Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017





Яндекс.Метрика
         » » Компоновка и конструирование ферм, предварительно напряженными затяжками

Компоновка и конструирование ферм, предварительно напряженными затяжками

19.12.2015

Схемы ферм и размещение затяжек. Наиболее разработанным способом предварительного напряжения ферм, так же как и балок, является предварительное напряжение с помощью затяжек из высокопрочных материалов. Возможности варьирования конструктивных схем в фермах значительно шире, чем в балках, и поэтому эффект применения предварительного напряжения здесь в значительной мере зависит от рационально выбранной для данного конкретного случая схемы фермы и затяжки, а также последовательности предварительного напряжения.
Компоновка и конструирование ферм, предварительно напряженными затяжками

По характеру размещения затяжек и их влиянию на работу конструкции предварительно напряженные фермы можно разделить на два основных типа: фермы, у которых затяжки размещены в пределах каждого размещения стержня и вызывают предварительное напряжение только в этом стержне; фермы, у которых затяжки размещены в пределах всего пролета фермы или части его и вызывают предварительные напряжение в нескольких или во всех стержнях фермы.
Компоновка и конструирование ферм, предварительно напряженными затяжками

Фермы второго типа более разнообразны по конструктивным схемам и, как правило, являются более эффективными.
В фермах первого типа (рис. 1, а) предварительному напряжению подвергаются все или наиболее нагруженные растянутые стержни. Каждый стержень напрягается своей затяжкой, которая вызывает в нем предварительное напряжение сжатия. Конструирование, расчет и работа таких стержней изложены ранее. Статический расчет ферм ведется как обычных ферм без предварительного напряжения.
Предварительно напряженные фермы такого типа рациональны лишь при больших пролетах и нагрузках, когда каждый из предварительно напрягаемых стержней представляет собой достаточно мощный элемент заводского изготовления.
Предварительное напряжение каждого стержня производится или на заводе в процессе изготовления, или в процессе укрупнительной сборки на монтажной площадке. При этом в каждом из напрягаемых стержней можно получить экономию металла порядка 40—45%, но экономия металла на всю ферму составляет 8—10%. Чем больше пролет и мощность фермы, тем большую экономию можно получить.
В фермах рассматриваемого типа усложняется конструкция узлов, требуется большое количество анкерных креплений затяжек и повышается трудоемкость изготовления растянутых стержней, которая, однако, в условиях заводского изготовления может быть не столь значительной.
Наиболее простая схема ферм второго типа получается при устройстве одной или нескольких затяжек вдоль нижнего (растянутого) пояса (рис. 1 б-ж). Одна затяжка создает предварительное напряжение в нескольких панелях пояса, вдоль которых она размещена, но другие стержни предварительного напряжения не получают. При больших пролетах, когда разница усилий в панелях нижнего пояса значительна, целесообразно устраивать две затяжки (рис. 1, в, г). В этом случае средние панели, имеющие большие расчетные усилия от нагрузки, получают большее разгружающее предварительное напряжение от затяжек, и их материал используется более рационально. При равномерном предварительном напряжении всего нижнего пояса одной затяжкой величина предварительного напряжения лимитируется несущей способностью на сжатие крайних панелей.
Такая схема размещения затяжки возможна в фермах сравнительно небольших пролетов при постоянном сечении пояса.
Размещение двух затяжек по схеме рис. 1, в рациональнее, так как в этом случае получаются проще узлы и облегчается процесс натяжения.
Натяжение затяжек целесообразно производить до подъема ферм на места. Для обеспечения устойчивости пояса в процессе натяжения затяжки по длине соединяются с поясом диафрагмами через 40—50 радиусов инерции сечения одной ветви пояса. При одностенчатом сечении пояса каждая затяжка должна состоять из двух ветвей, расположенныx симметрично относительно центра тяжести в пределах сечения пояса (рис. 2, а, б, в). При двухстенчатых (рис. 3, в) или трубчатых (рис. 2, г, д) сечениях поясов, а также при расположении затяжки ниже пояса (рис. 2, е, ж) затяжки могут иметь одну ветвь, упрощает конструкцию анкерных закреплений и натяжение.
Постановка затяжек вдоль нижнего пояса повышает статическую неопределимость системы на единицу. Следовательно, однопролетные фермы с одной затяжкой рассчитываются как один раз статически неопределимые системы.
Экономия материала в таких фермах получается около 10—15%.
При закреплении затяжки, расположенной вдоль нижнего пояса на опорах, и больших пролетах ферм вследствие значительных деформаций нижнего пояса действие временной нагрузки может вызвать большие горизонтальные перемещения опор. Это затрудняет конструирование опорных узлов и приводит к нежелательным деформациям конструкции в процессе эксплуатации. Избежать деформаций можно устройством опорных узлов примерно на уровне нейтральной оси фермы с закреплением затяжки в первом от опоры узле нижнего пояса.
Компоновка и конструирование ферм, предварительно напряженными затяжками

При устройстве шпренгельных затяжек ломаного очертания эффективность предварительного напряжений повышается. В этом случае натяжением одной затяжки можно создать предварительное напряжение в большем количестве стержней.
Шпренгельные затяжки размещают в пределах габарита фермы (рис. 1, е, ж) или вне ее (рис. 4). В первом случае разгружающие усилия предварительного напряжения могут быть получены в нижнем поясе и в стержнях решетки в пределах наклонного участка затяжки (рис. 5). В крайних панелях верхнего пояса получаются сжимающие усилия от предварительного напряжения, что не имеет существенного значения если верхний пояс проектируется постоянного сечения по длине. На рис. 5 показаны знаки усилий в стержнях ферм от натяжения затяжки, состоящей из двух наклонных частей и одной прямолинейной. Из рисунка видно, что только в крайних панелях верхнего пояса знаки усилий предварительного напряжения совпадают с усилиями от нагрузки. Затяжка проектируется из двух или четырех ветвей, симметрично расположенных по сторонам фермы. Экономия металла в таких фермах получается порядка 15—18%.
Значительно большая экономия металла (25—30%) может быть получена при затяжке, вынесенной за пределы фермы (рис. 4). Оптимальная величина выноса затяжки может быть определена по формуле (1), полученной С.Н. Клепиковым из нахождения минимума объема металла фермы в функции h2,
Компоновка и конструирование ферм, предварительно напряженными затяжками

Остальные обозначения ясны из чертежа (рис. 6).
По формуле (1) высота h2 получается порядка (1,2—1,6) h1, что чрезмерно увеличивает высоту всей конструкции. Поэтому по конструктивным соображениям может оказаться необходимым принять h2 меньше оптимальной на 20—30%.
Компоновка и конструирование ферм, предварительно напряженными затяжками

Большая экономия металла получается в результате того, что при натяжении затяжек предварительное напряжение обратного знака по отношению к напряжениям от нагрузки возникает как в нижнем (снижающее), так и в верхнем (растягивающее) поясах и в основных стержнях решетки.
Недостатком такой конструкции является существенное увеличение габарита ферм, что не всегда возможно. Кроме того, затяжка не связана с нижним поясом фермы и не укрепляет его от потери устойчивости при предварительном напряжении. Это ограничивает возможности натяжения затяжки до установки фермы на место и заставляет или производить натяжение в проектном положении ферм после постановки связей, закрепляющих нижние пояса от потери устойчивости, или вести монтаж спаренными фермами, соединенными на укрупнительной сборке в пространственный блок (рис. 7, а).
Компоновка и конструирование ферм, предварительно напряженными затяжками

Так же можно создать пространственную трехпоясную ферму, устойчивость нижнего пояса которой в процессе предварительного напряжения будет обеспечена (рис. 7, б). Трехпоясную систему особенно удобно выполнять из трубчатых конструкций. Однако и в пространственных блоках создание предварительного напряжения «внизу» иногда затруднительно.
Конструкция ферм с выносной затяжкой несколько усложняется вследствие устройства дополнительных стоек, поддерживающих затяжку, и более сложного опорного узла с анкерными креплениями затяжки.
Многочисленные исследования показали, что наиболее эффективными являются предварительно напряженные фермы арочного типа с затяжками (рис. 8). Ферма этого типа имеет вспарушенный нижний пояс и прямолинейную затяжку по всей длине пролета (рис. 8, а) или части его (рис. 8, б). В этом случае, как и при выносной затяжке, натяжением затяжки создается предварительное напряжение во всех стержнях фермы. Однако габариты фермы не увеличиваются. Рациональность фермы во многом зависит от удачно выбранного очертания уклона поясов схемы решетки и т.п.
Компоновка и конструирование ферм, предварительно напряженными затяжками

Нижний пояс, сжатый в процессе предварительного напряжения, оказывается не закрепленным от потери устойчивости, поэтому, как и в фермах предыдущего типа, приходится натягивать затяжки в проектном положении ферм или создавать пространственные блоки.
Возможности варьирования компоновки ферм арочного типа очень большие.
Эффективность предварительного напряжения ферм в значительной степени зависит от последовательности натяжения затяжки. Натяжение затяжки в проектном положении конструкции после передачи на ферму части или всей постоянной нагрузки, как правило, дает больший эффект, чем натяжение до загружения ферм (рис. 9).
Компоновка и конструирование ферм, предварительно напряженными затяжками

Наиболее целесообразно производить натяжение в такой последовательности: ферма с затяжкой ставится в проектное положение, после чего загружается частью или всей постоянной нагрузкой. На этом этапе затяжка получает самонапряжение, работая в составе фермы как статически неопределимой системы. Затем дается натяжение затяжки, полностью или частично погашающее усилия в стержнях, возникшие от постоянной нагрузки, после чего к ферме прикладывается оставшаяся часть постоянной нагрузки или только временная нагрузка.
Такая последовательность производства работ дает возможность в какой-то степени воспроизвести двухступенчатое предварительное напряжение и использовать его преимущества. Несущая способность фермы при этом повышается, но затяжка должна быть более мощной.
Опытное проектирование показало, что в фермах типа арки с затяжкой при правильно выбранной последовательности натяжения и величины натягивающего усилия можно получить экономию стали 25—30%.
Наибольшую экономию стали можно получить при многоступенчатом натяжении затяжки.
В неразрезных фермах прямолинейные затяжки должны размещаться, как и в балках, вдоль растянутых поясов (рис. 10, а). Применяются также ломаные (в пределах габарита фермы), выносные и другие системы затяжек (рис. 10, 6, в).
Предварительное напряжение может создаваться также путем вертикального перемещения опор.
Компоновка и конструирование ферм, предварительно напряженными затяжками

Предварительное напряжение дает возможность создавать совершенно особый тип ферм, у которых все или почти все стержни выполнены из стальных канатов или пучков высокопрочной пропроволоки, но благодаря предварительному растягивающему усилию способны воспринимать сжимающие усилия от нагрузки. Такие фермы целесообразны при больших пролетах.
В конструкциях висячего типа в главной ферме, в которой подвешиваются жесткие элементы покрытия, все стержни могут быть из канатов или других гибких элементов. Такие фермы относятся к висячим предварительна напряженным конструкциям, и поэтому в данной работе не рассматриваются.
В стержневых конструкциях покрытий зданий возможны разнообразные схемы совместного предварительного напряжения поперечных и продольных элементов покрытия.
Интересным примером являются конструкции шатра производственного здания пролетом 42 м, оборудованного подвесной многоопорной кранбалкой грузоподъемностью 5 т (рис. 11). Фермы типа «арка с затяжкой» пролетом 42 м имеют шаг 6 м. Четыре подкрановые балки из прокатных профилей, расположенные через 12 м, прикрепляются к узлам ферм на уровне за-тяжки. Затяжка петлевидного типа закрепляется на концевых упорах в опорных узлах ферм и далее переходит с одной стороны фермы на другую, закрепляясь на верхних поясах подкрановых балок и образуя многозвеньевую восьмерку (рис. 11, а).
Натяжение затяжки производится «наверху» оттяжкой ветвей и закреплением их на верхних поясах подкрановых балок. Оттяжка и закрепление затяжки могут производиться при усилии 10—12 т вручную с помощью болтов c крюками (рис. 11. б) или, при больших усилиях, какими-нибудь другими приспособлениями. Натянутые и закрепленные затяжки вызывают сжимающие усилия в опорных узлах ферм и разгружающие усилия и стержнях ферм. В местах прикрепления затяжки к подкрановым балкам в плоскости верхнего пояса балок возникают усилия, растягивающие верхний пояс и сжимающие нижний. В результате вся система — фермы, затяжки, подкрановые балки — оказывается предварительно напряженной. В такой системе удобно осуществлять многоступенчатое предварительное напряжение и подтягивание за тяжки в случае ее ослабления. Силу натяжения надо прикладывать меньшую, чем при напряжении прямолинейных затяжек.
Проведенное Белорусским политехническим институтом испытание опытных ферм с описанной выше системой натяжения дало положительные результаты. Суммарная экономия металла в фермах и балках составляет 20—25%,
Компоновка и конструирование ферм, предварительно напряженными затяжками

Типы сечений стержней. Сечения стержней тяжелых ферм, получающих предварительное напряжение независимо от других стержней, компонуются по правилам конструирования предварительно напряженных растянутых стержней. Это могут быть двухстенчатые сечения из двух швеллеров, двутавра или труб. При стержнях из труб получаются сложные и неконструктивные узлы фермы. При расположении затяжки вдоль пояса сечение пояса может быть одностенчатым из двух уголков (рис. 2) или двухстенчатым (рис. 3). При двухстенчатых поясах удобнее размещать анкеры как в опорных, так и промежуточных узлах пояса.
Опытное проектирование показало, что в легких предварительно напряженных фермах (пролет 30—36 м) весьма рациональны стержни из гнутых профилей, так как устойчивость таких стержней, сжатых в стадии предварительного напряжения, повышается, что позволяет увеличить силу предварительного напряжения.
Применение в стержнях предварительно напряженных ферм гнутых профилей из стали повышенной прочности (14Г2) обеспечивает экономию металла до 45—50%.
При конструировании и изготовлении ферм необходимо обеспечить плотное примыкание затяжки к поясу в местах постановки диафрагм, чтобы избежать потери устойчивости пояса в процессе предварительного напряжения.
Конструирование ферм. В предварительно напряженных фермах возможно применение всех типов затяжек и анкерных креплений, рассмотренных ранее.
Отличными от обычных ферм являются узлы, в которых сходятся стержни, предварительно напряженные самостоятельными затяжками. Каждый стержень на торце имеет анкерное закрепление затяжки, которое должно быть выполнено возможно более компактным. Стержни в узлах при помощи сварки, заклепок или болтов прикрепляются к фасонкам. В месте прикрепления стержень должен быть усилен накладками, чтобы передать усилие с затяжки на фасонку. При расположении затяжки внахлестку закрепление ее в пролете возможно с помощью мощной диафрагмы, которая удерживает анкер одной затяжки и имеет отверстия для пропуска другой. Закрепление затяжки в опорном узле фермы, так же как и в балках, создает большую перегрузку узла, поэтому при конструировании следует придавать опорному узлу необходимые жесткость и устойчивость (рис. 12). Испытания опытной фермы показали, что именно в этом узле может произойти потеря несущей способности.
В местах перегибов затяжки необходимо устраивать опоры, обеспечивающие плавный переход затяжки от одного направления к другому.
Компоновка и конструирование ферм, предварительно напряженными затяжками

Предварительно напряженные фермы из алюминиевых сплавов. При проектировании ферм из алюминиевых сплавов весьма сложной задачей вследствие малого модуля упругости сплава является уменьшение прогибов конструкции. Особенно трудно добиться необходимой жесткости ферм большого пролета при действии значительных временных нагрузок (например, подвесного транспорта), так как в этом случае погасить прогиб строительным подъемом нельзя. Увеличение высоты ферм с целью повышения их жесткости нерационально, так как оно приводит к существенному повышению расхода металла из-за резкого утяжеления сжатых стержней решетки. Кроме того, увеличение высоты ферм связано с увеличением объема здания и, следовательно, его стоимости и эксплуатационных расходов.
Наиболее эффективным способом уменьшения прогибов ферм из алюминиевых сплавов является применение предварительного напряжения, особенно многоступенчатого. В однопролетных фермах предварительное напряжение рационально создавать введением затяжек из стальных канатов или высокопрочной проволоки, которые имеют более высокий модуль упругости, в 4—7 раз прочнее и в 4—5 раз дешевле прессованных профилей из алюминиевых сплавов.
Анализ показывает, что в отличие от предварительно напряженных ферм из стали, в которых уменьшение paсхода стали всегда больше снижения стоимости (в процентном отношении), в фермах из алюминиевых сплавов рассматриваемого типа стоимость снижается интенсивнее, чем расход материалов.
Так, затяжки в стропильной ферме пролетом 45 м вес фермы уменьшился на 23%, а стоимость снизилась на 32%.