Опирание фермы сверху. Правила устройства и монтажа металлических ферм
Конструирование ферм начинают с вычерчивания осевых линий, образующих геометрическую схему фермы.
Затем наносят контуры стержней так, чтобы осевые линии совпадали с центрами тяжести сечений. Для несимметричных сечений (тавров, уголков) привязки осей округляют до 5 мм.
Когда сечение пояса по длине фермы меняется, в геометрической схеме принимают одну осевую линию поясов и к ней привязывают элементы пояса. Для удобства опирания примыкающих элементов (для ферм перекрытий - настила или прогонов) верхнюю грань пояса сохраняют на одном уровне. Места изменения сечения поясов выносят от центра узла в сторону меньшего усилия. Резку стержней решетки производят нормально к оси стержня; для крупных стержней можно допустить косую резку для уменьшения размеров фасонок. Для снижения сварочных напряжений в фасонках, стержни решетки не доводят до поясов на расстояние равному » шести толщин фасонок, но не более 80 мм. Между торцами стыкуемых элементов поясов ферм, перекладываемых накладками, оставляют зазор не менее 50 мм.
Толщину фасонок выбирают в зависимости от действующих усилий (табл. 7.2). При значительной разнице усилий в стержнях решетки можно принимать две толщины в пределах отправочного элемента. Допустимая разница толщин фасонок в смежных узлах - 2 мм.
Размеры фасонок определяют по необходимой длине швов крепления элементов. Необходимо стремиться к простейшим очертаниям фасонок, чтобы упростить их изготовление и уменьшить количество обрезков.
Целесообразно унифицировать размеры фасонок и иметь на ферму не более одного-двух типоразмеров. Фермы пролетом 18 – 36 м разбивают на два отправочных элемента с укрупнительными стыками в средних узлах. Целесообразно для удобства укрупнительной сборки и изготовления проектировать так, чтобы правая и левая полуфермы были взаимозаменяемы.
Фермы из парных уголков
В фермах со стержнями из двух уголков, составленных тавром, узлы проектируют на фасонках, которые заводят между уголками. Стержни решетки прикрепляют к фасонке фланговыми швами (рис. а).
Усилие в элементе распределяется между швами по обушку и перу уголка обратно пропорционально их расстояниям до оси стержня:
где b- ширина полки уголка;
z 0 - расстояние от центра тяжести уголка до его обушка.
а – крепление раскоса к фасонке; б – промежуточный узел;
в, г – опирание прогонов и плит
Рисунок – Узлы ферм из парных уголков
Для прокатных уголков в практических расчетах значения коэффициентов a 1 и a 2 можно принять по таблице.
Концы фланговых швов для снижения концентрации напряжений выводят на торцы стержня на 20 мм (рис. а). К поясу фасонки рекомендуется прикреплять сплошными швами минимальной толщины. Фасонки выпускают за обушки поясных уголков на 10...15 мм (рис.б). Швы, прикрепляющие фасонку к поясу, при отсутствии узловых нагрузок рассчитывают на разность усилий в смежных панелях пояса (рис.б) N = N 2 – N 1 . В месте опирания на верхний пояс прогонов или кровельных плит (рис.в) фасонки не доводят до обушков поясных уголков на 10...15 мм.
Таблица – Распределение усилий между швами по обушку и перу
Чтобы прикрепить прогоны, к верхнему поясу фермы приваривают уголок с отверстиями для болтов. В местах опирания крупнопанельных плит, если толщина поясных уголков менее 10 мм при шаге ферм 6 м и менее 14 мм при шаге ферм 12 м, верхний пояс ферм для предотвращения отгиба полок усиливают накладками t = 12мм. Во избежание ослабления сечения верхнего пояса не следует приваривать накладки поперечными швами.
Если к узлу приложена сосредоточенная нагрузка (рис. в),то швы, прикрепляющие фасонку к поясу, рассчитывают на совместное действие продольного усилия (от разницы усилий в поясах) и сосредоточенной нагрузки. Условно усилие F передается на участки швов l 1 и l 2 . Напряжения в швах от этого усилия
; (1)
от продольного усилия
,
где Sl w - суммарная длина швов крепления пояса к фасонке.
Прочность шва проверяют на совместное действие усилий по формуле
При расчете узлов обычно задаются k f и определяют требуемую длину шва.
Фасонки ферм с треугольной решеткой следует конструировать прямоугольного очертания, а с раскосной решеткой – в виде прямоугольной трапеции.
Для обеспечения плавной передачи усилия и снижения концентрации напряжений угол между краем фасонки и элементом решетки должен быть не менее 15°. Стыки поясов необходимо перекрывать накладками, выполненными из уголков (рис.а) (при одинаковой толщине поясов) или листов (рис.б). Для обеспечения совместной работы уголков их соединяют прокладками. Расстояние между прокладками должно быть не более 40 i для сжатых элементов и 80 i для растянутых, где i - радиус инерции одного уголка относительно оси, параллельной прокладке. При этом в сжатых элементах ставится не менее двух прокладок.
о - с уголковыми накладками, б - с листовыми накладками
Рис. - Узлы ферм с изменением сечения пояса:
Если уголки не соединены прокладками, то при расчете каждый уголок рассматривают отдельно, а его гибкость определяют, исходя из минимального для одного уголка радиуса инерции i min .
Конструкция опорных узлов ферм зависит от вида опор (металлические или железобетонные колонны, кирпичные стены и т.д.) и способа сопряжения (жесткое или шарнирное).
При свободном опирании ферм на нижележащую конструкцию опорный узел показан на рис. Давление фермы F R через плиту передается на опору. Площадь А пл определяют по несущей способности материала опоры:
где R оп - расчетное сопротивление материала опоры на сжатие.
Плита работает на изгиб от отпора материала опоры аналогично плите базы колонны.
Опорную плиту прикрепляют к опоре на анкерных болтах. Аналогично конструируют опорный узел при опирании фермы в уровне верхнего пояса (рис. б).
При шарнирном сопряжении наиболее простым является узел опирания фермы на колонну сверху с использованием дополнительной стойки (надколенника) (см. рис.).
Опорное давление фермы передается с опорного фланца фермы через фрезерованные поверхности на опорную плиту колонны. Опорный фланец для четкости опирания выступает на 10... 20 мм ниже фасонки опорного узла. Площадь торца фланца определяется из условия смятия: А³F R / R p ,
где R p - расчетное сопротивление стали смятию торцевой поверхности (при наличии пригонки).
Рисунок – Свободное опирание фермы
Рис. – Опирание фермы на колонну сверху
Верхний пояс фермы конструктивно на болтах грубой или нормальной точности (класс точности С или В) прикрепляют к фасонке надколонника. Для того чтобы узел не мог воспринять усилия от опорного момента и обеспечивал шарнирность сопряжения, отверстия в фасонках делают на 5...6 мм больше диаметра болтов.
Для проектирования жесткого узла сопряжения фермы с колонной необходимо прикрепить ферму к колонне сбоку (рис.). При жестком сопряжении в узле возникает помимо опорного давления F R момент М. Передача этих усилий производится раздельно.
Опорное давление F R передается на опорный столик. Опорный столик делают из листа t=30...40 мм или при небольшом опорном давлении (F R ≤200...250 кН) из уголков со срезанной полкой. Опорный фланец прикрепляют к полке колонны на болтах грубой или нормальной точности, которые ставят в отверстия на 3...4 мм больше диаметра болтов, чтобы они не могли воспринять опорную реакцию фермы в случае неплотного опирания фланца на опорный столик.
Рис. - Примыкание фермы к колонне сбоку
Момент раскладывается на пару сил Н = М / h оп, которые передаются на верхний и нижний пояса фермы. В большинстве случаев опорный момент имеет знак минус, т.е. направлен против часовой стрелки. В этом случае усилие Н прижимает фланец узла нижнего пояса к колонне. Напряжения на поверхности контакта невелики и их можно не проверять. Болты ставят конструктивно (обычно б... 8 болтов диаметром 20...24 мм). Если в опорном узле возникает положительный момент, то усилие Нотрывает фланец от колонны и болты следует проверить на растяжение.
e=M/N, где: М - величина опорного момента в панели пояса от ее пролетного загружения; N - усилие в колонне.
Наиболее рациональной областью применения полезной модели являются покрытия однопролетных зданий, изготавливаемых из прямоугольных замкнутых и прокатных профилей пролетами до 24 и более метров. Ил.2.
Полезная модель относится к строительству и касается узла опирания фермы с нисходящими раскосами на колонну.
Известен узел опирания фермы на колонну, содержащий трубчатый пояс и нисходящий раскос фермы и колонну с оголовком, в котором опорный узел фермы и колонны выполнены на фасонках (см. Металлические конструкции. Стройиздат. Москва 1973, стр.286, рис.18.26 б)).
Недостатком решения является необходимость и трудоемкость изготовления двух узлов.
Прототипом полезной модели является узел опирания фермы на колонну, содержащий ферму с нисходящими раскосами и наклонным поясом, выполненным из квадратных или прямоугольных профилей и колонну с жестко присоединенным к колонне оголовком, на который оперта через центрирующую прокладку ферма (см. Справочник проектировщика. Москва, Стройиздат 1980, стр.270, рис.15.18).
В таком решении нисходящий раскос выполнен из квадратной трубы, который препятствует выполнению опирания колонны на узел фермы и опорный узел приходится расчленять на два узла (на узел для фермы и узел для колонны), что приводит к трудоемкости выполнения общего узла решения рамы (узла опирания фермы на колонну).
Полезная модель направлена на упрощение изготовления опорного узла фермы с колонной и самой фермы.
Цель достигается тем, что в узле опирания фермы на колонну, содержащем ферму с нисходящими раскосами и наклонным поясом, выполненным из квадратных или прямоугольных профилей и колонну с жестко присоединенным к колонне оголовком, на который оперта через центрирующую прокладку ферма, согласно полезной модели, нисходящий раскос и подобные стержни фермы выполнены из двух швеллеров или уголков, прикрепленных стенками или полками профилей внахлест к поясам фермы, а оголовок колонны выполнен из двух отрезков швеллеров, ориентированных полками друг к другу и параллельных верхнему поясу фермы, при этом он размещен между нисходящими раскосами, уперт в верхний пояс фермы и прикреплен к нисходящим раскосам монтажными болтами.
Цель также достигается тем, что для ферм с загруженными поперек приопорными панелями, центр опорного узла фермы сдвинут наружу колонны на эксцентриситет равный
e=M/N, где: M - величина опорного момента в панели пояса от ее пролетного загружения: N - усилие в колонне.
Полезная модель поясняется чертежами, где: на фиг.1 - изображена схема фермы с поясом из квадратных или прямоугольных труб и нисходящими раскосами из двух швеллеров или уголковых профилей и колонн из прямоугольных или круглых труб; на фиг.2 - узел опирания фермы на колонну.
Узел опирания фермы 1 на колонну 2, например, из прямоугольных (фиг. 1) или круглых труб, содержит верний наклонный под углом «i» пояс 3 из квадратных или прямоугольных профилей. Нисходящие раскосы 4 фермы 1 и подобные стержни фермы (фиг.1) выполнены из двух параллельных швеллеров или уголков 4, прикрепленных стенками швеллеров или полками уголков внахлест к поясам 3 фермы 1 (фиг.2). Оголовок 5 колонны 2 выполнен из двух отрезков швеллеров 5, ориентированных полками друг к другу (сечение по 1-1) и параллельных верхнему поясу 3 фермы, при этом он размещен между нисходящими раскосами 4, уперт через центрирующую прокладку 6 в верхний пояс 3 фермы и прикреплен к нисходящим раскосам 4 монтажными болтами 7 (фиг.2).
Благодаря такому решению удается сократить количество узловых фасонок в опорном узле фермы и выполнить всю ферму за счет нахлеста стенок швеллеров и полок уголковых профилей, то есть снижается трудоемкость изготовления фермы, кроме того при монтаже ферма 1 насаживается на оголовок 5 колонны 2, что также упрощает монтаж фермы.
Для ферм с загруженными поперек приопорными панелями, (например, с опиранием профнастила на панель пояса или с опиранием на панель пояса прогона покрытия), центр 8 опорного узла фермы сдвинут наружу колонны на эксцентриситет равный
e=M/N, где: M - величина опорного момента в панели пояса от ее пролетного загружения; N - усилие в колонне.
Это позволяет уменьшить изгибные напряжения в приопорной панели, что полезно и определяется расчетом.
Наиболее рациональной областью применения полезной модели являются покрытия однопролетных зданий, изготавливаемых из прямоугольных замкнутых и прокатных профилей пролетами до 24 и более метров.
1. Узел опирания фермы на колонну, содержащий ферму с нисходящими раскосами и наклонным поясом, выполненным из квадратных или прямоугольных профилей, и колонну с жестко присоединенным к колонне оголовком, на который оперта через центрирующую прокладку ферма, отличающийся тем, что нисходящий раскос и подобные стержни фермы выполнены из двух швеллеров или уголков, прикрепленных стенками или полками профилей внахлест к поясам фермы, а оголовок колонны выполнен из двух отрезков швеллеров, ориентированных полками друг к другу и параллельных верхнему поясу фермы, при этом он размещен между нисходящими раскосами, уперт в верхний пояс фермы и прикреплен к нисходящим раскосам монтажными болтами.
2. Узел опирания фермы на колонну по п.1, отличающийся тем, что для ферм с загруженными поперек приопорными панелями центр опорного узла фермы сдвинут наружу колонны на эксцентриситет, равный e=M/N, где M - величина опорного момента в панели пояса от ее пролетного загружения; N - усилие в колонне.
Примыкание фермы к колонне сбоку позволяет осуществлять как шарнирное, так и жесткое сопряжение ригеля с колонной (рис. 5.8).
При жестком сопряжении в узле возникает, помимо опорного давления FR , узловой момент M . При расчете момент заменяется парой горизонтальных сил H 1 = M /h о , которые воспринимаются узлами крепление нижнего и верхнего поясов к колонне. Нижний пояс дополнительно воспринимает усилие от распора рамы N p = Q . В большинстве случаев опорный момент фермы имеет знак минус, т.е. направлен против часовой стрелки. В этом случае сила Н 1, как и Н р , прижимает фланец узла нижнего пояса к колонне. Сжимающие напряжения на поверхности контакта невелики и не проверяются.
Опорный фланец крепится к полке колонны на болтах грубой или нор-мальной точности, которые ставятся в отверстия на 3 – 4 мм большедиаметра болтов, чтобы они не могли воспринимать опорную реакцию фермы в случае неплотного опирания фланца на опорный столик. Количество болтов принимается конструктивно (обычно 6…8 болтов диаметром 20 – 24 мм).
Если в опорном узле возникает положительный момент (это возможно, как правило, при легких кровлях), то усилие Н отрывает фланец от колонны, следовательно, болты следует рассчитывать на растяжение с учетом эксцентриситета, вызванного несовпадением центра болтового поля и осевой линии нижнего пояса фермы, по которой приложено усилие Н (рис. 5.9).
Рис. 5.8. Узел сопряжения фермы с колонной
Рис. 5.9. К расчету болтов крепления фланца опорного узла к колонне
Условно предполагается, что возникающее при этом вращение узла проходит вокруг линии, проходящей через ось болтов, наиболее удаленных от точки приложения силы Н (примерно на 40 – 80 мм ниже верха фасонки).
Усилие, приходящееся на наиболее нагруженный болт определяется по формуле
N max = N 1 = ,
где z – расстояние от нижнего пояса фермы (линия приложения силы Н ) до оси наиболее удаленного болта;
l 1 – расстояние между крайними болтами;
– сумма квадратов расстояний между осями болтов и осью вращения узла (
);
n = 2 – количество болтов в каждом горизонтальном ряду соединения.
Вертикальное давление FR передается с опорного фланца узла фермы через строганные поверхности на опорный столик, причем фланец выпускается за пределы фасонки на а ≤ 1,5 tф .
Опорный столик выполняется из листа стали толщиной 30 –40 мм или при небольшом опорном давлении (FR = 200 – 250 кН) из отрезка уголка с частично срезанной полкой. Опорный столик делается несколько шире опорного фланца и приваривается к колонне.
Сопряжение фермы с колонной можно считать шарнирным, если фланец верхнего узла фермы сделать тонким (tфл = 8 – 10 мм) и возможно малой длины, а расстояние между болтами по горизонтали принять достаточно большим (b о = 160 – 200 мм). В этом случае фланец будет гибким и не сможет воспринимать сколько-нибудь существенную силу Н 1.
При жестком сопряжении фланец верхнего узла и болты его крепления к колонне рассчитываются на отрывающее усилие Н 1.
Другим вариантом шарнирного узла при примыкании фермы к колонне сбоку является сопряжение верхнего пояса с колонной на болтах нормальной точности, поставленных в овальные отверстия.
В нижнем опорном узле передача опорного давления FR и горизонтальной силы, появляющейся в результате узлового момента рамы, осуществляется раздельно.
Пример 5.8. Рассчитать конструкцию жесткого сопряжения фермы с колонной (см. рис. 5.8). Максимальный отрицательный опорный момент М = – 1144,6 кН∙м. Опорное давление FR = – 479,3 кН. Усилия в нижнем поясе N 1 = + 399,4 кН, в опорном раскосе N 2 = – 623,9 кН. Поперечная сила в колонне на уровне нижнего пояса фермы Q = – 112,6 кН.
Материал конструкций – сталь С255 с расчетными сопротивлениями Rу = 24 кН/см2 и Rs = 0,58 Ry = 13,92 кН/см2. Сварка механизированная в среде углекислого газа, сварочная проволока Св-08Г2С, диаметр проволоки d = 2 мм. Расчетные сопротивления: металла шва Rwf = 21,5 кН/см2, металла по границе сплавления Rwz = 16,65 кН/см2. Сварка выполняется в нижнем положении. Коэффициенты f = 0,9; z = 1,05; wf = wz = 1 (конструкция эксплуатируется при t > –40оC); с = 1.
Расчет швов выполняем по металлу границы сплавления.
Катеты швов принимаем в зависимости от толщины уголков. В одном узле желательно иметь не более двух типоразмеров швов. Полученные по расчету длины швов округляются в большую сторону до 10 мм. Если по расчету длина шва меньше 50 мм, то принимается lw = 50 мм.
Принимаем катеты швов:
– вдоль обушки kf = 10 мм < kf, max = 1,2tуг = 1,2 ∙ 9 = 10,8 мм;
– вдоль пера kf, min = 5 мм при толщине более толстого из свариваемых листов tф = 14 мм (см. табл. 3.5).
Определяем размеры фасонки в опорном узле фермы.
Толщину фасонки выбираем в зависимости от максимального усилия в стержнях решетки по табл. 5.6.
При усилии в опорном раскосе N 2 = – 623,9 кН принимаем толщину фасонки tф = 14 мм.
Размеры фасонок определяем по необходимой длине швов крепления нижнего пояса и опорного раскоса.
Прикрепление нижнего пояса к фасонке.
Nоб 1 = (1 – α )N 1 = (1 – 0,25) 399,4 = 299,55 кН,
где α = 0,25 – коэффициент, учитывающий долю усилия на сварные швы у пера при креплении неравнополочных уголков, составленных узкими полками (см. табл. 5.9).
Nn 1 = αN 1 = 0,25 ∙ 399,4 = 99,85 кН.
lw,об = Nоб 1/(2βzkf Rwzγwzγc ) = 299,55 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 8,57 см.
Принимаем конструктивную длину шва вдоль обушка с добавлением 1 см на дефекты в начале и конце шва lw,об = 100 мм.
lw,n = Nn 1/(2βzkfRwzγwzγc ) = 99,85 / (2 ∙ 1,05 ∙ 0,5 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 5,7 см.
Принимаем lw,n = 70 мм.
Рассчитываем прикрепление опорного раскоса к фасонке.
Усилие, воспринимаемое швами у обушка:
Nоб 2 = (1 – α )N 2 = (1 – 0,25) 623,9 = 467,93 кН.
Усилие, воспринимаемое швами у пера:
Nn 2 = αN 2 = 0,25 ∙ 623,9 = 155,97 кН.
Расчетная длина шва вдоль обушка
lw,об = Nоб 2/(2βzkfRwzγwzγc ) = 467,93 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 13,4 см.
Принимаем lw,об = 150 мм.
Расчетная длина шва вдоль пера
lw,n = Nn 2/(2βzkfRwzγwzγc ) = 155,97 / (2 ∙ 1,05 ∙ 0,5 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 8,92 см.
Принимаем lw,n = 100 мм.
Конструируем опорный узел фермы, исходя из размещения сварных швов требуемой длины и конструктивных требований (расстояние от низа пояса до торца опорного фланца не менее 150 мм).
Проверяем фасонку на срез:
Производим условную проверку фасонки на выкалывание по сечению 1-1 при полной длине Σl = lГ + lв = 170 + 200 = 370 мм (см. рис. 5.8). Проверка выполняется приближенно, когда плоскости среза наклонены к оси элемента под углами, близкими к 45о, по формуле
Центр швов, прикрепляющих фланец к фасонке, не совпадает с осью нижнего пояса. Эксцентриситет составил е = 80 мм.
Фланец для четкости опирания выступает на 15 – 20 мм ниже фасонки опорного узла, но не более a max ≤ 1,5tфл. Выпускаем фланец за пределы фасонки на а = 20 мм, что меньше a max = 1,5 ∙ 16 = 24 мм.
Размеры опорного фланца назначаем конструктивно: толщина tфл = 16 – 20 мм; высота l = hф + a = 400 + 20 = 420 мм; ширина bфл = 180 мм (из условия размещения двух вертикальных рядов болтов).
Вертикальная реакция фермы FR передается с опорного фланца через строганые поверхности на опорный столик.
Площадь торца фланца
Афл = bфлtфл = 18 · 1,6 = 28,8 см2.
Торец фланца проверяем на смятие:
где Rp = 33,6 кН/см2 – расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности (при наличии пригонки) для стали С255, принимаемое по табл. 2.4.
Определяем расстояние между линиями центров тяжести верхнего и нижнего поясов в опорном сечении фермы:
H о = Hop – (z 1 + z 3) = 3150 – (30 + 30) = 3090 мм,
где z 1 и z 3 – привязки поясов (расстояние от обушков до центра тяжести уголков), округленные до 5 мм.
Горизонтальное усилие, передаваемое на верхний и нижний пояса ферм:
H 1 = M /h о= 1144,6 / 3,09 = 370,4 кН.
Общее горизонтальное воздействие на нижний пояс
H = H 1 + Hp = 370,4 + 112,6 = 483 кН.
Швы, прикрепляющие фасонку опорного узла к фланцу, работают в сложных условиях (рис. 5.10).
Рис. 5.10. К расчету сварного шва крепления фланца к фасонке
При действии опорного давления FR швы срезаются вдоль, в них возникают напряжения:
τR = FR /(2βzkf lw ) = 479,3 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 39) = 5,85 кН/см2.
где kf = 10 мм (задаются в пределах 10 – 20 мм);
lw = hф – 10 = 400 – 10 = 390 мм.
Усилие Н приводит к срезу шва в направлении, перпендикулярном оси
τН = Н /(2βzkf lw ) = 483 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 39) = 5,9 кН/см2.
Поскольку центр шва не совпадает с осью нижнего пояса, на шов действует момент
М = Не = 483 ∙ 8 = 3864 кН∙см.
Под действием момента шов также работает на срез перпендикулярно оси шва:
τМ = М /Wz = 6M /(2βzkf lw 2) = 6 ∙ 3864 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 392) = 7,26 кН/см2.
Шов проверяем в наиболее напряженной точке А по металлу границы сплавления по результирующей напряжений:
14,4 кН/см2 <
< Rwzγwzγc = 16,65 кН/см2.
Угловые швы крепления столика рассчитываем на усилие
F = 1,2FR = 1,2 ∙ 479,3 = 575,16 кН,
где коэффициент 1,2 учитывает возможный эксцентриситет передачи вертикального усилия, непараллельность торцов опорного фланца фермы и столика (неточность изготовления), вызывающую неплотность опирания фланца (его перекос в своей плоскости), что приводит к неравномерности распределения реакции между вертикальными швами.
Высота опорного столика lст устанавливается по требуемой протяженности сварных швов:
lст = lw + 1 = F /(2βzkfRwγwzγc ) + 1 =
575,16 / (2 ∙ 1,05 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) + 1 = 17,45 см.
Принимаем столик из листа 220× 180× 30 мм.
В узле крепления верхнего пояса сила Н 1 = 370,4 кН стремится оторвать фланец от колонны и вызывает его изгиб (рис. 5.11).
а ) б )
Рис. 5.11. К расчету узла крепления верхнего пояса фермы к колонне:
а – работа фланца на изгиб; б – расчетная схема
Принимаем болты класса прочности 5.6 с расчетным сопротивлением болтов, работающих на растяжение, Rbt = 210 МПа = 21 кН/см2 (табл. 5.11).
Таблица 5.11
Расчетные сопротивления срезу и растяжению болтов
|
Напряженное состояние |
Обозначение |
Расчетные сопротивления, МПа, болтов классов |
||||||
|
Растяжение |
||||||||
П р и м е ч а н и е. В таблице указаны значения расчетных сопротивлений для одноболтовых соединений.
Задаемся диаметром одного болта dб = 24 мм с площадью сечения нетто Abn = 3,52 см2 (см. табл. 3.17).
Несущая способность одного болта на растяжение
Nb = AbnRbt = 3,52 ∙ 21 = 73,92 кН.
Необходимое число болтов
n = H 1/(Nbγc ) = 370,4 / (73,92 ∙ 1) = 5.
Принимаем n = 6, располагая их по ширине фланца в два ряда. Диаметр отверстия под болты d о = 27 мм.
Размещаем болты согласно требованиям (см. табл. 3.18)
Минимальное расстояние между центрами болтов
а 1 = 2,5d 0 = 2,5 ∙ 27 = 67,5 мм, принимаем а 1 = 80 мм.
Расстояние от центра болта до края элемента с = 1,5d 0= 1,5 ∙ 27 ≈ 40 мм.
Расстояние между болтами
b 0 = b – 2с = 200 – 2 ∙ 40 = 120 мм.
Высота фланца
а = 2а 1 + 2с = 2 ∙ 80 + 2 ∙ 40 = 240 мм.
Момент при изгибе фланца определяется как в защемленной балке пролетом b 0
Мфл = H 1 b 0 / 8 = 370,4 ∙ 12 / 8 = 555, кН∙см.
Требуемый момент сопротивления фланца
Wфл = Мфл / (Ry γc ) = 555,6 / (23 ∙ 1) = 24,16 см3.
Минимальная толщина фланца
tфл
= = 
= 2,46 см.
Принимаем tфл = 25 мм.
Шов крепления фланца к фасонке работает на срез и его катет определяется:
kf = H 1 / (2βz lw Rwz γwz γc ) = 370,4 / (2 ∙ 1.05 ∙ 23 ∙ 16.65 ∙ 1 ∙ 1) = 0,46 см,
где lw = а – 1 = 24 – 1 = 23 см.
Принимаем минимальный катет шва kf = 7 мм при полуавтоматической сварке более толстого листа tфл = 25 мм (см. табл. 22).
Металлические фермы часто применяются для возведения хозяйственных, производственных зданий и зданий коммерческого назначения. Стропильные системы из металла имеют ряд преимуществ, с другой стороны, при возведении частных домов они слишком дорого обходятся владельцу. Необходимость в них возникает только тогда, когда нужно сделать сверхпрочную крышу или возвести сложную конструкцию. Но и тогда домовладельцы предпочитают комбинированные стропильные системы – часть элементов в них делается из дерева, остальные – из металла.
Материал для устройства металлической стропильной конструкции
Обычно все элементы выполняются из профилированного металла – уголков, двутавров, швеллеров. Они могут иметь самую разную форму: метизы могут быть прямоугольными, трапециевидными, треугольными или более сложной геометрии.
При возведении производственных цехов, металлические стропильные системы часто монтируются на подстропильные прямоугольные фермы, тоже выполненные из металла (швеллеров или толстостенных квадратных труб). В качестве опор служат также армированные бетонные подушки или отдельные железобетонные или металлические колонны.
1) Нижний пояс фермы;2) Верхний пояс фермы;3) Раскос;4) Узловая фасонка;5) Листовая накладка;6) Кровельный несущий Z — профиль (толщина 1,5; 2мм);7) Болт М12; М16 (по расчету);
Отдельные узлы и элементы стропил соединяются с помощью косынок из стали, которые крепятся сваркой или болтовыми соединениями.
Для изготовления непосредственно стропил используются уголки. Уголки со сторонами одинакового размера идут на нижний пояс фермы, а из разносторонних уголков делают верхнюю часть конструкции. Уголки свариваются таким образом, чтобы получался тавр.
Чтобы связать элементы системы, делают конструкции из тавро- или крестообразных уголков. Крепления для стропил изготовляют из листовой стали, уголков или железных полос.
При возведении частных домов и небольших хозяйственных построек в качестве основного материала для стропильной системы используют гнутые . Такие системы получаются гораздо более лёгкими, притом обладают достаточной прочностью.
Технология монтажа металлических ферм
Главные достоинства стальных ферм по сравнению с – долговечность, особая прочность, индустриальность и простота монтажа.
Металлические стропила могут быть до 50 метров длины, имеют сравнительно небольшой вес, не подвержены деформации при резких перепадах температур. Их монтаж производится в строгом соответствии с деталировочными чертежами, в которых имеются монтажные схемы с обозначением марок отдельных элементов конструкции. Поэтому на объекте все детали конструкции имеют маркировку. Кроме того, обычно все элементы оборудованы монтажными отверстиями.
При сборке эти отверстия дают возможность подготовить стыки под сварку без применения струбцин, клиньев или хомутов – соединяемые детали фиксируются конусными и проходными оправками. Если же такие отверстия отсутствуют, самым простым способом предварительно зафиксировать соединяемые элементы, будет прихватка (короткие швы, стягиваемые с помощью струбцин).
Большинство элементов металлических ферм сваривается или соединяется болтами . Болтовые соединения самые простые, чёрными болтами крепят прогоны, стропильные фермы, связи, фахверк. Надёжность такого соединения зависит от степени натяжения болтов. Эту работу обычно проводят два монтажника, затягивают гайки специальными ключами с длинными рукоятками или пневматическими.
Сварные соединения в основном применяются при необходимости получить максимально жёсткое соединение . Между собой сваривают колонны и стропильные фермы, подкрановые балки и колонны, а также стыки колонн. Перед тем как делать сварку, отдельные конструктивные элементы соединяются грубыми монтажными болтами. Затем, для получения необходимой жёсткости, их сваривают между собой. Особенно ответственные соединения делают с помощью заклёпок.
При монтаже сначала устраиваются временные соединения, только после окончательной выверки и сборки конструкций производится окончательное закрепление всех монтажных элементов.
Монтаж стропильных металлических ферм производится с помощью стреловых кранов . Чтобы фермы не раскачивались используют ручные парные оттяжки. Они же помогают направлять ферму при установке. Перед тем как снимать стропы с фермы, она должна быть закреплена по крайней мере
половиной предусмотренных проектом болтов.
Если она монтируется на железнобетонные колонны или кирпичные стены, её крепят анкерными болтами . Начинают монтаж ферм в той части каркаса, где предусмотрена установка связей. Первые две фермы закрепляют, не снимая расчалок, всеми проектными связями и прогонами. Только после того, как все болтовые соединения надёжно закручены и все стыки проварены, можно расчаливать фермы.
Если монтаж производится краном с большой грузоподъёмностью, лучше монтировать фермы укрупнёнными блоками.
Стыки колонн
Обычно стыки колонн делают выше подкрановых балок, в надкрановой части конструкции. Колонны большой длины (свыше 18 м) транспортируют фрагментами. Затем их собирают и сваривают, иногда сварку делают при помощи специальных металлических накладок, которые крепят болтами и приваривают к соединяемым деталям. Торцы основных и надкрановых частей колоны аккуратно стыкуют, фиксируют и сваривают между собой. Оба фрагмента для усиления соединяются косынкой.
Соединение колонн с подкрановыми балками
При монтаже на колонну (на её опорную плиту) опирают вертикальное ребро подкрановой балки и затягивают соединение болтами. Затем делают дополнительное крепление балки тормозными конструкциями к надкрановой части колонны, закручивают болты и делают протяжённый сварочный шов.
Соединение колонн с фермами
Когда требуется жёсткое соединение оголовка колонны и стропильной фермы, в месте стыковки монтируют накладку, которая соединяется с поясом фермы и опорной плитой колонами. Используется болтовое соединение, затем вся конструкция сваривается. Нижний пояс (основание) фермы опирают фасонкой на монтажный столик и окончательно присоединяют к колонне с помощью болтов и сварки. В случае шарнирного опирания, к колонне прикрепляют верхний пояс фермы, жёстко соединяя фасонку и приваренные к колонне пластины.
Монтаж колонн
Перед тем как колонну начинают устанавливать, на её башмак (опорный лист) наносят монтажные осевые риски. Крепят к колонне лестницу-времянку; подмости (в местах примыкания ферм и подкрановых балок). После этого закрепляют строп и начинают подъём.
Колонну, на месте установки, наводят на анкера, опирают на выставленные строго по горизонтали опорные балки или подкладки. Затем совмещают риски на опорных листах с рисками на закладных деталях фундамента, выравнивают колонну и временно её закрепляют.
Колонны, высотой не больше 12 метров, фиксируют с помощью болтовых соединений, а более высокие колонны (или колонны с узкими башмаками) дополнительно фиксируют расчалками, которые не убираются до окончательного монтажа. Бывает что для надёжного закрепления колонны необходима заливка башмака бетонным раствором – её следует выполнять только после того, как колонна окончательно выверена и закреплена.
Если в проекте не предусмотрены связи между первой и второй смонтированными колоннами, их всё равно следует скрепить временными связями. Убирать временные связи можно только после того, как все остальные колонны будут окончательно установлены.
Установка конструкции подкрановых балок
Подкрановые балки монтируются на консоль или подкрановую ветвь металлической балки, соединяются сваркой или болтами. До начала транспортировки к месту монтажа, на неё устанавливают специальные приспособления для предварительного закрепления. На концах балки укрепляются оттяжки, которые позволяют регулировать её положение и наводить подкрановую балку в строго определённые места на консолях колонн. Подкрановые балки в проектное положение устанавливают, ориентируясь на осевые риски, которые нанесены на ней и на консолях колонн.
Окончательно устанавливают и закрепляют их после проверки их положения геодезическими приборами. Подкрановые балки привариваются к закладным деталям, которые смонтированы на колоннах.
Техника безопасности
Монтаж металлических ферм могут производить только квалифицированные монтажники и стропальщики, имеющие допуск к высотным работам. Каждый из них в обязательном порядке должен пройти инструктаж по технике безопасности перед началом работ. При монтаже следует надевать каски, рукавицы, соблюдать правила работы с подъёмными механизмами, а при работе на высоте – использовать монтажный пояс.
Металлические стропильные фермы позволяют возводить кровли большой площади качественно и в короткие сроки. На сегодняшний день им нет альтернативы в промышленном строительстве.
Общие требования к конструированию . Конструирование ферм начинается с вычерчивания осевых линий, образующих геометрическую схему конструкции, в соответствии с конфигурацией фермы и ее основными размерами. Сходящиеся в узлах осевые линии элементов должны пересекаться в центре узла.
На осевые линии наносятся контуры стержней, которые привязываются к осям по центрам тяжести сечения, при этом в сварных фермах расстояние от центра тяжести до обушка (привязка) округляется в большую сторону до целого числа, кратного 5 мм. В фермах с болтовыми соединениями уголки привязываются к осям по рискам, ближайшим к обушку.
Когда сечение пояса по длине фермы меняется, в геометрической схеме принимается одна осевая линия, при этом верхняя грань пояса сохраняется на одном уровне для удобства опирания примыкающих элементов. Смещение осей поясов ферм при изменении сечения допускается не учитывать, если оно не превышает 1,5% меньшей высоты сечения пояса.
Фасонки, с помощью которых образуются узлы ферм, принимаются простого очертания, чтобы упростить их изготовление и уменьшить количество обрезков.
Фасонки выпускаются за обушки поясных уголков на 15 – 20 мм для возможности наложения сварных швов. В местах установки прогонов, прикрепленных к уголковым коротышам, и в местах усиления пояса накладками при опирании железобетонных плит на верхний пояс фасонку не доводят (утапливают) до обушка уголков на 10 – 15 мм.
Порядок конструирования и расчета узлов стропильных ферм следующий
1) провести осевые линии элементов так, чтобы они сходились в центре узла;
2) к осевым линиям «привязать» поясные уголки. Для этого определить по сортаменту размер Z o от центра тяжести уголка до обушка и округлить его по правилу округления до 5 мм, получив тем самым расстояние от обушка уголка до осевой линии. Таким же образом нанести контурные линии стержней решетки. Расстояние между краями элементов решетки и пояса в узлах (а) следует принимать равным 6t - 20 мм, но не более 80 мм (здесь t _ толщина фасонки, мм);
Конструкция опорных узлов ферм зависит от способа сопряжения фермы с колонной.
При шарнирном сопряжении наиболее простым является узел опирания фермы на колонну сверху с использованием дополнительной стойки (надколонника). При таком решении возможно опирание ферм как на металлическую, так и на железобетонную колонну. Аналогично решается и узел опирания стропильной фермы на подстропильную.
При жестком сопряжении стропильная ферма примыкает обычно к колонне сбоку.
Опорное давление F ф передается на опорный столик. Опорный столик делают из листа t=30...40 мм при небольшом опорном давлении (F ф < ф. Опорный фланец крепят к полке колонны на болтах грубой или нормальной точности, которые ставят в отверстия на 3-4 мм больше диаметра болтов, чтобы они не могли воспринять опорную реакцию фермы в случае неплотного опирания фланца на опорный столик.
. 
^ Рис. 38. Опорные узлы ферм:1 – ребро жесткости; 2 – опорная стойка; 3 – ребро с овальными отверстиями;4 – ребро для крепления вертикальной связи; 5 – шайба
Сварные швы, крепящие опорное ребро к фасонке узла, рассчитываются на передачу опорной реакции фермы:
, (30)
где l
w - расчетная длина сварного шва, равная высоте фасонки за вычетом 1 см.
Для фиксации положения узла на колонне опорное ребро соединяется болтами нормальной точности с опорной стойкой, которая в свою очередь крепится болтами, а затем приваривается к оголовку колонны. С опорной стойкой через специальное ребро с овальными отверстиями соединяется болтами и фасонка верхнего узла фермы. Овальные отверстия допускают перемещение верхнего узла фермы относительно опорной стойки и тем самым обеспечивают свободное опирание фермы, т. е. без появления опорного момента. К ребрам опорной стойки крепятся также вертикальные связи.
