Комбинированная ферма

 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано в зданиях и сооружениях из легких металлических конструкций. Ферма включает жесткий верхний и нижние пояса, соединенные вертикальными стойками, несущий элемент, объединяющий спаренные вертикальные стойки по кривой второго порядка. Внутри несущего элемента проходит преднапрягаемый трос. Прямолинейный пояс и стойки объединены между собой малыми подкосами 6, концы которых находятся на расстоянии 0,25 - 0,3h от точки пересечения стоек с верхним поясом, где h - высота фермы. Вертикальные стойки выполнены парными, каждая из которых обращена друг к другу своими полками. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано в зданиях и сооружениях из легких металлических конструкций, спортивных сооружениях типа физкультурно-оздоровительных комплексов ФОК, легкоатлетических манежей, теннисных кортов, а также в холодильниках, овощехранилищах и прочих строительных объектах.

Известна пролетная конструкция в виде жесткого ванта, имеющая сплошное сечение [1] Недостатком этой конструкции является наличие горизонтальных усилий на опорах и кинематические прогибы. Первое утяжеляет опоры конструкции, второе отрицательно сказывается на деформативности, увеличивая абсолютные значения прогибов, особенно при воздействии несимметричных нагрузок.

Известна безраскосная ферма, состоящая из верхнего и нижнего поясов, жестко соединенных стойками, расположенными ортогонально к поясам [2] Недостатком этой конструкции является значительная материалоемкость по причине наличия кроме осевых усилий больших изгибающих моментов в поясах и стойках.

Наиболее близким техническим решением является шпренгельная ферма, включающая жесткие верхний и нижний пояса, соединенные вертикальными стойками, и несущий элемент, объединяющий вертикальные стойки пояса по кривой второго порядка, проходящий по обеим боковым сторонам стоек [3] Недостатком данного решения является сложность изготовления фермы по причине того, что криволинейный пояс состоит из двух ветвей, а также значительной металлоемкости верхнего пояса и стоек, т.к. в них кроме осевых усилий возникают в узлах примыкания изгибающие моменты, что присуще работе безраскосной фермы.

Немалую трудоемкость монтажа составляет крепление нижнего пояса к стенам или другим строительным конструкциям; такое решение на сегодня является устаревшим, неиндустриальным, его выполнение требует большого объема работ по месту (cверловка отверстий, долбить ниши, штрабы, монолитные железобетонные работы, изготовление вспомогательных монтажных деталей и связей), что приводит обычно к увеличению сроков и удорожанию самих монтажных работ.

Целью изобретения является снижение материалоемкости и трудоемкости изготовления и монтажа.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в комбинированной ферме, включающей прямолинейный пояс и криволинейный несущий элемент, соединенные между собой стойками последние выполнены парными, а между ними расположен криволинейный несущий элемент, при этом прямолинейный пояс и стойки объединены между собой малыми подкосами, концы которых находятся на расстоянии /0,25 0,3/h от точки пересечения стоек с верхним поясом, где h высота фермы.

Внутри криволинейного несущего элемента может быть расположен преднапрягаемый трос, например канат или арматура.

Кроме того, с двух сторон от середины криволинейного несущего элемента расположены нижние пояса, каждый из которых одним своим концом крепится к несущему элементу и к второй стойке от центра пролета, где первая стойка является центральной, а другим концом к стойке опорного узла.

На фиг.1 изображена ферма, общий вид; на фиг.2 ферма с нижними поясами; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.2.

Комбинированная ферма включает жесткий верхний 1, а при воздействии несимметричной нагрузки нижние 2 пояса, соединенные вертикальными стойками 3, несущий элемент 4, объединяющий спаренные вертикальные стойки 3 по кривой второго порядка. При этом, несущий элемент 4 выполнен из одной жесткой ветви, жестко связан с вертикальными стойками 3 и концами верхнего пояса. Внутри несущего элемента 4 проходит преднапрягаемый трос 5. Прямолинейный пояс 1 и стойки 3 объединены между собой малыми подкосами 6, концы которых находятся на расстоянии /0,25 0,3/h от точки пересечения стоек с верхним поясом, где h высота фермы.

Вертикальные стойки 3 выполнены парными, каждая из которых обращена друг к другу плоскостями своих полок. Ветви несущего элемента 4 выполнены, например швеллерного или замкнутого сечения, и жестко крепятся своими полками к поверхности полок стержней вертикальных стоек 2, а их торцы к верхнему поясу 1 и нижнему поясу 2.

При воздействии только равномерно-распределенной по пролету нагрузки достаточно только прямолинейного пояса 1.

При воздействии несимметричной нагрузки, например равномерно-распределенной на половине пролета, из-за способности к кинематике несущего элемента 4 в работу включаются нижние пояса 2, расположенные с двух сторон от середины криволинейного несущего элемента 4, каждый из которых одним своим концом крепится к несущему элементу совместно с второй стойкой от центра пролета, первая стойка расположена по оси симметрии фермы.

Конструктивное решение комбинированной фермы основано на совмещении работы жесткого ванта в виде несущего элемента с безраскосной фермой. Совместная работа этих двух самостоятельных конструкций, объединенных в единую ферму, благоприятно отражается на распределении усилий в ее элементах: стойках и поясах.

Горизонтальное усилие несущего элемента 4 замыкается в верхнем поясе 1 фермы, освобождая от них опорные конструкции. При статической работе безраскосной фермы изгибающие моменты во всех вертикальных стойках 3 и прямолинейном поясе 1 фермы воспринимаются малыми подкосами 6, исключая из напряженного состояния этих элементов изгибную долю напряжений.

Величина катетов малых подкосов 6 находится в пределах (0,25 0,3)h, где h высота фермы. Их значение двоякое, первое увеличенным плечом внутренней пары снижать величины фибровых напряжений от изгибных составляющих безраскосной фермы, второе уменьшать пролет верхнего пояса при воздействии распределенной вертикальной нагрузки, который имеет квадратичную зависимость в формуле моментов значительно снижает их величину.

Кроме того, уменьшением свободной длины пролетних участков верхнего пояса 1 улучшается его устойчивость при восприятии осевых сжимающих усилий именно в плоскости наибольших значений изгибающих моментов.

В силу этих причин, действующих в совокупности, сечение верхнего пояса, который в значительной степени (до 60% определяет металлоемкость всей фермы) можно уменьшить в пределах 50% относительно принятого в прототипе.

Кроме того, все стойки 3, работающие на сжатие, также испытывают положительные влияние работы малых подкосов по аналогичным причинам, изложенным для верхнего пояса 1, поэтому их сечение также подлежит уменьшению, что положительно сказывается на расходе материала всей конструкции. Количество это оценивается в пределах 10 20% от аналогичных данных прототипа.

Более экономный расход материала на криволинейный несущий элемент 4 достигается включением в работу фермы преднапрягаемого троса 5, обладающего большим расчетным сопротивлением относительно прокатной стали, что может быть оценено их отношением, как R_тр/R_пр 5 7, при модуле упругости стали 2,05·10⁵ мПа (2,1·10⁶кг/см²) вместо 1,27 1,47·10⁵ мПа, принимаемого для тросов и канатов. Это сказывается на улучшении деформативности всей фермы относительно того, если бы несущий элемент 4 был принят из каната.

При равных значениях распределенной симметричной и несимметричной нагрузках, действующих на ферму, их балочные значения изгибающих моментов имеют соотношения 1 0,5, поэтому сечение нижнего пояса 2 может приниматься в этом случае как половина от несущего элемента 4. При увеличении доли несимметричной нагрузки относительно симметричной сечение пояса 2 должно соответственно увеличиваться с помощью параметра p, поэтому величина сечения нижних поясов составляет 0,5 + p от величины сечения несущего элемента 4, где p параметр, зависящий от соотношения ординат максимальных по величине эпюр моментов несимметричной и симметричной частей нагрузок. Причем ось несущего элемента 4 расположена по линии главных растягивающих напряжений и минимальное значение параметра p (p≈0) будет получено при равных по величине симметричной (равномерно-распределенной) и несимметричной частей нагрузок, действующих на конструкцию.

При воздействии несимметричной нагрузки, например равномерно-распределенной на половине пролета из-за способности к кинематике несущего элемента 4, в работу включается нижний пояс 2 комбинированной фермы. В результате происходит выгодное распределение осевых внутренних усилий между этими элементами комбинированной фермы и в случае несимметричной нагрузки.

Снижение расхода материала на нижний пояс 2 достигается за счет уменьшения его длины на величину длин двух центральных панелей комбинированной фермы. Такое решение вполне приемлемо из-за пологости расположения в этом месте несущего элемента 4 дублированием в статической работе нижнего пояса 2 и несущего элемента 4, неудобством конструктивного примыкания этих двух элементов, а также неэффективной самой работой нижнего пояса 2 в общей статической работе фермы на этом участке, т.к. основное назначение нижнего пояса перераспределять на себя значительную долю (до 95%) воздействия несимметричной части вертикальной нагрузки.

Таким образом, исключаются из общей длины нижнего пояса, принятой в прототипе, его отрезки, что составляет экономию материала для нижнего пояса в пределах 25% Кинематические прогибы ветви несущего элемента 4 при работе в комбинированной ферме практически сводятся до нуля, т.к. изгибная жесткость фермы, имея приведенное значение, возросла относительно жесткости отдельно несущего элемента 4 на 2 3 порядка, при общей строительной высоте фермы, равной 1/16 1/20 пролета. Особенно это будет заметно в четвертях пролета, где прогибы при несимметричной нагрузке у отдельно работающего без фермы несущего элемента 4 максимальны.

Изготовление фермы осуществляется стендовым способом сборкой и сваркой из отдельных элементов, поясов, стоек при пролетах 24 м из двух половин по 12 м. Верхний пояс 1 и малые подкосы 6, работающие на сжатие, выполнены коробчатого сечения, все остальные элементы выполнены, в основном, из профилей открытого сечения, например стержни вертикальных стоек 3, нижний 2 пояс и несущий элемент 4.

Узловые соединения крепления вертикальных стоек 3 к верхнему 1 и нижнему 2 поясам, несущему элементу 4 осуществлены приваркой внахлестку сварными швами, при этом вертикальные стойки 3 выполнены из пары гнутых уголковых стержней, расположенных по обеим сторонам верхнего 1 и нижнего 2 поясов, между которыми пропущена ветвь несущего элемента 4. Примыкание фермы к колоннам может быть выполнено как с надколонником, так и без него. Монтаж фермы ничем не отличается от монтажа обычной стропильной фермы.

В итоге конструкция фермы имеет выгодное распределение материала для обеспечения несущей способности и необходимой деформативности покрытия при воздействии как симметричной, так и несимметричной нагрузки.

Формула изобретения

1. Комбинированная ферма, включающая прямолинейный пояс и криволинейный несущий элемент, соединенные между собой стойками, отличающаяся тем, что стойки выполнены парными, а между ними расположен криволинейный несущий элемент, при этом прямолинейный пояс и стойки соединены между собой малыми подкосами, концы которых находятся на расстоянии 0,25 0,3 h от точки пересечения стоек с верхним поясом, где h высота фермы.

2. Ферма по п.1, отличающаяся тем, что внутри криволинейного несущего элемента расположен преднапрягаемый трос, например, в виде каната или арматуры.

3. Ферма по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что с двух сторон от середины криволинейного несущего элемента расположены нижние пояса, каждый из которых одним своим концом крепится к несущему элементу и к второй стойке от центра пролета, где первая стойка является центральной, а другим концом к стойке опорного узла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4