металлические конструкции. металлы шпоры. 1. Фермы. Характеристика, классификация, компоновка и типы сечений ферм
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
1.Фермы. Характеристика, классификация, компоновка и типы сечений ферм. Фермами называются решетчатые конструкции, работающие, как и балки, на изгиб. Фермы состоят из верхнего и нижнего поясов, соединенных между собой решеткой из раскосов и стоек. Расстояние между узлами решетки фермы называется панелью, расстояние между ее опорами — пролетом. Разнообразие областей применения и конструктивных решений ферм позволяет классифицировать их по различным признакам: 1. по назначению — фермы мостов, покрытий (стропильные и подстропильные), транспортных эстакад, грузоподъемных кранов, гидротехнических затворов и других сооружений; 2. по очертанию поясов — фермы с параллельными поясами, полигональные, арочные и треугольные. Очертание поясов зависит главным образом от назначения фермы и принятой конструктивной схемы всего сооружения; 3. по системе решетки — фермы с треугольной решеткой и треугольной с дополнительными стойками, фермы с раскосной, шпренгельной решеткой и решетками специальных типов: крестовой, ромбической, полураскосной. Система решетки зависит от схемы приложения нагрузок и специальных требований к ферме. Наиболее проста треугольная решетка. Дополнительные стойки ставят в тех случаях, когда в месте их расположения прикладываются сосредоточенные силы или когда необходимо уменьшить длину панели верхнего, сжатого пояса. 2.Стропильные фермы. Конструкции покрытий. В конструкциях покрытий наибольшее распространение получили два конструктивных решения: с применением продольных прогонов и без них. В первом случае по стропильным фермам укладывают с шагом 1,5 или 3 м легкие несущие элементы — прогоны, на которые опираются мелкоразмерные кровельные плиты (рис. 2); во втором — непосредственно на фермы кладут крупноразмерные плиты или панели, совмещающие функции прогонов и плит. Покрытие по прогонам Наиболее простыми прогонами являются балки из прокатных швеллеров или двутавров (при шаге стропильных ферм 6 м). Прогоны устанавливают на верхний пояс фермы в ее узлах. Сплошные прогоны, расположенные на скате кровли, работают на изгиб в двух плоскостях. Верхний пояс прогонов работает на сжатие с изгибом, остальные элементы испытывают продольные усилия. Беспрогонное покрытие Для беспрогонного покрытия широкое распространение получили различного вида крупнопанельные унифицированные железобетонные плиты шириной 1,5 и 3 м и длиной 6 и 12 м. Высота плит при пролете 6 м равна 300 мм, при пролете 12 м — 450 мм. Недостатком крупнопанельных железобетонных плит является их большой собственный вес, что приводит к утяжелению несущих конструкций здания (ферм, колонн, фундаментов). 3.Стропильные фермы. Схемы стропильных ферм. Схемы стропильных ферм, применяемые в покрытиях зданий, могут быть достаточно разнообразными. В зависимости от конструкции кровли назначается ее уклон. При применении для кровли волнистых асбестоцементных, стальных или алюминиевых листов, чтобы предотвратить протекание воды между швами листов, ее уклон должен быть не менее 1/7 для металлических кровель и 1/4 для асбестоцементных. В случае рулонных или стальных кровель ( = 3—4 мм) с заварными швами уклон может быть меньше 1/8—1/12. Широкое применение находят кровли с уклоном 1,5%, которые обычно проектируют с рулонным покрытием и защитой тонким слоем мелкозернистого гравия на битумных мастиках. Тип решетки ферм определяется конструкцией покрытия, а также наличием нагрузок, приложенных к нижнему поясу (подвесные потолки, коммуникации, подвесной транспорт и т. д.). Обычно размер панели фермы кратен 3 м. При выборе схемы стропильных ферм учитывают также архитектурные соображения. 4.Расчет ферм. Определение нагрузок. Основными нагрузками на стропильные фермы являются: постоянные нагрузки от веса кровли и собственного веса несущих конструкций покрытия; нагрузка от снега; прочие нагрузки, которые иногда прикладываются к фермам (подвесной транспорт, воздействие рамных моментов при жестком защемлении фермы на опорах и др. Постоянные нагрузки от веса кровли, собственного веса металлических конструкций стропильных ферм, связей по покрытию принимаются равномерно распределенными. Вес 1 м 2 горизонтальной проекции постоянной нагрузки определяют по формуле: 𝑞 = 𝑞ф cos 𝛼 ,где q ф — фактический вес кровельной конструкции на 1 м 2 ; - угол наклона кровли к горизонту. Расчетная нагрузка на ферму определяется по формуле: 𝑞 р = 𝑞𝐵, где В — шаг стропильных ферм. Величину нормативной снеговой нагрузки на 1 м 2 определяем по формуле: 𝑆 𝑛 = 𝑆 0 ∙ 𝜇, где S 0 – вес снегового покрова (из СП; 𝜇 - коэффициент, зависящий от конфигурации кровли. Если есть какие-либо дополнительные нагрузки на ферму, их принимают в соответствии с заданием на проектирование. Эти нагрузки следует прикладывать к узлам фермы в виде сосредоточенных сил. 5.Расчет ферм. Определение усилий в стержнях фермы. Усилия в стержнях фермы определяют графическим или аналитическим способом. емкость изготовления фермы. В фермах с наклонными и параллельными поясами расчетные усилия достаточно просто можно определить аналитическим способом. При построении диаграмм усилий или определении усилий аналитическим путем размеры схемы фермы должны приниматься по центрам тяжести сечений. При работе ферм с элементами из уголков или тавров принимается допущение, что все стержни соединены в узлах шарнирно, оси всех стержней прямолинейны, расположены в одной плоскости и пересекаются в узле в одной точке. 6.Расчет ферм. Расчетные длины стержней ферм. Стержни ферм работают на продольные усилия сжатия или растяжения. Несущая способность сжатого стержня (определяемая потерей устойчивости) зависит от его расчетной длины: 𝑙 р = 𝜇𝑙, где — коэффициент, зависящий от способа закрепления концов стержня; l — геометрическая длина стержня (расстояние между центрами узлов). Так, как заранее не известно, выпучится ли стержень в момент потери устойчивости в направлении, лежащем в плоскости фермы, или в направлении, перпендикулярном плоскости фермы (из плоскости фермы), то необходимо знать расчетные длины и проверить устойчивость стержней в обоих направлениях. Прочность растянутых стержней не зависит от их длины, однако слишком длинные и тонкие растянутые стержни могут провисать под воздействием собственного веса, а также колебаться от других воздействий. Поэтому гибкость растянутых элементов ферм ограничена нормами и, следовательно, для ее определения также необходимо знать расчетные длины растянутых стержней в плоскости и из плоскости фермы. Расчетные длины всех стержней фермы в ее плоскости принимаются равными расстоянию между центрами узлов , за исключением промежуточных раскосов и стоек, примыкающих к растянутому поясу. Растягивающее усилие в нижнем поясе препятствует повороту нижнего узла, поэтому стержни решетки имеют схему с шарнирным опиранием вверху и частичным защемлением внизу и их расчетная длина принимается равной 0,8 геометрической длины (расстояния между центрами узлов). Заметим, что к опорному раскосу растянутый нижний пояс подходит только с одной стороны, что не обеспечивает защемления узла, поэтому его расчетная длина принимается равной геометрической длине. Все раскосы и стойки в направлении из плоскости фермы имеют расчетную длину, равную расстоянию между центрами узлов, так как небольшая жесткость поясов на кручение и гибкость узловых фасонок приближают работу этих стержней к схеме с шарнирным опиранием концов. 7.Конструирование и расчет узлов и деталей ферм. Геометрическая схема фермы и центрация узлов. Осевые линии стержней фермы образуют ее геометрическую схему. Сами стержни располагают на геометрической схеме так, чтобы центры тяжести сечения совпадали с осевыми линиями. В сварных фермах со стержнями из уголков привязка обушков к осевым линиям z (рис. 10, б) берется из таблиц сортамента уголков и округляется до 5 мм. Часто первоначально задаются внешние габариты фермы, например, высота на оси опоры стропильных ферм по граням поясных уголков h. В этом случае геометрическая высота фермы на опоре h oп будет зависеть от привязки к осям поясных уголков z1 и z2, уклона верхнего пояса i и расстояния от разбивочной оси до грани фермы а: ℎ оп = (ℎ + 𝑖𝑎) − (𝑧 1 + 𝑧 2 √1 + 𝑖 2 ) Осевые линии стержней в узлах должны сходиться в одной точке; в противном случае сходящиеся в узле силы не уравновешиваются и в узле возникнет дополнительный изгибающий момент. 8. Конструирование и расчет узлов и деталей ферм. Промежуточные узлы. Типичные конструкции промежуточных узлов ферм с сечениями из уголков конструируют обычно в следующем порядке. Сначала к осевым линиям привязываются поясные уголки, чем определяется возможное приближение торцов стержней решетки к узлам. Чтобы уменьшить сварочные напряжения, края элементов решетки не доводят до поясов на расстояние 40— 50 мм. Далее рассчитывают необходимую длину швов для крепления стержней в узле и по этой длине швов определяют требуемые размеры фасонки. Элементы решетки приваривают к фасонкам одним из следующих способов: фланговыми швами (концы которых для уменьшения концентрации напряжений выводят на торец элемента примерно на 20 мм), либо фланговым и торцовым швами. В первом случае продольная сила N воспринимается швами пера и обушка частями, обратно пропорциональными расстояниям от центра тяжести уголка до его краев. Длина шва на обушке: 𝑙 𝑤 𝑏 = 0,7𝑁 2∙𝛽𝑓∙𝑘𝑓∙𝑅𝑤𝑓∙𝛾𝑤𝑓∙𝛾𝑐 + 10 Длина шва на пере: 𝑙 𝑤 𝑝 = 0,3𝑁 2∙𝛽𝑓∙𝑘𝑓∙𝑅𝑤𝑓∙𝛾𝑤𝑓∙𝛾𝑐 + 10 При креплении уголков по второму способу фланговыми и лобовыми швами определяется суммарная требуемая длина шва. Однако назначаемые затем длины фланговых швов у обушка и пера должны быть обратно пропорциональными расстояниям от этих швов до оси приложения усилия. 9.Конструирование и расчет узлов и деталей ферм. Опорные узлы. Опорные узлы ферм могут иметь разнообразную конструкцию в зависимости от условий опирания. При опирании стропильных ферм сверху часто применяют решения, показанные на рис. 12, а для полигональных ферм и на рис. 12, б — для ферм с большим уклоном верхнего пояса. Широко распространено опирание стропильных ферм сбоку колонны на опорный столик (рис. 12, в). Такое решение надежно в работе, просто в изготовлении и монтаже, допускает и шарнирное, и жесткое опирание фермы. На рис. 12, г показан пример решения опорного узла фермы из труб. 10.Конструирование и расчет узлов и деталей ферм. Укрупнительные узлы. Фермы больших пролетов перевозят железнодорожным транспортом в виде двух полуферм (иногда и меньшими частями), которые перед установкой на место укрупняют. Укрупнительные или монтажные узлы осуществляются на строительной площадке, поэтому они должны быть простыми в выполнении и надежными в работе. Конструкция укрупнительных узлов ферм, расположенных посередине фермы, должна обеспечивать полную идентичность правого и левого отправочных элементов полуферм. По этим же соображениям желательно иметь одни и те же марки для фонарных, бесфонарных, торцовых и других мало отличающихся между собой ферм. Пояса ферм могут быть соединены при помощи уголковых или листовых накладок, которые для удобства сборки и приварки первоначально ставят на болты. Для удобства сварки вертикальное перо уголка накладки подрезают на 15— 30 мм, а обушок срезают для возможности плотного прилегания одного уголка к другому. Для верхнего пояса уголок накладки принимается обычно того же калибра, что и уголок пояса. Некоторое уменьшение площади сечения в месте стыка компенсируется тем, что здесь отсутствует коэффициент продольного изгиба , т. е. площадь стыковых уголков подбирается из условия прочности. Нижний пояс работает на растяжение, поэтому при полном использовании в нем напряжений сечение накладок со срезкой должно иметь не меньшую площадь; здесь могут быть использованы уголки с такими же размерами полок, но большей толщины. Крепление уголковых накладок рассчитывается на усилие в поясах N п , причем вследствие того, что сварные швы расположены по перьям уголков, усилия в них распределяются поровну. К накладке верхнего пояса приварены листовые детали, которые соединяют фасонки полуферм, а также служат для крепления связевых распорок по коньку. 11.Конструирование и расчет узлов и деталей ферм. Соединительные прокладки. Чтобы сечения элементов ферм из двух уголков работали как единый стержень, эти уголки соединяются между собой прокладками. Соединительные прокладки располагаются по длине сжатых стержней на расстоянии l≤40 r, по длине растянутых стержней l1≤80 r (где r — радиус инерции уголка относительно главной оси, параллельной плоскости расположения прокладок), причем между узлами должно быть не менее двух прокладок. При отсутствии соединительных прокладок под воздействием сжимающей силы каждый уголок работал бы раздельно. Несущая способность двух отдельных уголков меньше, чем несущая способность тех же уголков, но соединенных прокладками, так как одиночный уголок имеет значительно большую гибкость. Прокладки делают шириной 60—80 мм, длиной на 20—50 мм больше ширины уголков. Для всех уголков одной фермы следует иметь не более двух-трех типоразмеров прокладок. 12.Общая характеристика каркасов производственных зданий. Производство разнообразной промышленной продукции осуществляется в специальных зданиях, называемых производственными зданиями или цехами. Наиболее широкое распространение получили одноэтажные производственные здания, оборудованные мостовыми электрическими кранами. Перемещаясь по подкрановым балкам на требуемой высоте, такие краны могут обслуживать практически всю площадь цеха, что весьма удобно для организации самых разнообразных производственных процессов. Современные производственные здания имеют большие пролеты и высоту, часто оборудуются мощными кранами, вследствие чего в несущих конструкциях здания возникают большие усилия. Комплекс несущих конструкций, воспринимающих нагрузки от веса ограждающих конструкций здания, атмосферные нагрузки, нагрузки от кранов, а в некоторых случаях и от другого технологического оборудования, называется каркасом здания. В зависимости от размеров здания, грузоподъемности и режима работы кранов, определяемых технологией производства, а также от условий и сроков строительства конструктивные элементы каркаса здания делают из стали или из железобетона. Основу каркаса составляют поперечные рамы, состоящие из колонн, жестко защемленных в фундаменте, и ригелей (стропильных ферм), жестко или шарнирносоединенных с колоннами. Расстояние между осями колонн в поперечном направлении здания называется пролетом. Расстояние между рамами называется шагом рам. В продольном направлении на рамы опираются подкрановые балки, несущие элементы покрытия и фонари. Жесткость и устойчивость каркаса и его отдельных элементов обеспечивается системой связей: вертикальными связями по колоннам, воспринимающими продольные усилия от действия ветра на торец здания и сил продольного торможения кранов; горизонтальными и вертикальными связями по шатру здания, обеспечивающими устойчивость конструкций покрытия. К элементам каркаса крепят ограждающие конструкции. По ригелям рам и фонарю укладывают конструкции покрытия. Для поддержания стен, переплетов остекления и ворот устанавливают элементы стенового каркаса — фахверк, который также крепят к рамам. Производственные здания бывают однопролетными и многопролетными. 13. Основные требования, предъявляемые к каркасам производственных зданий. Конструкция здания должна полностью удовлетворять назначению сооружения и в то же время быть наиболее экономичной. Поэтому при проектировании производственных зданий в первую очередь необходимо учитывать эксплуатационные требования и экономические факторы. Чрезвычайно большое влияние на работу каркаса здания оказывают воздействия краны. Являясь динамическими, многократно повторяющимися и большими по величине, крановые воздействия часто приводят к раннему износу и повреждению конструкций каркаса, особенно подкрановых балок. Поэтому при проектировании каркаса здания особое внимание должно быть уделено учету эксплуатационного режима работы мостовых кранов, который зависит от назначения здания и производственного процесса в нем. По правилам Госгортехнадзора различают пять режимов работы кранов: с ручным приводом (Р); с машинным приводом— легкий (Л), средний (С), тяжелый (Т) и весьма тяжелый (ВТ). На работу строительных конструкций здания большое влияние оказывают внутрицеховая среда, степень агрессивного воздействия которой определяется скоростью коррозионного поражения поверхности металла в мм/год. При проектировании зданий, эксплуатируемых в условиях низких температур, вследствие возможности хрупкого разрушения стали необходимо также учитывать специальные требования. К экономическим факторам относятся прежде всего затраты, связанные с возведением сооружения, включающие стоимость материалов, изготовления, перевозки и монтажа конструкций. Необходимо учитывать эффект, получаемый от сокращения времени строительства и более раннего начала производства продукции, а также расходы, связанные с поддержанием сооружения в состоянии, обеспечивающим условия его нормальной эксплуатации в течение всего срока службы. Смешанные каркасы рационально применять для зданий легкого и среднего режима работы при малых пролетах и высоте, оборудованных кранами грузоподъемностью до 30 т. При еще меньших параметрах зданий возможен железобетонный каркас, подкрановые балки в котором целесообразно выполнять стальными. Основным критерием выбора материала конструкций каркаса во всех случаях являются стоимостные показатели, определяемые вариантным проектированием. |