Металлоконструкции в архитектуре » Конструкции, активные по вектору. Фермы

Фермы представляют собой системы стержневых элементов, объединенных в узлах в геометрически неизменяемые решетчатые пролетные конструкции. Фермы относятся к типу несущих систем, активных по вектору в плане взаимодействия с внешним силовым потоком.

Ферменные конструкции приобрели широкое распространение благодаря ряду основных весомых преимуществ:

  • Возможность перекрытия больших пролетов.
  • Экономичность.
  • Свобода организации конструктивной формы.
  • Возможность пропуска коммуникаций в пространстве между стержнями.

    Недостатками ферменных конструкций является их значительная строительная высота и трудоемкость изготовления.

    Фермы как стержневые конструкции состоят из верхнего и нижнего поясов, а также системы решетки. Верхний пояс ферм воспринимает сжатие, а нижний воспринимает растяжение; элементы решетки воспринимают сдвигающие усилия.

    Классификация ферм

    В зависимости от предназначения, архитектурных требований и схемы приложения нагрузок, фермы могут иметь самую разнообразную конструктивную форму. По топологии различают плоские и пространственные ферменные конструкции.

    По внешней конструктивной схеме в основном различают балочные, рамные, арочные и вантовые фермы. Рамные и арочные фермы более эффективно распределяют внешний силовой поток, чем балочные, но сложнее в выполнении и более чувствительны к неравномерным осадкам основания. Использование различных конструктивных принципов ферм дает комбинированные системы.

    Вантовые фермы являются конструкциями, которые более приближены к активным по форме несущим системам, однако в них присутствуют сжатые элементы. Вертикальные решетчатые башни и иные подобные конструкции фактически также могут рассматриваться как вертикальные фермы.

    По внутренней конструктивной схеме различают фермы с шарнирным и жестким примыканием элементов в узлах. Шарнирное примыкание решетки к поясам, как правило, осуществляется путем приваривания на пластинчатые элементы – фасонки. Шарнирная работа такого узла с образованием угла поворота обеспечивается в предельном состоянии пластическими деформациями фасонки.

    Фермы с жесткими узлами выполняются путем непосредственной приварки элементов решетки к поясам, но при этом должно учитываться перераспределение изгибающих моментов между элементами.

    Абрисы поясов ферм могут быть самыми различными в зависимости от функциональных, конструктивных и архитектурных требований. Абрис поясов ферм значительным образом определяет их технологичность и совместимость с решением других конструкций здания. Также абрисы зависят от типа кровли, которая требует некоторого угла наклона для удаления воды и снега, а также от уровня рациональности статической схемы, что связано с максимальным приближением конструктивной формы к эпюре изгибающих моментов балочной аналогии, а также типа соединения фермы с опорой.

    При обустройстве теплых кровель с гидроизоляционным слоем уклон верхнего пояса может быть небольшим-1,5-5%. В этом случае используют фермы с параллельными поясами и трапециевидные.

    В холодных покрытиях без гидроизоляционного слоя, обустроенных из профилированных металлических листов или черепицы, обустраивают уклоны до 400, чтобы предупредить проникновение атмосферных осадков под покрытие. В таких кровлях используют треугольные или арочные фермы. Подъем верхнего пояса также позволяет уменьшить снеговые нагрузки, а строительный подъем нижнего пояса – компенсировать прогибы фермы при значительных пролетах.

    При повышенных архитектурных требованиях могут быть также применены криволинейные, переменные и иные сложные абрисы ферм. Выбор типа геометрии решетки ферм зависит от схемы приложения нагрузок, абриса поясов, конструктивных и архитектурных требований. Применение различных типов решетки имеет существенное влияние на массу и трудоемкость изготовления, а также определяет условия работы элементов поясов.

    Определение типа решетки должно происходить с согласованием крепления второстепенных несущих элементов к поясам фермы и применяемой системой связей.

    Треугольная система решетки, или так называемая ферма Уорена, имеет наименьшую суммарную длину и наименьшее количество узлов, но расстояния между узлами примыкания раскосов к поясу при этом являются наибольшими, что не рационально для сжатых стержней.

    При использовании раскосной симметричной решетки все раскосы при гравитационном типе загрузки имеют усилия одного знака, а стойки – другого; кроме того, уменьшаются расстояния между узлами. В то же время при этом растет количество узлов и суммарная длина раскосов и стоек.

    Следует отметить также, что в стальных фермах при вертикальном гравитационном превалирующем типе нагрузки выгодны нисходящие раскосы, поскольку все они растянуты. Такой тип также известен как ферма Пратта (Pratt).

    В практике получила распространение схема, которая объединяет преимущества обоих типов решетки – треугольная решетка с дополнительными стойками . Ее применение позволяет уменьшить свободную длину сжатых элементов верхнего пояса и создает больше узлов для возможного опирания на него несущих элементов кровли.

    Шпренгельная решетка используется в случае необходимости уменьшения расстояния между узлами верхнего пояса в фермах большой высоты, а также для упреждения возникновения местного изгиба при внеузловом воздействии внешней нагрузки.

    Ромбическая и полураскосная решетки обеспечивают большую жесткость фермы и являются рациональными при больших поперечных усилиях. Такие типы решеток применяют в башнях, мостах и иногда в многопролетных покрытиях.

    Крестовая решетка применяется в фермах, элементы которых воспринимают знакопеременные усилия от разнонаправленных нагрузок. Такой тип решетки широко применяется, например, в связевых системах покрытий, мостах, высотных зданиях, пространственных фермах и т. п.

    Полностью безраскосные фермы, так называемые фермы Веренделя, в которых есть только вертикальные стойки, позволяют реализовать максимальное пространство между стойками для пропуска коммуникаций или прохода, но при этом работают по рамной схеме, и в них возникают большие изгибающие моменты.

    По способу соединения элементов в узлах, фермы различают на сварные и болтовые. Основными типами соединений элементов ферм в узлах являются сварные. Болтовые соединения, как правило, на высокопрочных болтах, применяют в монтажных узлах. Соединения на болтах элементов решетки применяют обычно в тех случаях, когда фермы имеют значительные генеральные размеры и поставляются на строительный участок отдельными стержнями, «россыпью».

    В зависимости от величины максимального усилия, которое действует в элементах ферм, их принято различать на легкие (<3000 кН) с применением сечений из прокатных профилей, или скомпонованных из них; и тяжелые (>3000 кН), в которых применяются сварные составные сечения.

    Основы проектирования ферм

    Поскольку фермы являются конструкциями, активными по вектору, в них действуют только продольные силы растяжения или сжатия. Соответственно элементы ферм с шарнирным примыканием рассчитывают на прочность или устойчивость при осевом силовом потоке. Исключение составляют элементы ферм с жестким примыканием или при наличии неразрезных поясов. Такие элементы должны быть также рассчитаны на возникающие моментные и поперечные усилия.

    Совокупность характерных геометрических параметров, определяющих ферменную конструкцию, являют собой генеральные размеры. Такими параметрами фермы являются пролет L, строительная высота h, высота в крайней опоре h0 и шаг узлов верхнего пояса LП. Данные параметры актуальны для ферм простых очертаний, в то время как для конструкций с переменными очертаниями поясов генеральные размеры дополняются радиусами кривизны и т. п.

    Выбор генеральных размеров фермы определяет не только ее конструктивные и эстетические, но и технологические характеристики. Высота отдельных монтажных элементов – отправочных марок, поставляемых с завода, должна быть не более 3,85 м, а длина – не превышать 15 м.

    В качестве сечений элементов в фермах в основном применяют парные уголки, трубы или гнутосварные квадратные и прямоугольные профили. Также получили распространение фермы с верхним неразрезным двутавровым поясом и решеткой из гнутосварных профилей. Это решение является эффективным с конструктивной точки зрения и позволяет перекрывать большие пролеты.

    Форма сечения замкнутых профилей предупреждает накопление грязи и иных источников коррозии, существенно сокращает суммарную поверхность покраски и огнезащиты. Общим недостатком замкнутых профилей в фермах является необходимость герметизации внутренних пустот для упреждения появления очагов коррозии, для чего устанавливаются заглушки или применяются герметики.

    Для конструкций бесфасоночных ферм с использованием труб, существует необходимость применения при изготовлении станков с программным управлением для фигурной резки торцов для примыкания элементов. Этот аспект также предполагает высокое качество проектной документации и квалификацию производственного персонала.

    Альтернативный вариант может предусматривать использование замкнутых профилей квадратного и прямоугольного сечения, примыкание которых в бесфасоночных узлах осуществляется простым резом под углом примыкания раскосов или внапуск.

    В несущих конструкциях междуэтажных перекрытий, где расстояние между поясами невелико, получили применение фермы с решеткой из одиночных уголков и круглой стали. Примыкание вспомогательных конструкций – связей, прогонов – в обычных фермах с разрезными поясами допускается только с центрированием на узлы в местах пересечения осей элементов решетки.

    В неразрезных конструкциях также придерживаются этого принципа, однако в них возможен вариант беспрогонного решения с опиранием настила непосредственно на верхний или нижний пояс ферм при их частом шаге. Для больших пролетов либо при повышенных нагрузках, как в распределительных аутригерах или опорных контурах, применяют так называемые «тяжелые» фермы. Сечения элементов таких конструкций чаще всего формируют из широкополочных двутавров либо эквивалентных сварных профилей, составленных из листов. Также в этих целях применяются трубы большого диаметра либо сварные коробчатые сечения, поскольку важными критериями выступают устойчивость элементов и минимальный вес конструкций.

    Фермы как конструктивный инструмент архитектурной формы

    Будучи активными по вектору при распределении силового потока и четко выражая свое конструктивное предназначение, фермы являются архитектурно привлекательными и часто участвуют в формировании внутренней среды и внешнего облика здания. Благодаря решетчатой структуре фермы способны перекрывать значительные пролеты, оставаясь визуально легкими и оставляя пространство для других подсистем здания.

    Поскольку сами по себе пояса обычно не имеют значительных габаритов, им может быть придана криволинейная форма перед укрупнением на заводе в ферменную конструкцию. Элементы решетки при этом остаются прямыми, что повышает экономичность решений. Такое решение позволяет создавать выразительные и узнаваемые конструкции кровли быстровозводимых зданий.

    Эффективность и концентрация усилий в фермах позволяет выполнять с их помощью самые сложные несущие функции. Это наглядно можно проследить на примере высотного здания в г. Сеул, Южная Корея. Стесненные условия и архитектурная концепция обусловили рамную форму здания с решетчатыми пространственными опорами, на которые опираются тяжелые фермы, давая возможность образовать три полноценных этажа, нависающих над существующими зданиями. Просвет между верхними и нижними этажами снижает затеняемость соседних быстровозводимых зданий.