Глава 5. Фермы
В современном промышленном и гражданском строительстве применяют деревянные фермы – однопролетные балочные. В отдельных случаях находят применение также трехшарнирные арки, составленные из балочных ферм или клееных блоков. Деревянные фермы изготовляют из круглого леса или пиломатериалов — брусьев и досок. Фермы имеют следующие элементы: верхний пояс, нижний пояс, решетку (стойки и раскосы).
Взаимное сопряжение указанных элементов в узлах осуществляют при помощи различных соединений (врубки, нагели, хомуты, шпонки).
Верхний пояс балочных ферм при вертикальной нагрузке, направленной сверху вниз, работает на сжатие, а нижний — на растяжение. Усилия в стойках и раскосах зависят как от направления этих стержней, так и от расположения нагрузок.
Самыми ответственными элементами деревянных ферм являются стержни нижнего растянутого пояса, на работе которых в большой мере сказывается вредное влияние неизбежных в строительной древесине пороков (сучков, косослоя, трещин), поэтому при конструировании, отборе лесоматериалов, изготовлении и наблюдении за фермами во время их эксплуатации, стержням нижнего пояса нужно уделять особое внимание.
С целью наиболее рационального использования достоинств конструктивных материалов, растянутые элементы деревянных ферм часто выполняют из стали. Такие фермы называют металлодеревянными.
По очертанию наружного контура фермы подразделяют на: треугольные, прямоугольные (с параллельными поясами), трапециевидные или полигональные с наклонным (двускатным или односкатным) прямолинейным верхним поясом 1 , сегментные и многоугольные (рис.5.1).
Рис. 5.1. Схемы деревянных ферм: а – треугольная, б — прямоугольная, в – трапециевидная двускатная, г – трапециевидная односкатная, д – сегментная, е — многоугольная
При равномерной загрузке всей фермы вертикальной нагрузкой, усилия в стержнях решетки прямоугольных и пологих (уклон ~1/10) полигональных ферм возрастают от середины пролета к опорам, а в треугольных от опор к середине. Характер изменения усилий в поясах и решетке треугольных, прямоугольных и полигональных ферм представлен на рис.5.2.
Выбор схемы и типа деревянных ферм.
Экономичность ферм определяется прежде всего расходом древесины и металла, а также трудоемкостью изготовления и монтажа конструкции.
При оценке типов деревянных ферм в отношении расхода древесины необходимо иметь в виду, что стоимость древесины в большой мере зависит от степени обработки и сортамента применяемых лесоматериалов. Так стоимость окантованных брусьев почти в полтора раза, досок в 2 раза и чистообрезных брусьев примерно в 2,5–3 раза выше стоимости круглых лесоматериалов.
Существенное влияние на расход древесины и металла может оказать очертание наружного контура фермы. Теоретически самым выгодным очертанием контура является такое, при котором контур фермы приближается к очертанию эпюры моментов.
Рис. 5.2. Изменение усилий в стержнях фермы:
сжатие
При одних и тех же нагрузках, качестве лесоматериалов, пролетах и высотах ферм наиболее легкими, а, следовательно, и требующими наименьшего расхода древесины, будут сегментные фермы и трехшарнирные арки из них. Простота конструкции и экономичность, обусловленные статическими свойствами сегментных ферм, обеспечивают широкое распространение этих ферм в строительстве.
Многоугольные фермы с ломаным очертанием верхнего пояса также имеют относительно небольшой вес и отличаются простотой узловых сопряжений и экономичностью.
Полигональные фермы с наклоном верхнего пояса в 1/10-1/5 получаются более тяжелыми, чем сегментные фермы, но все же значительно более экономичными, чем фермы прямоугольного и треугольного очертания.
Наиболее тяжелыми из всех типов ферм оказываются треугольные фермы. Вес их почти в 2 раза превосходит вес сегментных и многоугольных ферм. Применение треугольных ферм может быть экономически оправдано при изготовлении их из круглого леса с использованием естественной коничности бревен путем укладки бревен комлевыми концами в сторону увеличения поясных усилий, т.е. к опорам.
Материал кровли определяет крутизну скатов и тем самым влияет на выбор очертания верхнего пояса ферм. Допускаемые углы наклона некоторых видов кровли приведены в таблице 5.1.
Листовая сталь, асбоцементные плиты и тому подобные кровельные материалы применимы лишь при фермах треугольного очертания с достаточным уклоном верхнего пояса. Фермы сегментные и трапециевидные требуют устройства кровли из рулонных материалов.
Материалы.Сортамент лесоматериалов, которыми располагает строительство, их влажность и качество могут существенно повлиять на выбор схемы и типа деревянных ферм.
Бревна и обзольные брусья могут быть рационально использованы в треугольных, прямоугольных, и многоугольных фермах.
Сегментные фермы могут быть выполнены только из пиломатериалов – брусков и досок.
При наличии лесоматериалов пониженного качества и невозможности получения или отбора высококачественных лесоматериалов для ответственных растянутых элементов рекомендуется применять конструкции со стальными растянутыми элементами. В случае использования лесоматериалов повышенной влажности (свыше 25%) и невозможности обеспечить их просушку на строительной площадке следует применять такие виды конструкций, в которых усушка древесины не может вызвать значительных деформаций и перенапряжений, как, например: подкосные системы, фермы на лобовых врубках со стойками в виде тяжей из круглой стали и т.п.
Архитектурно-строительные требования.В зависимости от назначения сооружения к внешнему виду покрытия и к внутреннему оформлению помещений предъявляют те или иные архитектурно-строительные требования, влияющие на выбор схемы несущих конструкций. Форма крыши (односкатная, двускатная с крутыми или пологими скатами, цилиндрическая и т.п.), условия освещения и проветривания помещений (фермы со световыми фонарями и надстройками или без них), тип покрытия (холодное, теплое, чердачное или бесчердачное), шаг колонн и простенков (расстояние между фермами), размеры перекрываемого пролета и другие специфические требования очень часто могут иметь решающее значение при выборе схемы и типа ферм.
Покрытия отапливаемых гражданских зданий преимущественно устраивают с доступным для проветривания чердаком и подвесным утепленным потолком. При наличии подвесного потолка наиболее удачным типом несущих конструкций являются бревенчатые фермы на лобовых врубках со стальными стойками – тяжами.
В бесчердачных решениях деревянные фермы выполняют из чистообрезных пиломатериалов – брусьев или досок.
Условия эксплуатации. Условия эксплуатации могут оказать существенное влияние не только на выбор типа деревянных конструкций, но и на нецелесообразность применения самих деревянных конструкций.
Деревянные конструкции не следует применять в условиях систематического увлажнения и затрудненного проветривания их, например, в цехах с мокрым производством, зданиях бассейнов и др.
Деревянные конструкции нецелесообразно также осуществлять в условиях повышенной пожарной опасности, например, в цехах горячего производства, в помещениях с выделением пламени, искр и т.п.
Геометрические размеры ферм.В большинстве фермы устанавливают на простенках, пилястрах или поддерживающих колоннах. Расстояние между фермами обычно принимают равным 3-6 м.
Пролеты, перекрываемые фермами, бывают от 12 до 30 м. Пролеты до 12 м лучше перекрывать сплошными конструкциями – клееными балками, балками с перекрестной стенкой и др. Пролеты более 24 м преимущественно перекрывают трехшарнирными арками из ферм.
Треугольные фермы целесообразно применять лишь при малых и средних пролетах 10-20 м. Фермы трапециевидные и сегментные применяют при пролетах 12-24м; многоугольные фермы с ломаным очертанием верхнего пояса – при пролетах 12-30м.
Конструктивную высоту фермы – расстояние между осями поясов в середине пролета – назначают из условия жесткости и экономичности ферм. Чем меньше высота ферм, тем больше усилия в поясах, а следовательно, и поперечные сечения поясов, а также деформативность (прогибы) конструкции. Увеличение высоты ферм вызывает значительное удлинение стержней решетки, что связано с увеличением расхода материалов на них. Практика строительства и эксплуатации деревянных ферм установила следующие минимальные высоты ферм, обеспечивающие необходимую их жесткость и экономичность решения: треугольные фермы – 1/5L, прямоугольные, трапециевидные, сегментные и многоугольные фермы – 1/6L, гдеL– расчетный пролет ферм (расстояние между осями опорных узлов).
Пояса ферм по длине обычно делят на равные части, называемые панелями. Число панелей и их длина зависят от пролета и схемы фермы, а также способов соединения узлов. Для снижения трудоемкости работ по изготовлению ферм желательно уменьшать количество узлов, а следовательно, и количество панелей до минимального предела.
Длину панели верхнего пояса в сегментных фермах и трехшарнирных арках из них назначают в пределах от 1,5 до 2,5 м; в треугольных, трапециевидных и многоугольных фермах от 2 до 3 м и в металлодеревянных крупнопанельных фермах с верхним поясом из составных балок системы В.С.Деревягина или клееных блоков – от 3 до 6 м.
Источник