Ферма (конструкція)

1. Загальна класифікація [ правити | правити код ]
2. По типу [ правити | правити код ]
3. За призначенням [ правити | правити код ]
4. За матеріалом виконання [ правити | правити код ]
5. За конструктивними особливостями [ правити | правити код ]
6. Тип решітки [ правити | правити код ]
7. Тип обпирання [ правити | правити код ]
8. Тип перетину [ правити | правити код ]
9. Дерев'яні ферми [ правити | правити код ]
10. Металеві ферми [ правити | правити код ]
11. Нормативна література [ правити | правити код ]

ферма ( фр. ferme, від лат. firmus 'міцний') - стрижнева система в будівельної механіки , Що залишається геометрично незмінної після заміни її жорстких вузлів шарнірними . В елементах ферми, при відсутності розцентровки стрижнів і внеузловой навантаження, виникають тільки зусилля розтягування-стиснення. Ферми утворюються з прямолінійних стрижнів, з'єднаних у вузлах [1] в геометрично незмінну систему, до якої навантаження прикладається тільки в вузлах [2] .

До фермам із застереженням можна віднести шпренгельні балки , Що представляють собою комбінацію двох або трёхпролётной нерозрізний балки і підпружних тяги; вони характерні для сталевих і дерев'яних конструкцій, з верхнім поясом з нерозрізного прокатного профілю (Пилені бруси або пакети клеєних дощок). Також можуть бути шпренгельні залізобетонні ферми невеликих прольотів.

Слово «ферма» походить від фр. ferme, яке в свою чергу походить від лат. firmus (міцний).

Англомовний еквівалент ( англ. truss) походить від старого французького слова фр. trousse, приблизно від 1200 р. по е., що означає «речі, зібрані разом» [3] [4] . Термін truss (ферма) часто використовується для опису будь-якої збірки елементів - таких, як псевдо-рами [5] [6] або пари крокв [7] [8] , Часто означає інженерний сенс: «плоска рама з окремих конструктивних елементів, з'єднаних кінцями в трикутники, для охоплення великої відстані» [9] .

Ферми широко використовуються в сучасному будівництві, в основному для перекриття великих прольотів з метою зменшення витрати застосовуваних матеріалів і полегшення конструкцій, наприклад - в будівельних вкликопролітних конструкціях, типу мостів , Кроквяних систем промислових будівель, спортивних споруд , А також при зведенні невеликих легких будівельних і декоративних конструкцій : павільйонів , сценічних конструкцій , тентів і подіумів ;

Фюзеляж літака, корпус корабля, несучий кузов автомобіля (крім відкритих кузовів, які працюють як проста балка ), Автобуса або тепловоза, вагонна рама зі шпренгелем - з точки зору опору матеріалів є фермами (навіть якщо у них відсутній як такий каркас - ферменную конструкцію в цьому випадку утворюють підкріплюють обшивку виштамповки і підсилювачі), відповідно, в їх розрахунках на міцність застосовуються відповідні методики [10] .

У 1844 році Д. І. Журавський почав вивчати властивості мостів з гратчастими фермами системи Гау за дорученням П. П. Мельникова [11] , А в 1856 році розробив свою теорію розрахунку ферм розкосів і перший вказав на існування сколюють при вигині.

У 1893 році Ф. С. Ясинський розвинув методику розрахунку стиснутих елементів сталевих мостових конструкцій і розробив просторові складчасті конструкції для перекриттів залізничних майстерень в Петербурзі.

Загальна класифікація [ правити | правити код ]

За загальними ознаками

• за призначенням;
• за матеріалами виготовлення;
• за конструктивними особливостями:
  • за обрисами зовнішнього контуру (типу поясів);
  • за типом решітки;
  • за типом спирання.

За конструктивним рішенням

• звичайні;
• комбіновані;
• з попереднім напруженням.

За величиною максимальних зусиль в елементах [12]

• легкі - одностенчатие з перетинами з простих прокатних профілів при зусиллі в поясах N ≤ 300 т; прольотом до 50 м;
• важкі - двустенчатие з елементами складеного перерізу при зусиллі в поясах N> 300 т.

Важкі ферми з двустенчатимі перетинами (дві фасонки в вузлі) застосовуються при зусиллях в поясах більше 350-400 т; як правило, це: вкликопролітні ферми мостів , кранів ангарів та інших великих споруд, авіасборочний цехів, суднобудівних елінгів з підвісними кранами. Ці споруди сприймають динамічні навантаження, тому їх вузли зчленування проектують на заклепках або високоміцних болтах.

По роботі в просторі

• плоскі;
• просторові.

Плоска ферма, стрижні яких лежать в одній площині, сприймає навантаження тільки в одній площині - по вертикалі, просторова ферма утворює «просторовий брус» і сприймає навантаження в будь-яких напрямках. Просторова ферма складається з граней у вигляді плоских ферм, які кріпляться до інших елементів каркасу будівлі за допомогою зв'язків.

По типу [ правити | правити код ]

За типом ферми і ферменние конструкції підрозділяють на:

• балка Віренделя;
• ферма Уоррена (з гратами з трикутників);
• ферма Пратта (із стисненими стійками і розтягнутими розкосами);
• ферма Больман;
• Ферма Фінка;
• ферма під верхнє світло;
• ферма з перехресними підкосами;
• Бельгійська (трикутна) ферма;
• Кінгпост;
• Решітчаста міська структура.

За призначенням [ правити | правити код ]

За призначенням ферми поділяються на [13] :

та інших споруд.

За матеріалом виконання [ правити | правити код ]

За матеріалом виконання ферми поділяються на:

Іноді різні матеріали комбінують для найбільш раціонального використання всіх їх властивостей.

За конструктивними особливостями [ правити | правити код ]

Тип поясів [ правити | правити код ]

Ферми можуть бути двухпоясние і трёхпоясние, в рідкісних випадках мають переваги перед двухпояснимі: вони мають високим опором вигину в горизонтальній площині і кручению , Що позбавляє від необхідності установки додаткових зв'язків і підвищує стійкість стиснутого контуру ферми.

Залежно від характеру обриси зовнішнього контуру ферм (типу поясів), ферми мають певні габарити по довжині і висоті, а також ухил [14] :

Тип поясів Проліт (довжина) ферм,
L, м Висота ферм,
H, м Ухил поясів ферм,
i,% Схема Вспарушние 36 1/10 ... 1/12 L - Паралельні 24-120 1/8 ... 1/12 L до 1,5%
Ферма чотирикутна з паралельними поясами.

Ферма чотирикутна з паралельними поясами похила.

Ферма чотирикутна з непаралельними поясами. Рибчатие 48-100 1/7 ... 1/8 L - Багатокутні (полігональні) 36-96 1/7 ... 1/8 L -
Ферма багатокутна (полігональних). Параболічні (сегментні) 36-96 1/7 ... 1/8 L - Трапецеїдальні 24-48 1/6 ... 1/8 L 8,0 ... 10,0%
Ферма п'ятикутна (трапецієвидна). Трикутні 18-36 1/4 ... 1/6 L 2,5 ... 3,0%
Ферма трикутна з ламаним нижнім поясом.

Ферма трикутна з ламаним нижнім поясом (варіант 2).

Ферма трикутна з прямим нижнім поясом несиметрична.

Ферма трикутна з прямим нижнім поясом.

Зазвичай вспарушние і рибчатие типи ферм застосовують в громадських будівлях, з паралельними поясами - в промислових [14] .

Оптимальна висота ферм за умовами мінімальної маси і максимальної жорсткості виходить при відношенні висоти ферми до прольоту - H / L = 1/4 ... 1/5, але з таким співвідношенням ферми незручні для монтажу і транспортування і завищують обсяги будівель [14] .

Тип решітки [ правити | правити код ]

Тип решітки ферм [14] :

Раціональний кут розкосів до поясів ферм - 45 °.

Безраскосная ферма застосовується в міжповерхових перекриттях для створення експлуатованого поверху в межферменном просторі або технічного поверху; її недолік - підвищена витрата стали через значні згинальних моментів в поясах і стійках [14] .

Тип обпирання [ правити | правити код ]

Ферми, як і балки , Можуть мати різні пристрої опорних конструкцій (типи опор). розрахункова схема ферм може бути статично визначної або невизначеної , Що визначає конструкції опорних вузлів ферм: шарнірне або жорстке спирання.

За типом спирання ферми поділяються на:

• балочна (розрізна / нерозрізна, консольна)
  • двухопорного
  • Многоопорная
• арочна
• вантова
• рамна
• комбінована

Ферми можуть спиратися на підкроквяні ферми, колони або стіни.

У напрямку опорних реакцій:

• распорочние арочні ферми та інші.

Групи сталевих конструкцій для вибору марок стали:

• I-я група: фасонки і опорні плити ферм;
• II-а група: пояса, розкоси і шпренгелів, стійки.

Для першої групи приймається сталь марки не нижче С255, для інших - С245.

Тип перетину [ правити | правити код ]

За типом поперечних перерізів сталеві ферми проектують з прокатних профілів:

• куточок
  • одиночний куточок
  • два симетричних куточка
  • два несиметричних куточка (для стійок і розкосів; пояса - з симетричних куточків)
• труба (Кругла, квадратна, прямокутна)
• швелер
• тавр та двотавр

Конструктивно будь-яка ферма складається з елементів: пояс, стійка, розкіс , Шпренгель (Опорний розкіс).

• панель - відстань між вузлами пояса;
• проліт - відстань між опорами;
• висота ферми - відстань між зовнішніми гранями поясів;
• підйом ферми - відношення висоти ферми до її прольоту; залежить від матеріалу покриття та умов пристрою споруди.

Пояс ферми сприймає подовжні навантаження, решітка - поперечні; Шпренгель служить підтримує елементом, що зменшує розрахункову довжину опорного розкосу або стійок і розкосів ферми.

Дерев'яні ферми [ правити | правити код ]

Дерев'яні ферми влаштовуються:

• для односхилих дахів
  • наслоннимі - кроквяні ноги спираються на стіни або стовпи (колони) будівлі;
• для двосхилих дахів
  • висячими - кроквяні ноги зв'язуються затягуванням, що не дає ногам розходитися і розпирати стіни будівлі;
  • арочними - з дощатих арок, що підтримують покрівлю за допомогою прогонів .

Ноги висячих ферм підпираються в середині підкосами, упирається в бабку, яка привешивается до вершини ферми і в той же час підтримує затяжку за допомогою підвісної хомута . Висяча система з бабкою - найдавніша форма раціональної дерев'яної кроквяної ферми; при великих прольотах в точках перетину підкосів з ногами підвішуються додаткові бабки.

Металеві ферми [ правити | правити код ]

Тип перетину елементів ферм [15] :

• профілі відкритого типу - одиночні і парні куточки , Гнутосварних профілю, швелери , Таври, двутаври ;
• профілі замкнутого типу - труби круглого і прямокутного перерізу.

У разі застосування профілів відкритого типу (куточок, швелер, двотавр і т. Д.) На кінцях ферм передбачаються посилені відбортовки [16] або спеціальні потовщення - бульби [15] .

пояси

Для кріплення прогонів, на верхній пояс ферм встановлюється куточок з отворами для болтів.

При тому, що спирається залізобетонних плит покриття верхній пояс ферми посилюється накладками товщиною t, мм:

• 12 - при кроці ферм 6 м;
• 14 - при кроці ферм 12 м.

При великих прольотах (більше 12 м) і при необхідності зміни перетину поясів проектуються розриви. Розриви поясів зазвичай виносяться за межі вузлів для полегшення роботи фасонки, пояса перекриваються накладками з куточків або пластин. При незначних зусиллях можливий стик поясів в вузлі. Стикуються пояса зміщують по висоті не більше 1,5% для уникнення виникнення згинального моменту, який враховують в розрахунках.

сполучні прокладки

Профілі відкритого типу в парному виконанні при великих довжинах можуть працювати окремо один від одного (при стисканні можуть згинатися в різні боки), тому для їх більшої стійкості при спільній роботі встановлюють з'єднувальні прокладки - сухарики.

Якщо довжина спарених елементів ферм (поясів, стійок і розкосів) перевищує 40 r при стисненні і 80 r при розтягуванні, де r - будь-який мінімальний радіус інерції перерізу профілю, то такі елементи з'єднуються уздовж між собою додатковими прокладками - сухариками. При ширині профілю більше 90 мм сухарики встановлюються не суцільними, їх розривають на дві вузькі планки для економії стали [17] .

фасонки

Елементи ферми можуть з'єднуватися між собою встик або через сполучну пластину - фасонки .

Товщина фасонок залежить від зусиль в елементах ферми і для всіх елементів приймається однаковою, однак для великопрольотних ферм товщина опорних фасонок допускається на 2 мм більше і приймається для стали С38 / 23 по таблиці: [18]

Розрахункове зусилля, т до 15 16-25 26-40 41-60 61-100 101-140 141-180 181-220 221-260 261-300 300-380 до 500 Товщина фасонок, мм 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32

Для сталей відмінних від С238 / 23 може бути зменшена товщину фасонок множенням на коефіцієнт рівний 2100 / R, де R - розрахунковий опір сталі.

Якщо довільним чином скріпити на шарнірах кілька стрижнів, то вони будуть безладно крутиться навколо один одного, і подібна конструкція буде, як кажуть в будівельній механіці, «змінною», тобто якщо на неї натиснути, то вона складеться, як складаються стінки сірникової коробки. Якщо скласти зі стрижнів звичайний трикутник, то, конструкція складеться, тільки якщо зламати один зі стрижнів, або відірвати його від інших, така конструкція вже «незмінна».

Конструкція ферми містить в собі ці трикутники. І стріла баштового крана і складні опори , Всі вони складаються з маленьких і великих трикутників. Так як будь-які стрижні краще працюють на стиск-розтяг, ніж на злам, то навантаження до ферми прикладається в точках з'єднання стрижнів.

Фактично стрижні ферми зазвичай з'єднують між собою не через шарніри, а жорстко. Тобто, якщо два будь-яких стрижня відрізати від решти конструкції, вони не будуть обертатися відносно один одного, проте, в найпростіших розрахунках цим нехтують і вважають, що шарнір є.

Існує величезна кількість способів розрахунку ферм, простих і складних [19] ; це - аналітичні методи і побудова діаграми сил. Аналітичні методи засновані на прикладі розсічення ферм, один з найпростіших - розрахунок методом «наскрізного перетину» або «вирізання вузлів» ( шарнірів , що з'єднують стрижні ). Даний спосіб універсальний і підходить для будь-яких статично визначених ферм. Для розрахунку всі сили , Що діють на ферму, зводять до її вузлів. Далі застосовують два варіанти розрахунку.

Перший - спочатку виконується знаходження реакцій опор звичайними методами статики (складання рівнянь рівноваги), потім розглядається будь-який вузол, в якому сходяться тільки два стержня. Вузол подумки відокремлюють від ферми, замінюючи дію розрізаних стержнів їх реакціями, спрямованими з вузла. В цьому випадку діє правило знаків - розтягнутий стрижень має позитивне зусилля. з умови рівноваги сходящейся системи сил (два рівняння в проекціях) визначаються зусилля в стрижнях, потім розглядається наступний вузол, в якому знову тільки два невідомих зусилля, і так до тих пір, поки не будуть знайдені зусилля у всіх стержнях.

Інший спосіб - не визначати реакції опор, а замінити опори опорними стержнями, а потім вирізати всі вузли (числом n) і для кожного скласти по два рівняння рівноваги. Далі вирішують систему 2n рівнянь і знаходять все 2n зусилля, включаючи зусилля в опорних стержнях (реакції опор). У статично визначених фермах система повинна замкнутися.

Метод вирізання вузлів має один істотний недолік - нагромадження помилок в процесі послідовного розгляду рівноваги вузлів або прокляття розмірів матриці системи лінійних рівнянь , Якщо складається глобальна система рівнянь для всієї ферми. Цього недоліку позбавлений метод Ріттера [20] . Є й архаїчний графічний метод розрахунку - діаграма Максвелла - Кремони , Корисний, проте, в процесі навчання. У сучасній практиці використовуються комп'ютерні програми, більшість з яких заснована на методі вирізання вузлів або методі кінцевих елементів . Іноді в розрахунках застосовують метод заміни стрижнів Геннеберг [21] і принцип можливих переміщень [22] .

Розрахункові довжини елементів

Розрахункові довжини елементів ферм (поясів, стійок і розкосів) приймається рівною довжині елемента, помноженої на коефіцієнт приведення довжини μ [23] :

• в площині ферми:
  • μ = 1,0 - для стисненого верхнього пояса в площині ферми (повна геометрична довжина елемента між центрами вузлів);
  • μ = 1,0 - для опорних розкосів ферм (на увазі малого впливу защемлення), які розглядаються як продовження пояса;
  • μ = 0,8 - для всіх стійок і розкосів, крім опорного, в зв'язку з деяким защемлением решт розкосів, викликаним розтягнутими елементами, пов'язаними з фасонок.
• з площини ферми:
  • μ = 1,0 - для стиснутих розкосів і стійок (повна розрахункова геометрична довжина між центрами вузлів);
  • μ = 1,0 - для стиснутих поясів; якщо прогони прикріплені до зв'язків, що важко при монтажі, або по прогонах покладений жорсткий настил (профлист прикріплений шурупами до прогонів через приблизно 30 см і по профлисту виконана монолітна залізобетонна плита), або в беспрогонном покритті збірні плити покриття приварені до поясів ферм.

Робочий проект складається з двох частин: Пояснювальна записка і креслення марки КМ (конструкції металеві), що виконуються проектувальником, на основі якої виконуються креслення марки КМД (конструкції металеві, деталювальні) конструкторським відділом заводу-виготовлювача з урахуванням наявності матеріалів (прокатна сталь і ін.) і технологічних можливостей і обмежень заводу і монтажною організацією (механізмів для конструювання: зварювальні апарати і ін .; механізмів для монтажу: крани, талі та ін.).

В креслення марки КМ входить

• заголовний і титульний листи;
• Пояснювальна записка;
• схеми розташування елементів;
• вузли сполучення елементів;
• габаритні і прив'язок;
• дані про навантаження, зусиллях і перетинах;
• технічна специфікація металопрокату.

В креслення марки КМД входить

• заголовний і титульний листи;
• монтажні схеми;
• деталювальні креслення відправних елементів і монтажних метизів.

Робочі креслення виконуються в спеціальній марочної системі.

Подвійна важка дерев'яна ферма прольотом 80 футів.

Опора ЛЕП.

1. ↑ Дарков А. В. «Будівельна механіка». - М.: вища школа , 1986. - 607 с.: Іл.
2. ↑ Муханов К. К. «Металеві конструкції». § 34 «Область! Застосування и класіфікації ферм». С. 287-293.
3. ↑ Reif F. etymonline.com (1965).
4. ↑ Oxford English Dictionary
5. ↑ Noble, Allen George. Traditional buildings a global survey of structural forms and cultural functions. London: IB Tauris ;, 2007. 115. ISBN 1845113055
6. ↑ Davies, Nikolas, and Erkki Jokiniemi. Dictionary of architecture and building construction. Amsterdam: Elsevier / Architectural Press, 2008. 394. ISBN 0750685026
7. ↑ Davies, Nikolas, and Erkki Jokiniemi. Architect's illustrated pocket dictionary. Oxford: Architectural Press, 2011. 121. ISBN 0080965377
8. ↑ Crabb, George. Universal Technological Dictionary Or Familiar Explanation of the Terms used in All Arts and Sciences ... ", Volume 1 London: 1823. Couples.
9. ↑ Shekhar, RK Chandra. Academic dictionary of civil engineering. Delhi: Isha Books, 2005. 431. ISBN 8182051908
10. ↑ Наприклад, див. Схему навантажень на боковину кузова, що несе автомобіля, представлену у вигляді стрижневий системи з зазначенням величин навантажень, які долають стрижнями. У реального кузова боковина утворена металевими профілями закритого і відкритого перетину - коробами порогів, стійками і прогонами даху, підвіконними брусами і т. П., Які пр розрахунку розглядаються як стрижні ферми.
11. ↑ Васильєв А. А. «Металеві конструкції», 1976. Глава IX «Ферми». § 3 «Короткий історичний огляд розвитку металевих конструкцій». Стор. 8-10.
12. ↑ Кудишин Ю. І. «Металеві конструкції», 2008. Розділ 1. Глава 9. § 9.1 «Класифікація ферм і області їх застосування». Стор. 264.
13. ↑ Васильєв А. А. «Металеві конструкції», 1976. Глава IX «Ферми». § 33 «Характеристика, класифікація, компоновка і типи перетину ферм». Стор. 210-213.
14. ↑ 1 2 3 4 5 Файбишенко В. К. «Металеві конструкції», 1984. Глава 5 «Ферми». § 5.2 «Кроквяні ферми, обриси і типи решіток». Стор. 92-98.
15. ↑ 1 2 Файбишенко В. К. «Металеві конструкції», 1984. Глава 5 «Ферми». § 5.5 «Робота і розрахунок кроквяних ферм». Стор. 105-110.
16. ↑ пункт 7.1.4 128.13330.2016 Алюмінієві конструкції. Актуалізована редакція СНиП 2.03.06-85.
17. ↑ Будур А. І., Белогуров В. Д. «Довідник конструктора. Сталеві конструкції". 2010. Розділ III «Нормальний». Таблиця «Відстань між прокладками складових перетинів». Стор. 77-81.
18. ↑ Васильєв А. А. «Металеві конструкції», 1976. Стор. 233.
19. ↑ Кірсанов М. Н. методи розрахунку на YouTube
20. ↑ Потапов В. Д., Александров А. В., Косіцин С. Б., Долотказін Д. Б. Будівельна механіка. Кн. 1. - М.: Вища школа, 2007. - 511 с. - ISBN 978-5-06-004891-9 .
21. ↑ Кірсанов М. Н. «Maple і Maplet. Рішення задач механіки ». - СПб. : «Лань», 2012. - С. 39. - 512 с. - ISBN 978-5-8114-1271-6 .
22. ↑ Кірсанов М. Н. «Завдання з теоретичної механіки з рішеннями в Maple 11». - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - С. 56. - 264 с. - ISBN 978-5-9221-1153-9 .
23. ↑ Муханов К. К. «Металеві конструкції». § 37 «Підбір перерізів елементів ферм». Стор. 308-321.

Нормативна література [ правити | правити код ]

• ЦНІЇСЬК ім. В. А. Кучеренко Держбуду СРСР. «Керівництво з проектування зварних ферм з одиночних куточків». - М.: «Стройиздат», 1977. - 14 с. - 40 000 прим.

Технічна література [ правити | правити код ]

• Файбишенко В. К. Глава 5 «Ферми» // «Металеві конструкції». Учеб. посібник для вузів. - з мул .. - М.: «Стройиздат», 1984. - С. 92-135. - 336 с. - 53 000 прим.
• Васильєв А. А. Глава IX «Ферми» // «Металеві конструкції» / Краснов В. М.. - 2-е изд., Перераб. і доп. - М.: «Стройиздат», 1976. - С. 210-252. - 420 с. - 35 000 прим.
• Муханов К. К. Глава VII «Ферми» // «Металеві конструкції». Підручник для вузів / Давидов С. С.. - 3-е изд., Исправ. і доп. - М.: «Стройиздат», 1978. - С. 287-339. - 572 с.
• Будур А. І., Белогуров В. Д. «Сталеві конструкції». Довідник конструктора / Під загальною ред. Шимановського А. В.. - К.: «Сталь», 2010. - 299 с.
• Трофимов В. І., Камінський А. М. Глава 3 «ферменную конструкції» // «Легкі металеві конструкції будівель і споруд». Учеб. допомога. - М.: «АСВ», 2002. - С. 89-121. - 576 с. - 3000 екз. - ISBN 5-93093-122-4 .
• Сахновський М. М. Розділ IV «Розрахунок конструювання з'єднань і елементів зварних конструкцій». § «Ферми» // «Довідник конструктора будівельних зварних конструкцій». - Дніпропетровськ: «Промінь», 1975. - С. 146-150. - 237 с. - 40 000 прим.
• Кудишин Ю. І., Беленя Е. І., Ігнатьєва В. С. та ін. Розділ 1. Глава 9 «Ферми» // «Металеві конструкції». Підручник для студ. вищ. навч. закладів / За ред. Кудишин Ю. І.. - 11 вид., Стер .. - М.: Видавничий центр « академія », 2008. - С. 261-301. - 688 с. - 3 000 прим. - ISBN 978-5-7695-5413-1 .