Металлические конструкции

3.3 Фермы 

Общая характеристика и классификация ферм

Фермой называют систему стержней (обычно прямолинейных), 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. 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 (все стержни лежат в одной  плоскости) 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 башенная конструкция. 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 (hф). Пояса ферм работают в основном на продольные усилия и момент (аналогично поясам сплошных балок); решетка ферм воспринимает в основном поперечную силу, выполняя функцию стенки сплошной балки. 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, проходящим через центры тяжести. 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, но весьма металлоемки. При больших пролетах (более 40 м) разрезные фермы получаются негабаритными и их приходится собирать из отдельных элементов на монтаже. 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 при осадке опор возникают дополнительные усилия, поэтому их применение при слабых просадочных основаниях не рекомендуется. Кроме того, необходимость создания неразрезности усложняет 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. Промежуточными между фермой и сплошной балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами, либо сверху аркой. Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающий момент в балке и повышают жесткость системы. Комбинированные системы просты в изготовлении (вследствие меньшего числа элементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижными нагрузками. Весьма эффективно применение комбинированных систем при усилении конструкций, например, подкрепление балки, при недостаточной ее несущей способности, шпренгелем или подкосами. В зависимости от очертания поясов фермы подразделяют на сегментные, полигональные, трапецеидальные, с параллельными поясами и треугольные. 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 ферма с параболическим поясом . 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. 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 , 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). При распределенной нагрузке треугольные фермы имеют повышенный расход металла. Кроме того, они имеют ряд конструктивных недостатков. Острый опорный узел сложен и допускает только шарнирное сопряжение с колоннами. Средние раскосы получаются чрезвычайно длинными, и их сечение приходится подбирать по предельной гибкости, что вызывает перерасход металла. Однако в ряде случаев их применение для стропильных конструкций диктуется необходимостью обеспечения большого (свыше 20 %) уклона кровли или требованиями создания одностороннего освещения (шедовые покрытия).

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. Раскосы такой решетки могут быть выполнены из гибких элементов. В этом случае сжатые раскосы вследствие большой гибкости выключаются из работы и решетка работает как раскосная с растянутыми раскосами и сжатыми стойками. В фермах с поясами из тавров можно применить перекрестную решетку из одиночных уголков с креплением раскосов непосредственно к стенке тавра. 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. По величине максимальных усилий условно различают легкие фермы с сечениями элементов из простых прокатных или гнутых профилей (при усилиях в стержнях N3000кН). Эффективность ферм может быть повышена при создании в них предварительного напряжения. Из всего многообразия ферм в настоящем пособии рассмотрены только легкие разрезные балочные фермы, имеющие наиболее широкое применение

3.4 Технологические  площадки 

3.4.1 Общие сведения. Классификация

Площадки предназначены  для размещения технологического оборудования, организации его обслуживания, ремонта  и состоят из несущих балок, настила, лестниц и ограждения. В зависимости  от величины полезной нагрузки и назначения площадки подразделяют на три группы.

1. Площадки под  тяжелое стационарное оборудование  и подвижную нагрузку (рабочая  площадка сталелитейных и литейных  цехов, главных корпусов ТЭЦ  и т.п.) с полезной нагрузкой  р > 20 кН/м2.

2. Ремонтные площадки  ходовых колес кранов, площадки  под транспортеры, трубопроводы, вентиляторы  с р =4...20 кН/м2.

3. Посадочные площадки  на опорные (мостовые) и подвесные  краны, смотровые площадки с  полезной нагрузкой р = 2,0…4,0 кН/м2.

Площадки первой группы выполняют в виде самостоятельных  встроенных в здание сооружений. Такие  площадки опираются на отдельные  колонны, сетка которых обычно кратна модулю, принятому в строительстве (М = 6 м или реже 3 м). По колоннам устанавливают  систему несущих балок (балочную клетку) и устраивают настил. Геометрическую неизменяемость такого встроенного  сооружения и его жесткость обеспечивают системой вертикальных связей. Площадки второй группы обычно выполняют в  виде стального настила из плоской  или рифленой стали, подкрепленного снизу ребрами жесткости из стальной полосы или уголков. Балки площадок опирают на кронштейны, которые в  свою очередь крепят к стенам, колоннам, ветровым фермам торцевых стен зданий либо в качестве балок площадки используют подкрановые балки, к которым  крепят рифленый стальной лист. Иногда балки опирают на отдельные колонны, аналогично площадкам первой группы. Площадки третьей группы чаще всего  собирают из унифицированных стальных элементов (балок, настила, лестниц). Балки  этих площадок крепят, как правило, к основным несущим конструкциям здания (колоннам, стенам, подкрановым  балкам, стропильным конструкциям) или к конструкциям технологического оборудования. В качестве настила применяют листы из плоской или рифленой стали с подкреплением их ребрами жесткости, плиты из сборного железобетона, а также железобетонный настил, выполняемый по опалубке из стального гофрированного листа (сталежелезобетонный настил). Стальной настил в площадках первой группы применяют, если возможно быстрое разрушение бетона от действия высоких температур и больших циклических нагрузок (сталелитейные и литейные цехи).

3.4.2 Балочные клетки

Схемы балочных клеток определяются расположением оборудования и типом настила. Выбирают их из условия  обеспечения наименьших затрат металла, бетона и труда на изготовление и  монтаж, для чего схемы балочных клеток применяют с наиболее коротким и простым путем передачи нагрузки на колонны или другие опоры. Балки настила в плане размещают с постоянным шагом по длине поддерживающих их балок (главных или второстепенных), шаг этих балок определяется несущей способностью и жесткостью настила, Необходимо иметь в виду, что при уменьшении шага балок настила толщина последнего и суммарный расход материалов на настил к поддерживающие его балки будут уменьшаться до определенного предела, после которого сечения балок будут определяться не условиями прочности, а требованиями жесткости, и может оказаться целесообразным увеличить шаг балок. Главные балки ориентируют в направлении большего шага колонн (продольного или поперечного) и проектируют обычно разрезными. Учитывая значительные пролеты главных балок, составляющие, как правило, 9...12 м и более, их проектируют составного двутаврового сечения с членением при необходимости на отправочные элементы. На монтаже отправочные элементы объединяют в единую конструкцию сваркой либо высокопрочными болтами с накладками. Балки настила проектируют двутаврового или реже швеллерного сечения. Необходимо иметь в виду, что в площадках с балочной клеткой нормального и усложненного типов прокатные балки рациональны при пролетах до 8...9 м, нагрузках до 10...12 кН/м2 и железобетонном настиле. Если расстояние между главными балками более 9 м. то экономичнее переходить на балочную клетку усложненного типа с 2...3 вспомогательными балками, которые выполняют двутаврового и таврового сечения или из уголков. Балки настила можно проектировать разрезными и неразрезными. Последняя статическая схема удобнее при этажном сопряжении балок (рис. 5.15, в). В плане второстепенные балки размешаются либо с постоянным шагом по длине поддерживающих их балок при равномерно распределенной полезной нагрузке, либо с нерегулярным шагом при установке на площадке стационарного оборудования. Шаг балок настила определяется конструкцией настила и величиной полезной нагрузки.

3.4.3 Настилы

В конструкциях технологических  площадок применяют стальные сплошные настилы из плоского или рифленого  листа, железобетонные (из сборных плит или монолитной плиты) и сталежелезобетонные  Выбор материала настила и  его конструктивное решение (стационарный или съемный щитовой) выбирают с  учетом технологического назначения площадки, характера и величины полезной нагрузки, температурно-влажностного режима эксплуатации, агрессивности среды, экономического фактора. Поверх несущего настила часто устраивают защитный настил (асфальтовый или бетонный пол толщиной 40...60 мм на несущем железобетонном настиле, деревянный из торцевых брусков - на стальном). Щиты съемных настилов могут иметь размеры в плане до 3х12 м (для ручного открывания щиты, как правило, имеют меньшие размеры и массу не более 75 кг). Щиты состоят из системы второстепенных и вспомогательных балок, стального настила, подкрепленного ребрами жесткости, и укладываются на поддерживающие главные балки. Применение подобного конструктивного решения повышает степень заводской готовности и снижает трудозатраты при монтаже. Полезную нагрузку на настил принимают по технологическому заданию, которая может достигать 40 кН/м2; вертикальные относительные прогибы настила не должны превышать требований норм; их увязывают с пролетом настила ln. Так, при ln ≤ 1,0 м предельный относительный прогиб принимают [ƒ/l] = 1/120; при ln = 3,0 м - 1/150; при ln=6,0 м - 1/200.

3.4.4 Лестницы и переходные  площадки

Настилы технологических  площадок могут располагаться в  один или несколько ярусов в зависимости  от вида оборудования и его высоты. Для доступа обслуживающего персонала  к технологическому оборудованию устраиваются лестницы в виде лестничных маршей или стремянок. Лестничные марши  состоят из косоуров (тетивы), опорных элементов, ступеней, ограждения (перил, стоек) и устанавливаются с углом наклона α = 45° и 60°, который зависит от частоты обслуживания оборудования и наличия свободных площадей для размещения лестниц. При большой частоте использования лестницы принимается угол наклона α = 45°. Для последних ширину маршей (расстояние между перилами ограждения) принимают 600, 800 и 1000 мм с шагом ступеней 200 мм. Марши с углом наклона 60° выполняют шириной 600 и 800 мм с шагом ступеней 300 мм. Проектирование лестниц производят в соответствии с указаниями типовой серии 1.459-2 "Стальные лестницы, переходные площадки и ограждения".

Тетиву выполняют  из холодногнутого профиля гн [180х50х4 или прокатных швеллеров N16; 18. Расчетную схему тетивы принимают в виде однопролетной наклонной балки при одномаршевой лестнице или многопролетной балки ломаного очертания при двух- и более маршевой прямой лестнице. Косоуры работают на поперечный изгиб от массы металлоконструкций лестниц и полезной нагрузки, которая в соответствии с указаниями норм принимается в виде вертикальной сосредоточенной силы Рн = 1,5 кН, расположенной на площадке длиной 10 см по середине пролета косоура. Относительный прогиб марша не должен превышать 1/150 при длине лестницы 3 м и 1/120 при длине 6 м. Коэффициент надежности по нагрузке принимают равным 1,2. Ступени лестниц изготовляют из стального листа: гнутые из рифленой стали t=4 мм, гнутые из просечно-вытяжного листа с отгибом подступенка из непросеченной части листа, ребристые из полос 40х4 или арматурной стали 16...20 мм с подступенком из прокатного уголка 1,50х5 и из штампованных профилированных элементов швеллерного сечения. Все типы ступеней изготовляют шириной 200 мм. Переходные площадки применяют при высоте лестниц h> 6 м и при устройстве поворотов лестничных маршей. Ширину площадок назначают равной ширине марша. Длину площадок (пролет между опорами) принимают в зависимости от полезной нагрузки в пределах 600...6000 мм: при длине 600...2400 мм, кратной 300 мм, более 2400 мм - кратной 600 мм. Переходные площадки состоят из стального настила (применяют тот же материал, что и для ступеней маршей), ребер жесткости и балок площадки. Настил приваривают к продольным балкам.