Типы ферм. Схемы ферм и поперечные сечения их элементов
Страница 4 из 10
Первоначально сквозные фермы устраивались многорешетчатыми по типу деревянных ферм Тауна. Первый мост с такими фермами был сооружен в 1845 г. через Королевский канал на железной дороге Дублин-Дрогеда в Ирландии с пролетом 42,7 м. Плоские раскосы ферм, изготовленные из листового железа, могли работать только на растяжение, и при воздействии незначительных сжимающих усилий выключались из работы. Многорешетчатые фермы с элементами плоского сечения были использованы и в ряде других европейских мостов, в числе которых был один из крупнейших для того времени железнодорожный мост через р. Вислу в Диршау (Германия) с пролетами по 130,9 м (1857 г.).
Существенные улучшения в конструкцию этих ферм были внесены выдающимся русским инженером С. В. Кербедзом при разработке проекта двухпутного железнодорожного моста через р. Лугу на б. Петербурго-Варшавской железной дороге (рис. 1). Мост был построен в 1857 г., имел два пролета по 55,3 м, перекрытых неразрезными пролетными строениями с ездой поверху. Под каждый путь в поперечном сечении было установлено отдельное пролетное строение, состоящее из двух главных ферм с расстоянием между ними 2,25 м.
Рис. 1 - Мост через р. Лугу
Для повышения поперечной устойчивости оба пролетные строения над опорами соединялись общими поперечными связями. При назначении сечений элементов этого моста С. В. Кербедз впервые в практике мостостроения учел явление продольного изгиба. Пояса ферм, сжатые и сжато-растянутые раскосы приняты жесткого сечения, сформированного из листов и уголков и лишь растянутые раскосы сохранены плоскими (рис. 2). Верхний пояс имел П-образную форму, нижний - такую же, но повернутую на 180°.
Рис. 2 - Сечения поясов и раскосов ферм лужского моста: а - верхний пояс у конца ферм; б - то же, над средней опорой; в - раскосы сжатые и сжато-растянутые; г - раскосы растянутые
Развитие сечений поясов по мере роста в них усилий производилось за счет увеличения толщины вертикальных листов и числа горизонтальных листов (до двух) с одновременным их утолщением.
Сжатые и сжато-растянутые раскосы состояли из двух ветвей; каждая ветвь включала вертикальный лист и прикрепленный к нему уголок. Обе ветви соединялись между собой решеткой из планок, наложенных на полки уголков. В результате создавалось жесткое сечение, способное воспринимать сжимающие усилия.
В 1884 г. Н. А. Белелюбским были разработаны первые типовые проекты пролетных строений для пролетов в свету от 53,5 м до 106,68 м с интервалом 10,67 м. Схема ферм в этих проектах была принята двухраскосной, величина панели не превышала 5,182 м (рис. 3).
Рис. 3 - Схемы первых типовых пролетных строений с двухраскосными фермами
Для пролетов в свету 85,34 м и более фермы были приняты с полигональным очертанием верхних поясов, при котором высота ферм к середине пролета увеличивалась в соответствии с изменением изгибающего момента.
Целесообразность криволинейного очертания поясов усматривалась из балки равного сопротивления, известной еще во времена Галилея (1564-1642 гг.). Впервые криволинейное очертание поясов применил Брюнель в фермах пролетом 57,25 м на мосту через р. Темзу у Виндзора в 1849 г.
В фермах Н. А. Белелюбского сечения поясов верхних (рис. 4, а) и нижних (рис. 4, б) были двухстенчатыми П-образными (рис. 4), их развитие происходило за счет увеличения числа горизонтальных листов. Эти типы сечения поясов ферм и способ их развития применяются в металлических пролетных строениях почти 50 лет. Сечения растянутых раскосов (рис. 4, в) состояли из двух ветвей вертикальных листов, сжато-растянутых раскосов (рис. 4, г), сжатых раскосов (рис. 4, д) и стоек (рис. 4, е) из уголков и вертикальных листов или из уголков. Здесь Н. А. Белелюбский следовал принципам создания жестких сечений, принятым С. В. Кербедзом в Лужском мосту.
Рис. 4 - Сечения элементов ферм первых типовых пролетных строений
Развитие теории расчета сооружений, успехи металлургической промышленности, расширившей сортамент проката, и оснащение заводов оборудованием, позволившим изготавливать элементы пролетных строений с большими сечениями, создали условия для дальнейшего упрощения системы решетки ферм и увеличения размеров панелей.
Дальнейшим усовершенствованием явилось применение треугольных решеток (рис. 5, а). Эта решетка имеет наименьшее количество элементов и узлов. Усилия, которые передаются от середины пролета к опорам, идут по кратчайшему пути, с каждым раскосом приближаясь к опорам, в то время когда при наличии в решетке вертикальных элементов они передаются снизу вверх (или сверху вниз), не приближаясь к опорам. В отличие от раскосной решетки, где все раскосы могут быть нисходящими и работать только на растяжение, в треугольной решетке часть раскосов (восходящие) работает на сжатие, но в связи с отсутствием стоек решетка в целом оказывается легче раскосной.
Рис. 5 - Схемы ферм
Недостатком треугольной решетки по сравнению с раскосной является увеличение панели фермы в 2 раза, что существенно повышает вес проезжей части.
В автодорожных мостах, где временная нагрузка значительно меньше, а расстояние между осями ферм больше, чем в железнодорожных мостах, треугольная решетка в ряде случаев оказывается целесообразной.
В железнодорожных мостах, как правило, приходится принимать меры к уменьшению панели проезжей части. Это достигается установкой дополнительных вертикальных элементов-стоек и подвесок (рис. 5, б). При этом длина панели проезжей части сокращается вдвое.
Работа стоек и подвесок в треугольной решетке принципиально отличается от работы вертикальных элементов в решетках раскосной системы. В фермах с треугольными решетками стойки при езде понизу (рис. 5, в), и подвески при езде поверху (рис. 5, г) оказываются нулевыми и их можно исключить. Однако стойки при езде понизу, как правило, сохраняются, так как они сокращают свободную длину элементов верхних сжатых поясов ферм.
Вертикальные элементы в решетках раскосной (рис. 6, а) системы являются основными элементами фермы и работают при загружении любого участка ферм (см. линии влияния на рис. 6).
Рис. 6 - Линии влияния усилий в стойках раскосной фермы и фермы с треугольной решеткой и дополнительными стойками и подвесками
Стойки и подвески в треугольных решетках являются дополнительными элементами, они работают только на местную нагрузку в пределах одной-двух панелей (рис. 6, б).
Установка стоек и подвесок вызывает дополнительный расход металла, но в целом оказывается целесообразной. Даже с дополнительными стойками и подвесками вес пролетных строений с треугольными решетками обычно несколько меньше, чем с раскосными.
Выяснение этого положения способствовало распространению ферм с треугольной решеткой и дополнительными стойками и подвесками.
Уменьшение длины панели в фермах с треугольной решеткой можно осуществить без дополнительных вертикальных элементов, а сгущением решетки путем совмещения двух треугольных решеток (рис. 7, а) получим так называемую двухрешетчатую систему.
При этом размер панели проезжей части получается таким же, как и при треугольных фермах с дополнительными стойками и подвесками, но усилия в раскосах и их свободная длина оказываются в 2 раза меньшими. Теоретически можно было предполагать, что такие решетки будут легче, чем треугольные со стойками и подвесками. Однако практически снижения веса не достигается. Из-за отсутствия вертикальных элементов усложняется прикрепление поперечных балок и поперечных связей. Недостатком является также большое количество узлов, затрудняющее изготовление и сборку.
Рис. 7 - Схемы мостовых ферм
Введение в состав двухрешетчатой фермы вертикальных стержней (рис. 7, б) облегчает задачу прикрепления поперечных балок и связей. В таком виде решетка стала называться крестовой и также была использована в пролетных строениях, не получив широкого распространения.
Если вертикальные элементы поставить со сдвижкой их на половину панели (рис. 7, в), появляется возможность сокращения панели проезжей части в 2 раза при прикреплении поперечных балок во всех узлах. В таком виде эти фермы нашли широкое применение для перекрытия больших пролетов после Великой Отечественной войны.
Двухрешетчатую ферму можно видоизменить таким образом, что рисунок ее станет ромбическим, при этом она становится не только статически определимой, но даже геометрически изменяемой (рис. 7, г); в этом случае в ней не хватает одного стержня. Для создания неизменяемости в середине фермы обычно добавляется один вертикальный или горизонтальный стержень (рис. 7, д), хотя особой необходимости в этом нет, так как неизменяемость фермы достигается за счет жесткости узлов. Эта система не имеет каких-либо технических или производственных достоинств по сравнению с двухрешетчатой, но рисунок ее считается более спокойным и законченным.
Фермы с ромбической решеткой были применены для ряда городских мостов в Западной Европе (рис. 8).
Рис. 8 - Схема моста через р. Рейн в Везеле с ромбической решеткой ферм
Улучшение условий прикрепления поперечных балок в фермах с ромбической решеткой может быть достигнуто установкой подвесок в средних узлах (см. рис. 7, е).
В таком виде решетка была предложена проф. Г. П. Передернем.
В очень высоких фермах с целью сокращения панелей при сохранении выгодного угла наклона раскосов в отдельных случаях применялась полураскосная система решетки (рис. 7, ж). Недостатком ее является, увеличение количества стержней и узлов. Полураскосная решетка в настоящее время находит применение только в связях.
В большепролетных фермах с треугольной решеткой с целью сокращения размера панели проезжей части применяются не только дополнительные стойки и подвески, но и шпренгели. В современных пролетных строениях чаще ставят нижние шпренгели (рис. 7, з), так как учитывают, что наличие шпренгелей приводит к увеличению усилий в тех поясах ферм, в уровне которых они поставлены. Развивать же сечения нижних растянутых поясов проще, чем верхних сжатых. Кроме того, пролетное строение с нижними шпренгелями оказывается более устойчивым под воздействием поперечного давления ветра, так как плотность решетки ферм увеличена в нижней части, а не в верхней.
Очертание ферм. Оно зависит от назначения сооружения, ста-тической схемы фермы, вида нагрузок, действующих на нее, и дру-гих факторов. Теоретически наивыгоднейшим является такое очер-тание контура фермы, при котором он соответствует очертанию эпю-ры моментов. Например, при равномерно распределенной нагрузке и горизонтальном нижнем поясе верхний пояс очерчен по дуге па-раболы (рис. ниже), а при одном сосредоточенном грузе в пролете — треугольная ферма (рис. ниже). В этом случае усилия будут возни-кать только в поясах; в стержнях решетки усилия теоретически рав-ны нулю. Однако изготовление ферм с криволинейным поясом дос-таточно сложно и, кроме того, в элементах криволинейного пояса возникают значительные изгибающие моменты (рис. ниже), суще-ственно ухудшающие работу пояса.
Многоугольное очертание одного из поясов фермы с частью уз-лов, расположенных по дуге параболы (полигональная ферма, рис. ниже), также обеспечивает малые усилия в стержнях решетки и относительно меньший вес ферм. Такие фермы не требуют изгиба элементов поясов и разметки по кривым. Однако необходимость в каждом узле с переломом пояса устраивать стыки и дополнитель-ный расход материалов на стыковые накладки усложняют изготов-ление и увеличивают стоимость полигональных ферм. Поэтому в фермах относительно небольших пролетов (до 40 м) полигональ-ные формы используют редко. Наиболее часто легкие фермы при-меняют трапециевидной формы (рис. ниже) и с параллельными по-ясами (рис. ниже). Фермы трапециевидного очертания имеют неболь-шие уклоны верхнего пояса. Их стали применять вместо треугольных ферм при использовании рулонных кровельных материалов, не тре-бующих больших уклонов кровли. В настоящее время такие фермы являются основным типом стропильных ферм (ферм покрытий).
Очертания верхнего пояса легких ферм
Трапециевидное очертание ферм достаточно хорошо соответ-ствует эпюре изгибающих моментов от равномерно распределен-ной нагрузки— контур фермы как бы описан вокруг эпюры (рис. выше); пунктир — эпюра изгибающих моментов).
Треугольные фермы (рис. выше) вследствие весьма больших уси-лий в поясах всегда значительно тяжелее ферм остальных типов. Примером применения треугольных ферм по эксплуатационным тре-бованиям могут служить шедовые покрытия (рис. ниже), используе-мые в зданиях, где необходим большой и равномерный приток днев-ного света с одной стороны.
Фермы треугольного очертания шедового покрытия
1 — остекление
Высоту фермы назначают после решения вопроса об очертании ее контура. Наивыгоднейшая (оптимальная) высота фермы получа-ется тогда, когда масса поясов равна массе решетки (с фасонками), что достигается при сравнительно большом отношении высоты фер-мы к ее пролету (h/l > 1/5). На практике от такого соотношения отсту-пают, и масса решетки вместе с фасонками часто составляет менее половины массы поясов (0,4-0,3 общей массы фермы). Это связано с тем, что при большой высоте ферму неудобно транспортировать и монтировать, так как ее пришлось бы перевозить отдельными эле-ментами и собирать на месте монтажа, что требует много времени и больших затрат, не окупаемых экономией металла.
Для возможности перевозки по железной дороге наибольший габарит конструкции по вертикали не должен превышать 3,8 м. По-этому высоту легкой фермы в середине пролета (при l < 36 м) обыч-но назначают не более этого размера. Наименьшая высота фермы определяется требованиями жесткости — величиной допускаемо-го прогиба. Чем меньше размер допускаемого прогиба, тем боль-шей должна быть назначена высота фермы, кроме того, она должна быть увязана с желательным углом наклона раскосов к поясу и раз-мером отдельной панели.
С учетом указанных выше обстоятельств, из которых важнейши-ми следует считать обеспечение допускаемого прогиба и выдержи-вание транспортных габаритов, высоту h легких ферм назначают в довольно широких пределах: от 1/5 до 1/20 пролета. Для стропильных ферм трапециевидного очертания и с параллельными поясами обыч-но назначают высоту в середине пролета h = (1/7-1/9)l.
Высоту на опоре фермы h 0 рационально принимать одинаковой для ферм различных пролетов. Это позволяет иметь единую стан-дартную геометрическую схему и обеспечивает стандартность де-талей крепления. При уклоне верхнего пояса 1/8 высота h 0 в типо-вых фермах пролетов 18-36 м принята 2,2 м (между обушками угол-ков). В фермах с параллельными поясами эта высота равна 3,15 м.
Системы решеток ферм. В металлических фермах они весь-ма разнообразны. От системы решетки зависят масса фермы, тру-доемкость ее изготовления, внешний вид. Ее стремятся запроек-тировать таким образом, чтобы нагрузки на ферму передавались, как правило, в узлах (во избежание местного изгиба пояса). Ре-шетка ферм работает на поперечную силу, выполняя функции стен-ки сплошной балки.
Все виды решеток ферм можно разделить на три основные си-стемы: треугольную, раскосную и специальную.
Треугольная система решетки с переменным направлением рас-косов без стоек (рис. ниже) имеет наименьшее число узлов и стерж-ней и наименьшую суммарную длину их. Однако при такой решетке длина панелей сжатого пояса оказывается весьма значительной, что требует повышенного расхода материала для обеспечения его устой-чивости в плоскости фермы. Чтобы уменьшить длину панелей сжа-того пояса, к треугольной решетке добавляют дополнительные стой-ки (рис. ниже). Иногда добавляют и подвески (рис. ниже), позволяю-щие при необходимости уменьшать расстояние между узлами фермы (например, в козловых кранах). Дополнительные стойки и подвески ненамного увеличивают массу фермы, так как они работают только на местную нагрузку, не участвуя в" передаче на опору поперечной силы, что позволяет принимать их сечение небольшим.
Различные системы решеток ферм
При раскосной системе решетки необходимо стремиться, что-бы более длинные элементы решетки (раскосы) работали на растя-жение, а более короткие (стойки) — на сжатие, так как на работе коротких сжатых стержней меньше сказывается влияние продоль-ного изгиба, чем на работе длинных.
Это требование удовлетворяется при нисходящих раскосах в фермах трапециевидного очертания и с параллельными поясами (рис. ниже) и восходящих — в треугольных фермах (рис. ниже). Од-нако в последних восходящие раскосы образуют неудобные для кон-струирования узлы. Поэтому в треугольной ферме рациональнее применять нисходящие раскосы (рис. ниже); они получаются сжа-тыми, но их длина меньше и узлы фермы более компактны. Приме-нять раскосную решетку целесообразно при малой высоте ферм, больших узловых нагрузках, а также когда конструктивная схема сооружения точно фиксирует положение узлов фермы (например, в продольной связевой ферме гидротехнических затворов).
К специальным системам решетки относят шпренгельную, кре-стовую, ромбическую и полураскосную решетки.
Необходимость в шпренгельной решетке (рис. ниже) возникает в фермах с большой высотой, когда при соблюдении желательного угла наклона раскосов к поясу длина панелей получается чрезмерно большой, неудобной для расположения кровельного покрытия.
В фермах, работающих на двустороннюю нагрузку, как прави-ло, устраивают крестовую решетку (рис. ниже). Такие решетки час-то применяют в горизонтальных связевых фермах, которые служат для пространственной жесткости основных ферм (например, в про-изводственных зданиях, мостах и других конструкциях). При этом раскосы в крестовой решетке конструируют из гибких элементов, способных нести только растягивающие усилия. Подобный способ конструирования превращает крестовую решетку из статически нео-пределимой в статически определимую. При любом возможном нагружении фермы в каждой панели один раскос будет растянут, а другой сжат. Вследствие большой гибкости сжатый раскос при не-значительных усилиях теряет устойчивость и выключается из рабо-ты. В результате остается работоспособным только раскос, растя-нутый при данной комбинации нагрузок; ферма как бы приобрета-ет систему решетки с нисходящими раскосами (рис. ниже).
Ромбическая и полураскосная решетки (рис. ниже) благода-ря двум системам раскосов обладают большой жесткостью; они рациональны при работе конструкций на большие поперечные силы, в связи с чем их применяют в мостах, башнях и других кон-струкциях.
Угол наклона раскосов к поясу ферм оказывает существенное влияние на величину усилий, а следовательно, на сечение и вес рас-косов. Оптимальный угол наклона в треугольной решетке состав-ляет 45°, в раскосной решетке — 35°. Во всех случаях для улучше-ния конструкции узлов углы между раскосами и поясами следует назначать в пределах 30°-60°.
Длина панелей ферм, как правило, должна быть такой, чтобы обеспечивать передачу нагрузки на ферму в узлах. Кроме того, раз-мер панелей должен соответствовать допустимому углу наклона рас-косов к поясу. В стропильных фермах размер панелей зависит от системы кровельного покрытия. Обычно длина панелей в этих фер-мах 3 м, в редких случаях 1,5 м (в последнем случае часто применя-ют шпренгельную решетку для уменьшения стандартной панели длиной 3 м до 1,5 м).
Фермой называют решетчатую конструкцию, образуемую из отдельных прямолинейных стержней, связанных в узлах в геометрически неизменяемую систему.
Ферма в целом работает преимущественно на изгиб, а ее элементы (если нагрузка приложена в узлах, оси элементов пересекаются в центре узлов) на осевые усилия (растяжение или сжатие). Жесткость узлов в легких фермах несущественно влияет на работу конструкции, поэтому в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные.
Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными. Плоские фермы могут воспринимать нагрузку, приложенную в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскости связями или другими элементами.
Основными элементами фермы являются пояса, образующие ее контур, и решетка, состоящая из раскосов и стоек.
Пояса фермы работают в основном на продольные усилия и полностью воспринимают изгибающий момент. Решетка объединяет пояса в одно целое, обеспечивает неизменяемость системы и воспринимает поперечную силу.
Максимальное усилие в элементах пояса при шарнирном опирании однопролетной фермы действует в середине ее пролета, в раскосах – у опоры.
Соединение элементов в узлах фермы осуществляют путем непосредственного примыкания одних элементов к другим или с помощью узловых фасонок.
Классифицируются фермы по назначению, статической схеме, очертанию поясов, системе решетки, способу соединения элементов в узлах и на опоре, величине усилия в элементах, напряженному состоянию.
По назначению фермы подразделяются на стропильные, фермы мостов, подъемных кранов, опор линий электропередачи и другие.
По статической схеме фермы подразделяются на балочные (разрезные, неразрезные, консольные), рамные, арочные и вантовые. Балочные разрезные системы наиболее просты в изготовлении и монтаже, но весьма металлоемки. Неразрезные фермы экономичнее по расходу материала, обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту, но они, как статически неопределимые системы, чувствительны к осадке опор. Рамные и арочные системы экономичны по расходу стали. Их применение рационально для большепролетных зданий. В вантовых фермах все стержни работают только на растяжение и могут быть выполнены из гибких элементов (стальных тросов).
Промежуточными между фермой и сплошной балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами, либо сверху аркой. Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающие моменты в балке и повышают жесткость системы.
В зависимости от очертания поясов фермы бывают с параллельными поясами, треугольные, трапецеидальные, полигональные.
Выбор очертания ферм зависит от назначения сооружения, типа и материала кровли, системы водоотвода (малоуклонные рубероидные кровли или металлические и из асбестоцементных листов, которые требуют больших уклонов), типа и размеров фонаря, типа соединения фермы с колоннами (шарнирное или жесткое), статической схемы, вида нагрузок, определяющих эпюру изгибающих моментов (теоретически наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов).
Фермы с параллельными поясами благодаря распространению кровель с рулонным покрытием являются основными для покрытий зданий. По своему очертанию они далеки от эпюры моментов и по расходу стали не экономичны, однако имеют существенные конструктивные преимущества. Равные длины стержней поясов и решетки, одинаковая схема узлов, наибольшая повторяемость элементов и деталей и возможность унификации способствуютт индустриализации их изготовления.
Фермы треугольного очертания рациональны для консольных систем, а также для балочных систем при сосредоточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы). К конструктивным недостаткам треугольных ферм можно отнести сложный острый опорный узел, допускающий только шарнирное сопряжение с колоннами, длинные средние раскосы, подбираемые по предельной гибкости (вызывают перерасход металла). Применение треугольных ферм под распределенную нагрузку диктуется необходимостью обеспечения большого уклона кровли.
Фермы трапецеидального очертания занимают промежуточное место между треугольными и фермами с параллельными поясами, они больше соответствуют эпюре изгибающих моментов, имеют конструктивные преимущества перед треугольными фермами за счет упрощения узлов и возможности устроить жесткий рамный узел, что повышает жесткость каркаса.
Фермы полигонального очертания рационально применять для тяжелых ферм больших пролетов, так как очертание их наиболее близко соответствует параболическому очертанию эпюры изгибающих моментов, что дает значительную экономию металла. Элементы верхнего пояса таких ферм прямолинейны между узлами, криволинейное очертание достигается переломами пояса в узлах.
Системы решетки ферм бывают:
– треугольной (образована непрерывным зигзагом раскосов, направленных попеременно в разные стороны), эта решетка может быть дополнена стойками и подвесками, работающими только на местную нагрузку, а также служащими для уменьшения расчетной длины поясов;
– раскосной (непрерывный зигзаг образован раскосами и стойками);
– крестовой;
– ромбической и полураскосной;
– шпренгельного типа.
Оптимальный угол наклона раскосов к нижнему поясу в треугольной решетке α = 45 о (обычно 40 – 50 о), в раскосной – α = 35 о (обычно 30 –40 о).
Направление опорного раскоса может быть восходящим (раскос идет от нижнего опорного узла к верхнему поясу) и нисходящим (направление раскоса от опорного узла верхнего пояса к нижнему). В практике проектирования зданий для стропильных ферм чаще применяется восходящий опорный раскос. Такое решение позволяет надежнее обеспечить горизонтальную жесткость рамы здания при работе фермы как ригеля, конструктивно лучше решить опорный узел и расположение связей. При нисходящем раскосе имеется ряд преимуществ: они растянуты (меньше требуют металла); центр тяжести фермы лежит ниже ее линии опирания (ферма более устойчива на монтаже). Недостаток – удлинение колонны на высоту фермы, что влияет на устойчивость колонны.
Выбор типа решетки зависит от схемы приложения нагрузки, очертания поясов и конструктивных требований.
Треугольная система решетки имеет наименьшую суммарную длину элементов и наименьшее число узлов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры. Различают фермы с восходящими и нисходящими раскосами. В местах приложения сосредоточенных нагрузок можно установить дополнительные стойки и подвески. В фермах трапецеидального очертания или с параллельными поясами треугольная система решетки является достаточно эффективной. Недостатком треугольной решетки является наличие длинных сжатых раскосов, работающих на устойчивость.
В раскосной системе решетки все раскосы имеют усилия одного знака, а стойки – другого. При проектировании необходимо стремиться, чтобы длинные раскосы были растянуты, а короткие стойки сжаты. Это требование удовлетворяется при нисходящих раскосах в фермах с параллельными поясами. Раскосная решетка более металлоемка и трудоемка по сравнению с треугольной. Путь усилия от места приложения нагрузка до опоры длиннее, он идет через все стержни раскосной решетки и узлы. Применение раскосной решетки целесообразно при малой высоте фермы и больших узловых нагрузках.
Крестовая решетка одинаково работает при смене направления нагрузки на противоположное и чаще всего выполняется из гибких стержней. В этом случае сжатые раскосы, вследствие большой гибкости, выключаются из работы из-за потери устойчивости (в расчетную схему не входят) и решетка превращается в раскосную с растянутыми раскосами и сжатыми стойками.
Ромбическая и полураскосная решетки благодаря двум системам раскосов обладают большой жесткостью, применяются в фермах большой высоты для уменьшения расчетной длины стержней и особенно рациональны при работе конструкций на значительные поперечные силы.
Шпренгельную решетку применяют для уменьшения размеров панели при рациональном угле раскоса. Она более трудоемка, однако при частом расположении прогонов достигается предотвращение местного изгиба элементов пояса в местах приложения сосредоточенных сил и уменьшение их расчетной длины, что может обеспечить снижение расхода стали.
По способу соединения элементов в узлах фермы подразделяются на сварные и болтовые. Болтовые соединения на высокопрочных болтах, как правило, применяются в монтажных узлах.
По величине максимальных усилий условно различают легкие од-ностенчатые фермы с сечениями элементов из простых прокатных или гнутых профилей (при усилиях в стержнях N ≤ 3000 кН) и тяжелые фермы (N > 3000 кН). Стержни тяжелых ферм отличаются от легких более мощными сечениями, составленные из нескольких элементов, и обычно проектируются двустенчатыми. В качестве легких ферм обычно используются стропильные фермы (фермы кровельного покрытия).
По напряженному состоянию фермы можно разделить на обычные и фермы с регулированным напряжением – с затяжками (шпренгелями), со смещением уровня опор в неразрезных фермах и другие.
Генеральными размерами фермы является ее пролет и высота. Пролет выбирают в зависимости от технологического процесса, который протекает в здании (расстановка оборудования, организация потоков и т.п.). Если нет ограничений технологического характера, пролет назначается из экономических соображений. В целях типизации пролеты ферм унифицируются и принимаются кратными модулю 6 м, т.е. 18, 24, 30, 36, 42 м). В отдельных случаях допускается модуль 3 м.
Высота фермы в середине пролета определяется условиями минимального веса, требуемой жесткости, характеризуемой заданным прогибом, и габаритами при перевозке, как правило, железнодорожным транспортом (наибольший габарит по вертикали 3,85 м). Практически из условий стандартизации геометрической схемы высоту стропильных ферм рационально принимать одинаковой для всех ферм различных пролетов: в типовых фермах трапецеидального очертания – 2,2 м (между обушками на разбивочной оси колонны) и в фермах с параллельными поясами 3,15 м.
Высота треугольной фермы в середине пролета определяется в зависимости от пролета и уклона верхнего пояса и может достигать значительных размеров.
Фермой называют решетчатую конструкцию из стержней, соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию.
Если нагрузка приложена в узлах, а оси элементов фермы пересекаются в одной точке (центре узла), то жесткость узлов несущественно влияет на работу конструкции и в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные. Тогда все стержни фермы испытывают только осевые усилия (растяжение или сжатие). Благодаря этому металл в фермах используется более рационально, чем в балках, и они экономичнее балок по расходу материала, но более трудоемки в изготовлении, поскольку имеют большое число деталей. С увеличением перекрываемых пролетов и уменьшением нагрузки эффективность ферм по сравнению со сплошностенчатыми балками растет.
По материалу различают фермы стальные, деревянные, ж/бетонные
Стальные фермы получили широкое распространение во многих областях строительства: в покрытиях и перекрытиях промышленных и гражданских зданий, мостах, опорах линий электропередачи, объектах связи, телевидения и радиовещания (башни, мачты), транспортерных галереях, гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах и т.д.
Фермы бывают плоскими и пространственными.
Плоские фермы могут воспринимать нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскости связями или другими элементами. Пространственные фермы образуют жесткий пространственный брус, способный воспринимать нагрузку, действующую в любом направлении. Каждая грань такого бруса представляет собой плоскую ферму. Примером пространственного бруса может служить башня или мачта 
Основными элементами ферм являются пояса, образующие контур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек.
Расстояние между узлами пояса называют панелью (d ), расстояние между опорами - пролетом (L), расстояние между осями (или наружными гранями) поясов - высотой фермы (h ф ).
Соединения элементов в узлах осуществляют путем непосредственного примыкания одних элементов к другим или с помощью узловых фасонок. Для того чтобы стержни ферм работали в основном на осевые усилия, а влиянием моментов можно было пренебречь, элементы ферм следует центрировать по осям.
В зависимости от назначения, архитектурных требований и схемы приложения нагрузок фермы могут иметь самую разнообразную конструктивную форму. Их можно классифицировать по следующим признакам: статической схеме, очертанию поясов, системе решетки, способу соединения элементов в узлах, величине усилия в элементах.
По статической схеме фермы бывают: балочные (разрезные, неразрезные, консольные), арочные, рамные и вантовые.
В покрытиях зданий, мостах, транспортерных галереях и других подобных сооружениях наибольшее применение нашли балочные разрезные системы. Они просты в изготовлении и монтаже, не требуют устройства сложных опорных узлов.
При числе перекрываемых пролетов два и более применяют неразрезные фермы. Они экономичнее по расходу металла и обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту. Но как во всяких внешне статически неопределимых системах, в неразрезных фермах усложняется монтаж таких конструкций. Консольные фермы используют для навесов, башен, опор воздушных линий электропередач. Рамные системы экономичны по расходу стали, имеют меньшие габариты, однако более сложны при монтаже. Их применение рационально для большепролетных зданий. Применение арочных систем, хотя и дает экономию стали, приводит к увеличению объема помещения и поверхности ограждающих конструкций. Их применение диктуется в основном архитектурными требованиями. В вантовых фермах все стержни работают только на растяжение и могут быть выполнены из гибких элементов, например стальных тросов. Растяжение всех элементов таких ферм достигается выбором очертания поясов и решетки, а также созданием предварительного напряжения. Работа только на растяжение позволяет полностью использовать высокие прочностные свойства стали, поскольку снимаются вопросы устойчивости. Вантовые фермы рациональны для большепролетных перекрытий и в мостах.
В зависимости от очертания поясов фермы подразделяют на треугольные (а,б), арочные (д), полигональные (е), трапецеидальные (в), с параллельными поясами (г).
Очертание поясов ферм в значительной степени определяет их экономичность. Теоретически наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов. Для однопролетной балочной системы с равномерно распределенной нагрузкой это будет сегментная (арочная) ферма с параболическим поясом (д). Однако криволинейное очертание пояса повышает трудоемкость изготовления, поэтому такие фермы в настоящее время практически не применяют.
Более приемлемым является полигональное очертание с переломом пояса в каждом узле (е). Оно достаточно близко соответствует параболическому очертанию эпюры моментов, не требует изготовления криволинейных элементов. Такие фермы иногда применяют для перекрытия больших пролетов и в мостах, т.е. в конструкциях, поставляемых на строительную площадку "россыпью" (из отдельных элементов). Для ферм покрытий обычных зданий, поставляемых на монтаж, как правило, в виде укрупненных отправочных элементов из-за усложнения изготовления эти фермы в настоящее время не применяют. Вы их можете встретить только в старых сооружениях, построенных до 50-х годов.
Фермы трапецеидального очертания (в) , хотя и не совсем соответствуют эпюре моментов, имеют конструктивные преимущества, прежде всего за счет упрощения узлов. Кроме того, применение таких ферм в покрытии позволяет устроить жесткий рамный узел, что повышает жесткость каркаса.
Фермы с параллельными поясами по своему очертанию далеки от эпюры моментов и по расходу стали не экономичны. Однако равные длины элементов решетки, одинаковая схема узлов, наибольшая повторяемость элементов и деталей и возможность их унификации способствует индустриализации их изготовления. Благодаря этим преимуществам фермы с параллельными поясами стали основными для покрытия зданий.
Фермы треугольного очертания рациональны для консольных систем, а также для балочных систем при сосредоточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы).
Системы решетки
Выбор типа решетки зависит от схемы приложения нагрузок, очертания поясов и конструктивных требований. Так, во избежание изгиба пояса места приложения сосредоточенных нагрузок следует подкреплять элементами решетки. Для обеспечения компактности узлов угол между раскосами и поясом желательно иметь в пределах 30...50°.
Для снижения трудоемкости изготовления ферма должна быть по возможности простой с наименьшим числом элементов и дополнительных деталей.
Треугольная система решетки имеет наименьшую суммарную длину элементов и наименьшее число узлов. Различают фермы с восходящими и нисходящими опорными раскосами. Если опорный раскос идет от нижнего опорного узла фермы к верхнему поясу, то его называют восходящим. При направлении раскоса от опорного узла верхнего пояса к нижнему - нисходящим. В местах приложения сосредоточенных нагрузок (например, в местах опирания прогонов кровли) можно установить дополнительные стойки или подвески. Эти стойки служат также для уменьшения расчетной длины пояса. Стойки и подвески работают только на местную нагрузку.
Недостатком треугольной решетки является наличие длинных сжатых раскосов, что требует дополнительного расхода стали для обеспечения их устойчивости.
В раскосной системе решетки все раскосы имеют усилия одного знака, а стойки - другого. Так, в фермах с параллельными поясами при восходящем раскосе стойки растянуты, а раскосы сжаты; при нисходящем - наоборот. Очевидно, при проектировании ферм следует стремиться, чтобы наиболее длинные элементы были растянуты, а сжатие воспринималось короткими элементами. Раскосная решетка более металлоемка и трудоемка по сравнению с треугольной, так как общая длина элементов решетки больше и в ней больше узлов. Применение раскосной решетки целесообразно при малой высоте ферм и больших узловых нагрузках.
Шпренгельную решетку применяют при внеузловом приложении сосредоточенных нагрузок к верхнему поясу, а также при необходимости уменьшения расчетной длины пояса. Она более трудоемка, но в результате исключения работы пояса на изгиб и уменьшения его расчетной длины может обеспечить снижение расхода стали.
Если нагрузка на ферму может действовать как в одном, так и в другом направлении (например, ветровая нагрузка), то целесообразно применение крестовой решетки .
Ромбическая и полураскосная решетки благодаря двум системам раскосов обладают большой жесткостью; эти системы применяют в мостах, башнях, мачтах, связях для уменьшения расчетной длины стержней. Они рациональны при большой высоте ферм и работе конструкций на значительные поперечные силы.
Возможна в одной ферме комбинация различных типов решетки.
По способу соединения элементов в узлах фермы подразделяют на сварные и болтовые. В конструкциях, изготовленных до 50-х годов, применялись также клепаные соединения. Основными типами ферм являются сварные. Болтовые соединения, как правило, на высокопрочных болтах применяют в монтажных узлах.
Железобетонные фермы и некоторые тяжелые стальные фермы могут выполняться без раскосов с жесткими узлами.
Высоту ферм принимают h= (1/5 – 1/4)L, высоту ферм с параллельными поясами и трапецеидальных ферм - h= (1/6 – 1/8)L. Наклон раскосов составляет 35 0 – 45 0 .
Стальные фермы.
В зависимости от пролета и величины действующей нагрузки условно различают легкие фермы с сечениями элементов из простых прокатных или гнутых профилей (при усилиях в стержнях N<500кН и пролетом до 50 метров) и тяжелые фермы с элементами составного сечения (N >500кН), способные перекрывать пролеты до 100 метров. Легкие стальные фермы разработаны для пролетов 18, 24, 30, 36 метров с унифицированным размером панелей 3 м, высотой 2,25м, 2,4м, 3,15 метра (с учетом габаритов грузов, перевозимых ж/д транспортом).
Пространственную жесткость обеспечивают постановкой горизонтальных и вертикальных связей. Также в обеспечении жесткости участвуют прогоны и плиты перекрытия.
