Лебедева - Фермы,арки,тонкостенные пространственные конструкции

Н.В. Лебедева

ФЕРМЫ, АРКИ, ТОНКОСТЕННЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Допущено УМО по образованию в области архитектуры в качестве учебного пособия по направлению «Архитектура»

Москва Архитектура-С 2006

Лебедева Н.В.

Фермы, арки, тонкостенные пространственные конструкции/Лебедева Н.В.: Учеб. пособие. — М.: «Архитектура-С», 2006. - 120 с. ил.

Учебное пособие содержит курс лекций цикла «Инженерные конструкции» для  студентов архитектурной специальности высших учебных заведений. Рассмотрены строительные конструкции - фермы, арки, тонкостенные пространственные системы с элементами  статики сооружений. Изложены основы их расчета и конструирования при выполнении из  различных материалов металла, древесины, железобетона, пластмасс. Курс лекций базируется на материале учебника «Инженерные конструкции» для вузов но специальности «Архитектура».

Учебное пособие может быть использовано студентами инженерно-строительных вузов но специальности «Промышленное и гражданское строительство».

© Издательство «Архитектура-С» 2006

® Внешнее оформление «Архитектура-С» 2006

© Лебедева Н.В. 2006

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие «Фермы, арки, тонкостенные пространственные конструкции, представляющее курс лекций цикла «Инженерные конструкции», разработано с учетом организации учебного процесса в Московском архитектурном  институте и расширения самостоятельных форм обучения студентов.

Учебное пособие предназначено для студентов архитектурной специальности высших учебных заведений и составлено в соответствии с требованиями программы курса «Инженерные конструкции».

Программа учитывает специфику архитектурного творчества,  ориентирующегося, в первую очередь, на формы строительных конструкций, а во вторую, — на материалы, из которых они выполняются. В соответствии с этим изучение дисциплин инженерного цикла построено не по признаку материалов, а по  разновидностям строительных конструкций.

Данный курс является продолжением ряда усвоенных студентами  дисциплин: теоретической механики, сопротивления материалов, строительной  механики, архитектурных конструкций, технологии строительного производства,  архитектурного материаловедения, а также частей инженерного цикла «Основы  .металлических конструкций», «Основы конструкций из древесины и пластмасс», «Основы бетона и железобетона».

В предлагаемом курсе рассматриваются стержневые плоскостные конструкции (фермы, арки) и тонкостенные пространственные системы. Преемственность их связи представляется логичной, поскольку фермы и арки .могут служить не только самостоятельными несущи.ми конструкциями, но и входить в состав тонкостенных пространственных покрытий в качестве диафрагм оболочек, складок и т.п.

Учебное пособие состоит из 12 разделов. Каждый раздел соответствует  материалу, излагаемому преподавателем в лекции, включающей, главным образом, вопросы формообразования конструкций, приближенных методов их расчета, решения узлов и деталей, а также рекомендаций по рациональному применению.

Раздел 12 (факультатив) является дополнением к читаемому курсу лекций и отражает современную практику проектирования составных пространственных конструкций. Их эффективные конструктивные формы позволяют обогатить средства архитектурного проектирования, повысить технологичность  возведения сооружения и снизить материалоемкость конструкций.

Излагаемый материал базируется на действующих строительных нормах и правилах, сопровождается большим количеством иллюстраций и отражает  современные тенденции развития строительных конструкций.

В приложениях к учебному пособию приведены справочные данные,  необходимые для расчета и конструирования выбранного варианта. Для лучшего усвоения материала в пособии приводятся контрольные  вопросы, на которые студент в устной или письменной форме должен дать ответ. Материал учебного пособия может быть рекомендован для курсового и  дипломного проектирования.

Настоящее пособие может использоваться также студентами  инженерно-строительных вузов по специальности «Промышленное и гражданское строительство».

1. ФЕРМЫ

Общие сведения

Ферма — сквозная решетчатая конструкция, состоящая из отдельных  прямолинейных стержней, соединенных между собой в узлах. Эта система  геометрически неизменяема даже в том случае, если все реальные узловые соединения заменены идеальными шарнирами (рис. 1.1). В действительности узлы фермы не являются шарнирами. Пояса фермы представляют собой неразрезные стержни, а узловые соединения обладают значительной жесткостью. Фермы являются основой многих стержневых систем и разнообразны по  назначению. Их используют в конструкции покрытий зданий (стропильные,  подстропильные фермы), междуэтажных перекрытий, в качестве контурных  диафрагм оболочек, складок и др.; они могут быть мостовыми и подкрановыми. 

Область применения ферм — промышленное, гражданское и сельскохозяйственное строительство.

Фермы изготавливают из стали, алюминиевых сплавов, древесины,  железобетона. Иногда эти материалы комбинируют в целях наиболее рационального использования их свойств.

Ферма работает на изгиб от внешней вертикальной нагрузки, как правило, приложенной в узлах. Благодаря этому в элементах фермы возникают осевые растягивающие и сжимающие усилия, что обеспечивает более полное,  сравнительно с балками, использование несущей способности материала.

Фермы могут быть двухопорными (разрезными), многоопорными  (неразрезными) и консольными. Неразрезные фермы, разгруженные в пролете в  результате действия опорных моментов, оказываются легче разрезных. Однако они  сложнее в изготовлении, монтаже и чувствительнее к осадкам опор. Неразрезные и консольные фермы не типизированы и применяются редко, главным образом для уникальных покрытий больших пролетов.

Стропильные фермы покрытий могут иметь разнообразную форму,  отвечающую архитектурным и функциональным требованиям проектируемого объекта. Геометрическая схема фермы определяется очертанием поясов и видом решетки. По очертанию поясов стропильные фермы бывают четырехугольными (с  параллельными или непараллельными поясами), пятиугольными (трапециевидные), многоугольными (полигональные), сегментными (кругового или  параболического очертания), треугольными (с прямым или ломаным нижним поясом), одно- и двухскатными (рис. 1.2).

Очертание верхнего пояса ферм определяется, главным образом,  архитектурой здания и увязывается с материалом кровли и уклоном. Линию нижнего  пояса определяют наличие подвесного потолка, подвесного транспорта и  требования интерьера.

Фермы с параллельными поясами и трапециевидные наиболее просты по форме и в изготовлении, поэтому они широко применяются в гражданских и промышленных зданиях различного назначения, имея небольшую строительную высоту по сравнению с фермами других типов.

Треугольные фермы используются для покрытия зданий с крутой B5°...45°) холодной кровлей из мелкоразмерных материалов (кровельная сталь, черепица, плоские и волнистые асбестоцементные листы и т.п.). Конструктивные  недостатки этих ферм — разнотипность элементов и узлов.

Наиболее экономичны по расходу материалов сегментные фермы,  эффективность применения которых возрастает с увеличением пролета, но они трудоемки в изготовлении из-за кривизны верхнего пояса, а также различной длины  элементов решетки. Поэтому на практике сегментные фермы заменяют  полигональными, со спрямленными элементами верхнего пояса в пределах основных узлов.

Фермы с параллельными поясами проектируют под рулонную кровлю. Их достоинство — однотипность узлов и размеров элементов, оптимальные 55°...60°) углы между раскосами и поясами.

Трапециевидные, полигональные и сегментные фермы относятся к наиболее рациональным по расходу материалов и широко используются в современном строительстве.

В общественных зданиях находят применение линзообразные и вспарушенные фермы, а в промышленных зданиях — фермы с параллельными поясами и опиранием в узлах верхнего пояса и др.

Безраскосные фермы применяют в междуэтажных перекрытиях, когда  межферменное пространство используется в качестве эксплуатируемого этажа. Такая ферма

лишена свойства геометрической неизменяемости и может существовать при 

условии замены ее шарнирных узлов жесткими, т.е. превращением ее в рамл^. К 

недостаткам этих ферм относится возникновение значительных изгибающих моментов в

поясах и стойках, которые приводят к усилению их сечений и необходимости делать

узлы более жесткими, а следовательно, к повышенному расходу стали. Оптимальная высота фермы из условия миниматьной массы и требуемой  жесткости получается при отношении ее высоты к пролету: М= 1/4...1/5 (относительная высота фермы). Чем она больше, тем меньше усилия в поясах. Однако в этом случае фермы, имея значительную высоту, неудобны в транспортировке и монтаже,  завышают объемы здания. Поэтому рекомендуемые высоты ферм меньше оптимальных.

При одинаковой высоте наибольшую жесткость имеет ферма с параллельными поясами, наименьшую — треугольная. Рекомендуются рациональные  соотношения М для ферм различных очертаний: с параллельными поясами — 1/8...1/12; полигональных и сегментных — 1/6...1/10; треугольных — 1/4...1/6.

Неизменяемость фермы при любой нагрузке достигается устройством  решетки, образующей систему треугольников. Основные типы решеток — раскосная и треугольная. Иногда используют крестовую, ромбическую или полураскосную решетки (рис. 1.3).

При проектировании фермы учитывают наибольший возможный габарит, который из условий транспортировки по железной дороге не должен превышать 3,8 м по вертикали и 3,2 м по горизонтали.

Расстояние между узлами решетки по верхнему поясу называется панелью фермы. Рекомендуемая длина 1,„ равна 3 м, что соответствует ширине типовой кровельной плиты. При использовании 1,5-метровых плит длину панели сокращают вдвое, добавляя стойки в узлах или вводя в решетку шпренгели,  которые одновременно уменьшают и свободную длину раскосов в плоскости фермы.

С целью унификации параметров производственных зданий пролеты  типовых ферм приняты кратными 6 м.

Шаг ферм определяется архитектурным решением здания с учетом  требований модульной системы и конструктивных возможностей покрытия. 

Оптимальный шаг стропильных ферм составляет 6... 12 м.

При шаге колонн, превышающем шаг ферм, используют в продольном  направлении подстропильные фермы, на которые опираются пролетные  стропильные фермы (рис, 1.4 а).

Плоская ферма имеет малую горизонтальную жесткость из плоскости и  приобретает устойчивость только в блоке с другой фермой. Элементы, соединяющие две фермы, называют связями. С помощью системы связей фермы превращаются в решетчатую структуру с признаками пространственной работы (рис. 1.4 б. в).

Расчет ферм

При определении усилий в элементах фермы все узлы считаются  шарнирными (погрешность от замены жестких сопряжений шарнирными незначительна).

Расчет фермы состоит из следующих этапов: подсчет узловых нагрузок,  определение усилий в стержнях поясов и решетки; подбор сечений стержней  фермы с проверкой их прочности и устойчивости; расчет узловых и стыковых  соединений.