Компоновка конструкций ферм - Каркас одноэтажного промышленного здания

Выбор типа фермы и схемы решетки

Очертание стропильной фермы зависит от назначения, величины пролетов, состава кровли, типа и размеров фонаря, способа соединения фермы с колоннами.

В настоящее время в производственных и гражданских зданиях применяются фермы покрытий (стропильные фермы) следующих типов:

А) Трапецеидальные фермы со слабовспарушеным верхним поясом.

Уклон верхнего пояса принимается от 1/8 до 1/12 пролета фермы. Это очертание фермы хорошо соответствует эпюре изгибающих моментов от основных нагрузок. Развитые по высоте опорные сечения позволяют осуществлять как шарнирное, так и жесткое сопряжение с колоннами. Такие фермы применяются при мягких кровлях.

Б) Фермы с параллельными поясами

Уклон поясов составляет 1,5%. В последние годы стали широко применяться в производственных зданиях, вытесняя трапецеидальные, благодаря целому ряду преимуществ. Одинаковые длины стержней решетки, одинаковая схема узлов, большая повторяемость деталей - все это способствует высокой индустриализации изготовления. Эти фермы экономичнее трапецеидальных, несмотря на несколько больший расход материала. Благодаря развитому сечению на опоре сопряжение ферм с колоннами может быть как шарнирное, так и жесткое.

В) Треугольные

Применяются при металлической и асбестоцементной кровлях; чаще всего в покрытиях неотапливаемых складских помещений. Верхний пояс выполняется с уклоном от 16% до 25%. Опорный узел слабо развит по высоте и допускает только шарнирное опирание на колонны. Такие фермы неэкономичны, так как высота ферм значительно превышает оптимальную, что приводит к увеличению расхода материала, а большое количество разных узлов и элементов увеличивает трудоемкость изготовления.

Решетка ферм работает на поперечную силу и должна соответствовать схеме приложения нагрузок, чтобы избежать возникновения местного изгиба в стержнях поясов. Схема решетки должна решаться таким образом, чтобы длина каждого стержня была минимально возможной, так как от их длины в значительной мере зависит вес фермы.

Углы наклона стержней решетки к поясам должны находиться в пределах 40...50° (углы наклона стержней влияют на их работу и на габариты узловых фасонок). Оптимальный угол наклона раскосов в треугольной решетке - 45°. Опорные раскосы стропильных ферм выполняются, как правило, восходящими, что позволяет организовать жесткое присоединение ферм к колоннам. При шарнирном опирании ферм, опорные раскосы могут быть как нисходящими, так и восходящими.

Шпренгельная решетка применяется при внеузловых нагрузках во избежание появления в элементах верхнего пояса местного изгиба и для уменьшения длин элементов. Следует помнить, что применение шпренгельной решетки значительно увеличивает трудоемкость изготовления и вес фермы. В современных легких стропильных фермах в основном применяется треугольная решетка с дополнительными стойками (и подвесками, в случае приложения сосредоточенных нагрузок в панелях нижнего пояса и для уменьшения длины элементов нижнего пояса в плоскости фермы).

Другие схемы решеток в легких стропильных фермах применяются редко и в настоящих методических указаниях не рассматриваются.

В курсовом проекте следует принимать типовые фермы с параллельными поясами, треугольной решеткой и дополнительными стойками. Опорные раскосы - восходящие.

Определение нагрузок на ферму

Нагрузка, действующая на ферму, обычно приложена к узлам фермы. При действии узловых нагрузок в элементах фермы возникают только осевые усилия растяжения или сжатия. Если нагрузка приложена вне узлов, то в элементе, кроме осевого усилия, возникает изгибающий момент, который также необходимо учитывать при подборе сечения элемента.

Основными нагрузками на стропильную ферму являются: постоянная нагрузка от веса кровли и несущих конструкций покрытия и переменные кратковременные - нагрузка от снега, давление ветра, нагрузки от подвесного транспорта и др. Постоянная нагрузка принимается равномерно распределенной.

Для статического расчета ригеля все нагрузки (постоянные и переменные) приводят к сосредоточенным силам, приложенным к узлам фермы. Для определения узловых сил от действия равномерно-распределенных нагрузок определяем для каждого узла грузовую площадь и умножаем нагрузку на эту площадь.

Характеристические и предельные значения постоянных нагрузок (Gm) приведены в таблице 3.1.

Стойки соединительной решетки рассчитываем на условную поперечную силу.

Расчетная нагрузка на единицу длины ригеля будет равна:

Б) Снеговая нагрузка

Узловые нагрузки:

Постоянная:

Снеговая:

- панель верхнего пояса фермы.

Определение усилий в элементах фермы

Вычерчиваем геометрическую схему фермы, вычисляем длины всех стержней и обозначаем место приложения нагрузок, указываем их величины и направления. Опорные реакции фермы определяем по формуле:

Где, количество узловых нагрузок.

Определение расчетных длин стержней фeрмы

Различают геометрические L и расчетные (в плоскости фермы) и (из плоскости фермы) длины стержней. Так как стержни могут потерять устойчивость (деформироваться) в двух направлениях - в плоскости фермы и из плоскости фермы, при подборе их поперечных сечений нужно определить расчетные длины стержней в этих же плоскостях. Расчетная длина стержней зависит от степени защемления концов стержня в узлах, что учитывается коэффициентом приведения геометрической длины к расчетной -

Расчетные длины и сжатых элементов плоских ферм в их плоскости и из плоскости следует принимать по таблице 27 Приложения (т.1.9.1,[1]).

Расчетные длины стержней в плоскости фермы принимаются:

§ Для верхнего пояса (сжат):

Где:

L- геометрическая длина элемента (т. е., расстояние между центрами узлов).

§ Для нижнего пояса (растянут):

(т. е., расчетная длина равна геометрической).

§ Для сжатых раскосов:

Так как уклон 1,5% очень мал ним можно пренебречь и по теореме Пифагора найти длину раскоса.

Где: высота фермы на опоре;

Панель верхнего пояса фермы.

§ Для опорного раскоса:

§ Для сжатых стоек:

§ Для растянутых раскосов:

(т. е., расчетная длина равна геометрической).

Расчетные длины стержней из плоскости фермы:

Расчетная длина стержня из плоскости фермы - это расстояние между узлами, закрепленными от смещения из плоскости фермы.

§ Для верхнего пояса:

расчетная длина определяется в зависимости от расположения горизонтальных связей по верхнему поясу.

§ Для нижнего пояса:

(для фермы длиной 30м.), расчетная длина определяется в зависимости от расположения горизонтальных связей по нижнему поясу.

Элементы решетки Закреплены в верхнем и нижнем поясах.

§ Для стоек:

§ Для раскосов:

§ Для опорных раскосов:

Подбор сечений стержней

Подбор сечения верхнего сжатого пояса

Определяем требуемую площадь сечения: выбираем сталь С375

- коэффициент устойчивости, при центральном сжатии, в зависимости от условной гибкости и типа кривой устойчивости.

Условная гибкость стержня определяется по формуле:

Где: гибкость стержня.

Гибкость стержня определяется для двух вариантов:

?в плоскости фермы:

?из плоскости фермы:

Где, Ix и Iy - радиусы инерции сечения стержня.

Типы кривой устойчивости определяются в зависимости от типа поперечного сечения.

Для первоначального определения необходимо задаться гибкостью стержня, которая должна быть меньше предельной,: для поясов и опорных раскосов для элементов решетки

N - расчетное усилие в рассматриваемом элементе, КН;

Коэффициент условий работы.

Задаемся гибкостью равной 100. Отсюда условная гибкость:

Интерполируя, получим коэффициент устойчивости для кривой устойчивости "с" и определим требуемую площадь сечения:

Из сортамента выбираем тавр Т30ШТ4

Определяем гибкости и Так как расчетные длины для элементов верхнего пояса одинаковы в обеих плоскостях, гибкость определяется по меньшему радиусу инерции

Предельно допустимая гибкость определяется по таблице 8 Приложения (т.1.9.9,[1]):

Производим проверку устойчивости:

Устойчивость обеспечена.

Подбор сечения нижнего растянутого пояса

Определяем требуемую площадь сечения:

Из сортамента выбираем тавр Т25ШТ1

Производим проверку прочности по формуле:

Прочность обеспечена.

Корректировка высоты фермы и определение геометрических длин раскосов и стоек

Генеральными размерами ферм являются расчетный пролет (длина фермы) - L0 и высота фермы - H.

После определения сечения поясов корректируем высоту фермы (на опоре):

Расстояние от оси до внешней грани полки тавра верхнего пояса;

Расстояние от оси до внешней грани полки тавра нижнего пояса.

Принимаем H = 306 см.

При определении геометрической длины раскосов следует учитывать уклон 1,5%.

Расчетная длина Сжатых стержней в плоскости фермы:

Опорного раскоса:

Промежуточных раскосов:

Стоек:

Расчетная длина Растянутых раскосов:

Опорный раскос а - б (стержень сжат)

Задаемся гибкостью

Толщина фасонки 14мм

??160х16

Прочность обеспечена.

Раскос б - в (стержень растянут)

Толщина фасонки 14мм

??100х7

Прочность обеспечена.

Раскос г - д (стержень сжат)

Задаемся гибкостью

Толщина фасонки 14мм

??125х12

Прочность обеспечена.

Раскос д - е (стержень растянут)

Толщина фасонки 12мм

??70х5

Прочность обеспечена.

Раскос ж - з (стержень сжат)

??80х8

Прочность обеспечена.

Стойка 2 - а (стержень сжат)

??63х5 ,

Прочность обеспечена.

Стойка в - г (стержень сжат)

??70х7

Прочность обеспечена.

Стойка е - ж (стержень сжат)

??70х7 ,

Прочность обеспечена.

Исходные данные: сварка полуавтоматическая; сварочная проволока

Св - 08Г2С диаметром

Элементы решетки в сварных фермах крепятся к поясам и фасонкам сварными угловыми швами, рассчитываемыми на прочность при условном срезе по металлу шва и металлу границы сплавления. Швы выполняются полуавтоматической или ручной сваркой. Типы сварочной проволоки и электродов принимаются соответственно выбранной марки стали по таблице 29 Приложения (Приложение т. Ж1, [1]).

При расчете необходимо определить катет и длину сварного шва. Рекомендуется задаться катетами швов и рассчитать их длину.

Размеры сварных угловых швов и конструкция соединения должны удовлетворять таким требованиям:

Катет шва, проложенный вдоль закругленной кромки фасонного проката толщиной T, как правило, не должен превышать 0,9 t;

B/h

Для стыкового однопроходного шва - B/hІ 1,5;

Д) расчетная длина флангового шва должна быть не больше, чем за исключением швов, в которых усилие действует вдоль всей длины шва. Е) размер внахлест должен быть не менее чем пять толщин самого тонкого из свариваемых элементов; Ж) соотношение размеров катетов угловых швов следует принимать, как правило, 1:1; при разных толщинах свариваемых элементов допускается принимать швы с неодинаковыми катетами; при этом, катеты, которые прилегают к более тонкому элементу в соединении должны удовлетворять требования п. б), а катеты, которые прилегают к более толстому элементу в соединении, - требования п. а); З) в сварных стыках элементов, которые перекрываются накладками, фланговые угловые швы следует не доводить до оси стыка не менее как на 25 мм; И) в конструкциях 1-ой и 2-ой групп угловые швы следует, как правило, выполнять без усиления с плавным переходом к основному металлу; К) сварные стыки с накладками; Л) расстояние между параллельными сварными соединениями элементов конструкций следует устанавливать не меньше и 100 мм, где - толщина детали; приваривание ребер жесткости и элементов решетчатых конструкций необходимо.

Расчет сварного соединения с угловыми швами при действии продольной силы, проходящей через центр тяжести соединения, следует выполнять на срез (условный) в одной из двух расчетных плоскостей по формулам:

Длины швов определяем по формуле:

- для обушка А) по металлу шва

В) По металлу границы сплавления

- для пера А) по металлу шва

В) По металлу границы сплавления

Где: - коэффициент, определяющий долю усилия, воспринимаемую

Швом по обушку, (для равнобоких уголков);

B-ширина полки уголка;

-расстояние от обушка до центра тяжести уголка; -количество швов по обушку (по перу),- для парных уголков;

Rwf-расчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу шва, КH/см2;

- расчетное сопротивление угловых швов срезу по границе сплавления; - нормативное временное сопротивление стали.

Опорный раскос (а-б):

Толщина фасонки 14 Мм, так как N= 825,73 КН.

Толщина уголков 16 Мм;

Максимальные катеты по обушку и перу уголка:

Принимаем

Длина шва по обушку:

- количество швов для парных уголков.

Принимаем

Длина шва по перу:

Принимаем

Раскос б - в

Толщина фасонки 14 Мм, так как N = 659 КН.

Толщина уголков 7 мм,

Принимаем:

Длина шва по обушку:

Принимаем

Длина шва по перу:

Принимаем

Стойка в - г (е - ж)

Толщина фасонки 6 Мм, так как N = 131,8КН

Толщина уголков 7 Мм.

Принимаем

Длина шва по обушку:

Принимаем

Длина шва по перу:

Принимаем

Раскос г - д

Толщина фасонки 10 Мм, так как N = 454,71 КН.

Толщина уголков 12 Мм.

Принимаем

Раскос д - е

Толщина фасонки 12Мм, так как N = 303,14 КН.

Толщина уголков 5 мм.

Принимаем

Раскос ж - з

Толщина фасонки 6Мм, так как N = 125,21КН.

Толщина уголков 8 мм.

Принимаем

Нижний пояс. Толщина фасонки14 мм.

Результаты расчетов швов сводим в таблицу 3.5

Определение количества соединительных прокладок для элементов решетки.

Элементы ферм, составленные из двух уголков, соединяются между собой прокладками, что дает возможность считать это сечение работающим совместно. Расстояния между прокладками назначают: для сжатых элементов не более 40І, для растянутых ? не более 80І, гдеІ? радиус инерции одного уголка, относительно оси, параллельной плоскости прокладок. Прокладки устанавливают в элементе на равных расстояниях. Для сжатых элементов количество прокладок назначается не менее двух на элемент.

Размеры прокладок принимаются: толщина прокладки Tп равна толщине фасонки или толщине стенки тавра в бесфасоночном узле; ширина прокладки

Bn= (0.5...0.8)B, но не менее 50 Мм; длина прокладки Ln= B + 30 Мм (где B - ширина полки уголка).

Опорный раскос а - б

Стержень сжат 160 х 16, Ix = 4,89 См, Геометрическая длина L0 = 432См.

Количество прокладок:

Принимаем 1 шт.