этом случае швы, прикрепляющие пояс к фасонке, должны рассчитываться на разность усилий N=Nk+1-Nh (10.8, а).

II. В узле к поясу примыкает только стойка. В этом случае Nh+i-Nn=0, прикрепление стойки к фасонке п фасонки к поясу рассчитывают на усилие в стойке N - Nr (10.8,6).

III В узле устраивается стык: заводской или монтажный (10.8, в и 10.10,о). В этом случае конструктор обязан полноценно перекрыть стык (см. ниже, п. 5).

Прикреплять фасонки к поясам лучше с двух сторон: со стороны обушка и со стороны пера. Для этого фасонки выпускают за обушки уголков на 15-20 мм. Но в узлах верхнего пояса выступающая вверх часть фасонки мешает установке прогонов или плит. Поэтому в фасонке делают вырезы (см. 10.8, а) и это место не заваривают. В фермах под легкую нагрузку можно верхний край фасонки устроить ровным, расположить его на 5-10 мм ниже обушка и приваривать фасонку только к перу. Щель между уголками у обушков заполняют наплавленным металлом, но в расчет этот «шов» не принимают. При таком прикреплении в рабочем шве возникает дополнительный изгибающий момент. При расчете надо или учесть его, или снизить расчетное сопротивление шва на 20-25%. Швы, прикрепляющие

фасонки к поясам, работают слабо, и их обычно принимают высотой 6 мм.

4. Стыки поясов. Заводские стыки устраивают в фермах пролетом более 24 м из-за ограниченной длины проката. Стыки поясов можно размещать в узлах и панели. Чаще их располагают в узлах, чтобы часть фасонки использовать в качестве стыковой накладки (см. 10.8, в). Выступающие горизонтальные полки соединяемых уголков устраивают на одном уровне, что позволяет перекрыть их листовыми (или уголковыми) накладками. При этом возникает смещение центров тяжести поясов. Его можно не учитывать, если оно не превышает 5% высоты пояса.

При пролетах более 18 м ради удобств транспортирования в середине пролета устраивают монтажный стык. Желательно, чтобы обе полуфермы были полностью идентичными.

7. Конструкция опорного узла зависит от способа сопряжения фермы с колонной. При шарнирном опирании фермы на колонны конструкция опорного узла приведена на 10.9, а, а при жестком сопряжении фермы с колоннами (см. гл. II)- на 109,6. Вся опорная реакция передается через строганый торец опорного ребра толщиной 16-20 мм (выполненного в виде сварного тавра-фланца) на опорный столик колонны. Если фланец сделать толщиной 8-10 мм, а расстояние между

болтами принять большим (Ь- 160...200 мм), то сопряжение по 10.9,6 тоже можно считать шарнирным.

8. Связующие прокладки. В стержнях, сечение которых составлено из двух уголков (или двух каких-либо других профилей), должны быть поставлены связующие прокладки (10.10). Эти прокладки (их часто именуют «сухариками») предназначены для обеспечения совместной работы двух уголков как единого целого сечения. В сжатых элементах прокладки ставят на расстояниях, не превышающих 40t(, а в растянутых - 80/, (где i| - радиус инерции уголка или швеллера относительно оси, параллельной плоскости фасонки). При этом в сжатых элементах на длине, равной расчетной длине из плоскости фермы, необходимо ставить не менее двух прокладок.

9. Последовательность конструирования. До конструирования фермы необходимо подсчитать длины всех элементов с точностью до 1 мм. Делается это с по.мощью теоремы Пифагора и таблицы квадратов чисел (эти таблицы имеются в «Справочнике конструктора стальных конструкции» под ред. проф. Н. П. Мельникова, в «Справочнике разметчика» и др.). Например: если панель d=3000 мм, а высота фермы 2857 мм, то геометрическая длина раскоса heом = VWTh* = V 30002 + 28572 = /9 000 000 + 8 162 449 = = У 17 162 449 = 4143 мм.

1) в масштабе 1: 20 (или 1:25 или 1:30) на листе чертежной бумаги твердым карандашом вычерчивают геометрическую схему фермы в тонких линиях (которые представляют оси элементов);

2) около осей наносят контурные линии поясов и элементов решетки в масштабе 1: 10 (или 1: 15). При этом центр тяжести каждого элемента должен быть совмещен с его осью (положение центра тяжести округляют до 5 мм). Таким образом, все узлы вычерчивают в крупном масштабе, удобном для деталировки, а длинные однообразные участки стержней между узлами оказываются вычерченными с искажением продольного масштаба. Получается подробный и одновременно компактный чертеж;

3) иа концах каждого элемента решетки тонкими линиями рисуют швы, длина которых ранее была определена по расчету. При этом надо избегать скопления сварных швов, чтобы избежать концентраций напряжений (между швами должно быть не менее 40 мм);

4) в каждом узле рисуют фасонку, стремясь к тому, чтобы края се проходили поближе к концам сварных швов. Фасонки обязательно должны иметь простую форму (прямоугольника или трапеции, в крайнем случае многоугольника без входящих углов). При конструировании фасонок не следует очень скупиться на их размеры, особенно надо избегать скоплений швов;

5) имея вычерченные фасонки, окончательно уточняют расположение швов в прикреплениях раскосов, при этом швы часто приходится делать длинней, чем нужно по расчету;

6) конструируют опорный узел, стыки, расставляют связующие прокладки между уголками, проставляют все необходимые размеры, составляют спецификацию.

Конструирование клепаных ферм ведется также, только элементы центрируют по заклепочной риске и вместо сварных швов ставят заклепки.

Решение. 1. Ставим подкос а-б для уменьшения расчетной длины сжатого раскоса а-в и для придания жесткости элементу б-1 при транспортировании фермы. Стойку К-Л ставим для упрощения конструкции монтажного стыка полуферм.

Вопросы для самопроверки

1. Классифицируйте фермы по очертанию поясов и типу решетки.

2. Укажите характерные свойства ферм с различным"очертанием поясов.

3. Как решается вопрос о выборе высоты фермы?

4. Назовите две системы покрытий. Как рассчитываются прогоны?

5. Перечислите нагрузки, действующие на стропильные фермы.

6. Назовите два способа определения усилий в фермах.

7. Что такое шпренгели в фермах и когда они применяются?

8. Как определяется расчетная длина сжатых стержней ферм?

9. Укажите типы сечений из двух уголков, применяемые в фермах.

10. Как расстанавливаются связующие прокладки в элементах ферм?

11. Как рассчитываются прикрепления элементов решетки к фа- сонкам?

 

Узлы ферм сваривают вручную покрытыми электродами или механизированной дуговой сваркой в среде СОг сплошной либо порошковой проволокой. Сварку ведут в нижнем положении от края косынки к центру пересечений осей элементов фермы.  

Узлы фермы вырезаем в такой последовательности, при которой число неизвестных сил в рассматриваемом узле не превышает трех. Так же, как и при определении усилий в стержнях плоских ферм, все стержни фермы условимся считать растянутыми; знак минус у вычисленной реакции стержня покажет, что стержень сжат.  

Узлы фермы находятся в равновесии. Для каждого узла А, В, F составляем по два уравнения равновесия в проекциях на выбранные оси. Из шести уравнений находим шесть искомых усилий.  

Узлы фермы находятся в равновесии. Вырезаем узлы, заменяя действие стержней их реакциями. Реакцию незагруженного стержня направляем вдоль его оси. Используя правило знаков, согласно которому усилие растянутого стержня считается положительным, реакцию каждого стержня направляем из шарнира по направлению внешней нормали сечения стержня. Расчет начинаем с узла, к которому подходят три стержня с неизвестными усилиями.  

Узлы фермы считают шарнирными, а потому статическая неопределимость обуславливается наличием избыточных (лишних; стержней. Степень статической неопределимости может быть подсчитана как разность между имеющимся числом стержней и минимальным числом стержней, необходимым для образования геометрически неизменяемой фермы данной схемы.  

Узлы ферм, являющиеся местом сопряжения пересекающихся стержневых элементов решетки и поясов, нагружаемых осевыми усилиями различных знаков, по условиям своей работы являются наиболее ответственными местами всей конструкции и характеризуются достаточно сложным напряженным состоянием.  

Узлы ферм сваривают последовательно от середины к опорам, находящимся в более податливом состоянии, чем середина фермы.  

Узлы ферм усиливают пластинками из клееной фанеры толщиной 12 6 мм и накладками из полосовой стали. Стальной башмак соединяет верхний и нижний пояса фермы.  

Узлы ферм из открытых гнутых профилей во многих случаях также могут выполняться без фасонок.  

Узлы ферм часто конструируются с прокладками. Такие конструкции узлов следует применять, когда сечения элементов ферм состоят из парных элементов - уголков, расставленных с зазором друг относительно друга, достаточным для того, чтобы поместить в узле прокладку. Примеры конструкций узлов с прокладками приведены на фиг. Прочность швов, приваривающих прокладки к поясам, определяется таким же путем, как и швов, прикрепляющих надставки.  

1. Центрирование стержней в узлах

Стержни фермы центрируются в узлах, для чего оси стержней, проходящие через центры тяжести их сечений, должны пересе­каться в узле в одной точке (рис. 35,а). В этом случае стержни будут работать только на центральное сжатие или растяжение, как это принято в расчетной схеме фермы. Если центровка стерж­ней в узле нарушена, т. е. их оси не пересекаются в одной точке, возникает эксцентриситет приложения усилий (рис. 35,6) и пояс будет дополнительно изгибаться моментом М=N·e.

Расстояние z o несимметричных профилей (уголки, тавры), определяющее положение центра тяжести сечения, принимается по таблицам сортамента и для удобства изготовления фермы округляется до числа, кратного 5 (в мм). Это округление приво­дит к столь малым эксцентриситетам, что ими можно пренебречь. В случае изменения сечения пояса, выполненного из уголков или тавров, для выравнивания линии обушков, центрирование осуществляется по среднему значению z mt (рис. 35, в).

Рис. 35. Центрирование стержней фермы в узле

Возникающие при этом изгибающие моменты можно не учитывать, если смещение оси пояса не превышает 1,5% высоты его сечения.

В фермах из труб при бесфасоночном решении узлов (рис. 40) иногда приходится допускать эксцентричное креп­ление раскосов к поясу, чтобы торцы прикрепляемых элементов размещались независимо друг от друга, т. е. без пересечения. В этом случае разрешается не учитывать моменты, возникающие в узле, если величина эксцентриситета не превышает 1/5 диаметра трубы пояса.

2. Конструирование и расчет промежуточных узлов ферм из уголков

Элементы фермы из парных уголков соединяются между со­бой в узле с помощью фасонки - листа, вводимого в зазоры между уголками.

Форма и размеры фасонки получаются в про­цессе конструирования узла, последовательность которого рас­смотрим на примере промежуточного узла нижнего поя­са (рис. 36). Вначале наносят оси стержней, пересекающиеся в одной точке - центре узла. Затем для каждого стержня от его оси откладывают расстояние от центра тяжести сечения до обуш­ков уголков z 0 а также - ширину и толщину полки уголка и через полученные точки проводят линии, параллельные оси стержня.

Рис. 36. Промежуточный узел нижнего пояса фермы из уголков

Уголки элементов решетки обрезают перпендикулярно оси с таким расчетом, чтобы в целях уменьшения сварочных на­пряжений в фасонке между краями элементов решетки и пояса оставался зазор не менее

а = 6 t — 20 мм, но не более 80 мм (t-тол­щина фасонки, мм).

Далее определяют необходимые длины сварных швов, крепя­щих элементы решетки к фасонке. Каждый уголок приваривается угловыми швами по обушку и перу. Усилия, действующие в элементе, распределяются между этими швами, как между опорами балки с пролетом, равным ширине полки уголка (рис. 36), и находятся по формулам:

, (23)

где N - усилие в элементе;

S 1 , S 2 - усилия в швах у обушка и пера уголков;

b - ширина полки уголка;

z 0 - расстояние от обушка до центра тяжести сечения.

Длины швов у обушка и пера определяются из условия проч­ности угловых швов:

(24)

Сварка обычно осуществляется полуавтоматами, что учиты­вается при расчете коэффициентом  f . Длина шва в соответствии с рекомендациями СНиП II-23-81* принимается не менее 40 мм. Наибольший и наимень­ший допустимый катет шва определяется требованиями СНиП II-23-81*. Кроме того, при назначении катета шва у пера прокатного уголка надо учитывать скругление края полки и принимать катет этого шва на 1-4 мм меньше толщины полки уголка (в зависимости от размеров уголка).

Полученные по формулам (24) длины швов откладываются от торцов уголков стержней решетки, сходящихся в узле. Для уменьшения концентрации напряжений СНиП II-23-81* требует выводить сварные швы на торец прикрепляемого элемента на длину 20 мм. Отложенные длины швов позволяют установить необходимые раз­меры фасонки. При конструировании фасовки надо стремиться, чтобы ее форма была как можно проще. С этой целью боковые стороны фасонки обычно делают перпендикулярными поясу. Снизу фасонка выпускается на 20-30 мм за уголки пояса для его при­варки.

Сварные швы, крепящие неразрезанный нижний пояс к фасонке, должны воспринимать усилие, передаваемое с фасонки на пояс, т. е. равнодействующую усилий в примыкающих элементах решетки. Очевидно, в силу равновесия узла эта равнодействующая равна разности усилий в смежных панелях пояса, т. е. N = N 2 – N 1 (рис. 32). Усилия, приходящиеся на швы у пера и обушка, определяют по формулам (23), заменив в них N на N. Длина швов по расчету обычно получается небольшой, но конструктивно они принимаются сплошными на всю ширину фасонки, так как СНиП II-23-81* запрещают применение прерывистых швов (они допускаются только для вспомогательных конструкций).

Рис. 37. Промежуточные узлы верхнего пояса фермы из уголков

Промежуточные узлы по верхнему поясу фермы имеют неко­торые особенности (рис. 37, а). Для обеспечения нормального опирания прогонов или плит покрытия фасонку не выводят за пределы пояса, а утапливают на 7-10 мм. Чтобы уголки не рас­ходились, зазор между ними заплавляют. Полученный при этом втопленный сварной шов не является расчетным, разрешается лишь считать, что он воспринимает узловую нагрузку F .

При таком подходе расчетные швы у перьев уголков должны воспринять разность усилий в смежных панелях верхнего пояса:

N = N 2 – N 1 .

Это усилие приложено с эксцентриситетом е = b -z 0 по отношению к швам, поэтому их надо рассчитывать на совмест­ное действие сдвигающей силы  N и изгибающего момента M =  N e :

(25)

в данной формуле:

;

Если швами у перьев воспринять усилие не удается, то можно сделать частичные выпуски фасонки за уголки пояса (рис. 33, а) и швы у обушков ввести в расчет. В этом случае сварные швы у обушков и перьев уголков рассчитываются по формулам (23) и (24) на равнодействующую сдвигающего усилия  N и узловой нагрузки F . При малом уклоне кровли эта равнодействующая с достаточной точностью может быть определена по формуле:

(26)

На рисунке 37,б показан промежуточный узел верхнего пояса, в котором к поясу примыкает только стойка. В этом случае форма фасонки принимается с учетом обеспечения плавного перехода силового потока со стойки на фасонку, для чего край фасонки должен отходить от уголков стойки под углом не менее 15 о. Это условие должно соблюдаться при конструировании фасонок во всех узлах фермы.

3. Опорные узлы ферм из уголков

Фермы могут свободно опираться на стены, колонны, подстро­пильные фермы или жестко сопрягаться со стальными колоннами. При свободном опирании фермы на стену или железобетонную ко­лонну фасонка опорного узла выпускается вниз (рис. 38, а) и к ней привари­вается опорная плита. Для увеличения жесткости фасонки и лучшего распределения усилия на плиту к фасонке привариваются вертикальные ребра жесткости, проходящие через центр узла.

Площадь опорной плиты определяется из условия прочности основания при передаче опорной реакции фермы F :

(27)

где R f - расчетное сопротивление материала основания при мест­ном сжатии (смятии).

Сварные швы, крепящие плиту к фасонке и ребрам жесткости, также рассчитываются на передачу опорной реакции фермы:

(28)

Швы, которыми привариваются ребра жесткости к фасонке, рассчитываются на долю усилия F , передаваемую через швы, кре­пящие ребра к плите.

В опорной плите выполняются отверстия для анкерных болтов. Диаметр отверстий принимается равным 40-50 мм при диаметре анкерных болтов 20-24 мм, что позволяет компенсировать неточную установку анкеров. Отверстия в плите прикрываются квадрат­ными шайбами, которые после установки фермы в проектное поло­жение привариваются к плите.

На рисунке 38, б показано типовое решение свободного опирания стропильной фермы на стальную колонну. Опорная реакция фермы передается опорным ребром (фланцем), приваренным к фасонке нижнего узла фермы. Для равномерной передачи давления торец опорного ребра острагивается, а торец колонны под плитой ее ого­ловка фрезеруется.

Необходимая площадь сечения опорного ребра определяется из условия смятия его торца:

(29)

где А - площадь поперечного сечения ребра;

R p -расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности при наличии пригонки.

Рис. 38. Опорные узлы ферм:

1 – ребро жесткости; 2 – опорная стойка; 3 – ребро с овальными отверстиями;4 – ребро для крепления вертикальной связи; 5 – шайба

Сварные швы, крепящие опорное ребро к фасонке узла, рас­считываются на передачу опорной реакции фермы:

, (30)

где l  - расчетная длина сварного шва, равная высоте фасонки за вычетом 1 см.

Для фиксации положения узла на колонне опорное ребро соединяется болтами нормальной точности с опорной стойкой, ко­торая в свою очередь крепится болтами, а затем приваривается к оголовку колонны. С опорной стойкой через специальное ребро с овальными отверстиями соединяется болтами и фасонка верх­него узла фермы. Овальные отверстия допускают перемещение верхнего узла фермы относительно опорной стойки и тем самым обеспечивают свободное опирание фермы, т. е. без появления опорного момента. К ребрам опорной стойки крепятся также вер­тикальные связи.

Рассмотренное конструктивное решение опорных узлов типовых ферм является универсальным, так как позволяет опирать стро­пильные фермы не только на стальные колонны, но и на подстро­пильные фермы, а также на железобетонные колонны, если в их оголовке предусмотрена стальная опорная плита.

4. Стыки поясов ферм из уголков

Для упрощения конструкции фермы желательно избегать уст­ройства стыков поясов, а выполнять их неразрезанными в узлах и, следовательно, постоянного сечения по длине, несмотря на изме­нения усилия в них от панели к панели. Однако по условиям перевозки фермы даже небольших пролетов (l  18 м) приходится членить на отправочные марки и поэтому требуется устраивать так называемые монтажные или укрупнительные стыки. Фермы пролетами до 36 м обычно делятся на две отправочные марки и в связи с этим укрупнительные стыки размещаются в середине пролета фермы.

Кроме укрупнительных, в фермах пролетами более 24 м делают также заводские стыки поясов. Их приходится выпол­нять, так как наибольшая нормальная длина проката составляет 13 м и получение уголков большей длины требует специального согласования. Заводские стыки поясов могут выполняться в узлах фермы и вне узлов. При устройстве стыка в узле целесообразно одновременно изменять сечение пояса, поэтому стыки следует делать в тех узлах, где значительно меняется усилие в поясе.

Стык поясов может осуществляться с помощью уголковых накладок того же сечения, что и стыкуемые элементы, или по­средством листовых накладок.

Конструкция заводского стыка пояса вне узла с уголковыми
накладками показана на рисунке 39, а. Для плотного прилегания
стыковых накладок к стыкуемым уголкам снимается фаска по
обушкам уголковых накладок, что несколько уменьшает их сечение.

Рис. 39. Заводской стык нижнего пояса фермы:

а – вне узла с уголковыми накладками; б – в узле с листовыми накладками

Однако это уменьшение сечения компенсируется прокладкой, которая вводится между стыкуемыми уголками.

Для создания стыка, равнопрочного соединяемым элементам, сварные швы, крепящие накладки к поясу, рассчитываются на усилие, равное несущей способности пояса, N = A· R y · c .

Необходи­мая длина шва по одну сторону от стыка находится в предполо­жении равномерного распределения усилия между четырьмя швами по формуле:

(31)

Прокладка приваривается конструктивными швами, катет которых принимается по таблице Приложения 7.

Недостатком стыка с уголковыми накладками является то, что при изменении сечения пояса толщина полок стыкуемых уголков должна быть одинаковой. Стыки же с листовыми накладками такого недостатка не имеют, поэтому они находят широкое при­менение.

На рисунке 39, б показан заводской стык нижнего пояса, выпол­ненный в узле. Горизонтальная полка каждого из поясных уголков перекрывается листовой накладкой, имеющей скос под углом 15°, что обеспечивает более равномерную передачу усилия по ширине полки уголка. Чтобы уменьшить сварочные напряжения в фасонке и накладках, между торцами стыкуемых поясных уголков следует оставлять зазор не менее 50 мм.

Фактическая работа стыка сложна, но расчет ведется по упро­щенной схеме. Неточность расчетной схемы косвенно учитывается увеличением усилий, действующих в поясе, на 20%.

l  1 .

Усилие с правых уголков перелается стыковыми накладками на левые утолки, а также швами Ш3 и Ш4 на узловую фасонку.

Швы Ш3 должны быть рассчитаны на восприятие усилия, прихо­дящегося на перья правых уголков:

Швы Ш4 должны воспринимать усилие:

т.е. оставшуюся часть усилия 1,2 N 2 , которая не передана стыковыми накладками и швами у перьев уголков.

Сечение стыковых накладок находится из условия прочности по усилию S 1 , переданному на них швами Ш1:

(32)

где t s - толщина накладки;

b s - ширина накладки, назначаемая конструктивно.