"Строительные фермы"

ферма сечение стержень коробчатый

Классификация и область применения ферм

Происхождение термина «ферма» берет начало от латинского firmus, то есть «прочный, крепкий».

Фермой называется система стержней соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию. При узловой нагрузке жесткость узлов несущественно влияет на работу конструкции, и в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные. В этом случае все стержни ферм испытывают только растягивающие или сжимающие осевые усилия.

Фермы экономичнее балок по расходу стали, но более трудоемки в изготовлении. Эффективность ферм по сравнению со сплошностенчатыми балками тем больше, чем больше пролет и меньше нагрузка.

Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными.

Плоские фермы воспринимают нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении их связями. Пространственные фермы образуют жесткий пространственный брус, воспринимающий нагрузку в любом направлении (рис.9.1).

Рис. 9.1. Плоская (а) и пространственная (б) фермы

Основными элементами ферм являются пояса, образующие контур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек (рис. 9.2). Соединение элементов в узлах осуществляется путем непосредственного примыкания одних элементов к другим (рис 9.3,а) или с помощь ю узловых фасонок (рис. 9.3,б). Элементы ферм центрируются по осям центра тяжести для снижения узловых моментов и обеспечения работы стержней на осевые усилия.

Рис. 9.2. Элементы ферм

1 - верхний пояс; 2 - нижний пояс; 3 - раскосы; 4 – стойки

Рис. 9.3. Узлы ферм: а - с непосредственным примыканием элементов; б - на фасонках

Расстояние между соседними узлами поясов называется панелью (d в - панель верхнего пояса, d н - нижнего), а расстояние между опорами - пролетом (/).

Пояса ферм работают на продольные усилия и момент (аналогично поясам сплошных балок); решетка ферм воспринимает в основном поперечную силу, выполняя функции стенки балки.

Знак усилия (минус - сжатие, плюс - растяжение) в элементах решетки ферм с параллельными поясами можно определить, если воспользоваться “балочной аналогией”.

Стальные фермы широко применяются во многих областях строительства; в покрытиях и перекрытиях промышленных и гражданских зданий, мостах, опорах линий электропередачи, объектах связи, телевидения и радиовещания (башни, мачты), транспортных эстакадах, гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах и т. д.

Фермы имеют разную конструкцию в зависимости от назначения, нагрузок и классифицируются по различным признакам:

по статической схеме - балочные (разрезные, неразрезные, консольные);

по очертанию поясов - с параллельными поясами, трапециевидные, треугольные, полигональные, сегментные (рис. 9.5);

Рис.9.4. Системы ферм: а - балочная разрезная; б - неразрезная; в,е - консольная; г - арочная; д - рамная;

по системе решетки - треугольная, раскосная, крестовая, ромбическая и др. (рис.9.6);

по способу соединения элементов в узлах - сварные, клепанные, болтовые;

Рис. 9.5. Очертания поясов ферм: а - сегментное; б - полигональное; в - трапецеидальное; г - с параллельными поясами; д-и - треугольное

по величине максимального усилия - легкие - одностенчатые с сечениями из прокатных профилей (усилие N < 300 кН) и тяжелые - двухступенчатые с элементами составного сечения (усилие N > 300кН).

Промежуточными между фермой и балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами либо аркой (сверху). Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающий момент в балке и повышают жесткость системы (рис.9.4,^). Комбинированные системы просты в изготовлении (имеют меньшее число элементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижными нагрузками.

Эффективность ферм комбинированных систем можно повысить, создав в них предварительное напряжение.

В фермах подвижных крановых конструкций и покрытий больших пролетов, где уменьшение веса конструкции дает большой экономический эффект, применяют алюминиевые сплавы.

Рис. 9.6. Системы решетки ферм

а - треугольная; б - треугольная с дополнительными стойками; в - раскосная с восходящими раскосами; г - раскосная с нисходящими раскосами; д - шпренгельная; е - крестовая; ж - перекрестная; и - ромбическая; к - полу раскосная

Самое распространенное значение слова "ферма" - сельскохозяйственное предприятие, предназначенное для животноводства. Но сейчас речь не о месте ведения подсобного хозяйства. Здесь собрана вся информация о вероятно древнейшей строительной конструкции, которая до сих пор актуальна в современной жизни.Она имеет широкое применение в строительстве, особенно в конструировании мостов и

Ферма - это система, состоящая из стержней, которая остается геометрически неизменной при смене ее жестких узлов шарнирными. К ней также относятся и шпренгельные балки, которые представлены комбинацией из двух- или трехпролетной неразрезанной балки и подпружной тяги.

Где используется?

Как уже упоминалось, ферма в строительстве является незаменимым элементом. С ее помощью строители облегчают конструкцию сооружения и уменьшают расход необходимых материалов. Без использования фермы не обходится строительство мостов, стадионов, ангаров, а также декоративных сооружений, таких как павильоны, сцены, подиумы и т.д.

При проектировке корпуса корабля, самолета, тепловоза расчет прочности происходит таким же способом, как и расчет нагрузки на ферму.

Классификация

Ферма - это конструкция, состоящая из стержней, которые связаны между собой в узлах и образуют статически неизменную систему. Классификация ферм может быть проведена по множеству свойств.

По грузоподъемности конструкции

• Легкие . В них используется одностенчатое сечение. Легкие фермы чаще всего используются в промышленном строительстве.
• Тяжелые . Тяжелые фермы применяются в конструкции башенных кранов, спортивных стадионов и т.д. В них используются стержни более сложного сечения, нежели в легких. Как правило, они состоят из двух-трех частей из-за большой расчетной длины и возлагаемой на них нагрузки. Чаще всего используют двухстенчатое сечение с двухплоскостным узловым сопряжением.

По общим признакам

• По назначению. По назначению фермы бывают башенные, мостовые, крановые, фермы покрытия, опорные конструкции и т.д.
• По типу материала. Дерево, сталь, алюминий, железобетон и т.д. - из всего этого может быть изготовлена строительная ферма. Это существенное достоинство данной системы. Также можно комбинировать несколько видов материала.
• По особенностям конструкции. Существуют разнообразные типы сечения, типы решетки, виды опорных конструкций, а также типы поясов строительной конструкции фермы.

По пространственному признаку

• Плоские . Фермы берут на себя вертикальную нагрузку, т.к. х стержни располагаются в одной плоскости.
• Пространственные . Распределяют нагрузку по всей своей площади. Пространственная ферма образована из множества плоских ферм, объединённых между собой особыми способами.

По типу

• Балка Виренделя.
• Ферма Уоррена.
• Ферма Пратта.
• Ферма Больмана.
• Ферма Финка.
• Треугольная ферма.
• Кингпост.
• Ферма с перекрестными подкосами.
• Решетчатая городская конструкция.
• Ферма под верхний свет.

Особенности конструкции

Классификация фермы по особенности конструкции достаточно обширна. Далее каждая из особенностей будет рассмотрена более детально.

Типы сечения

Поперечное сечение в строительной ферме выполнено из прокатных профилей. Оно может быть в виде:

• Уголка (одиночного или двойного).
• Трубы (круглой или квадратной).
• Швелера.
• Тавра или двутавра.

Типы пояса

Очертания пояса могут быть представлены в виде:

• Трапеции . Его достоинство заключается в том, что такой вид пояса ужесточает рамный узел, соответственно, вместе с ним увеличивается и жесткость здания.
• Треугольника . Такой вид пояса используют для балочных и консольных систем. Он имеет массу недостатков, таких как нерациональный расход металла при распределении нагрузки, сложность опорного узла и т.д.
• Параболы . Данный пояс является самым трудоемким. Поэтому сегментные фермы используются очень редко.
• Многоугольника . Полигональные фермы применяются чаще, чем сегментные. Т.к. в них перелом в узлах конструкции не так ощутим.
• Параллельных поясов. Чаще всего используются для покрытия промышленных зданий. Они имеют идентичную схему узлов, равные по размеру элементы решетки, также они обладают повторяемостью элементов и деталей.

Типы решетки

Существуют шесть типовых вариантов решетки:

• Треугольная.
• Ромбическая.
• Шпренгельная.
• Крестовая.
• Раскосая.
• Полураскосая.

Типы опоры

Существуют 5 видов опорных конструкций. Для того чтобы выбрать опорный узел, нужно знать схему расчёта. От нее зависит, будет ли опорный узел шарнирным или жестким. Виды опор:

• Балочная или консольная.
• Арочная.
• Вантовая.
• Рамная.
• Комбинированная.

Принцип действия

Уникальность этой конструкции заключается в ее «неизменности» под воздействием внешних факторов. Нагрузка на эту систему бывает достаточно большая. Ферма представляет собой множество объединённых в одну конструкцию треугольников. Нагрузка в них сосредоточена в месте соединения узлов, т.к. стержни лучше проявляют свои свойства в процессе сжатия-растяжения, а не на излом. В современном строительстве чаще всего используют жесткое, а не стержней. Из этого следует, что при отделении одного из них от цельной конструкции они останутся в неизменном по отношению друг к другу положении.

Принцип расчета ферм вырезанием углов

Этот способ расчета ферм является самым простым. Данный способ преподают во многих технических учебных заведениях.

Ферма - это конструкция, нагрузка на которую сосредоточена в ее узлах. Следовательно, нужно рассчитать все внешние факторы, которые будут являться нагрузкой на узлы. Затем - вычислить и найти узел, в котором присутствуют 2 стержня с приложенной на них силой. Условно необходимо отделить всю остальную часть фермы и получить узел, в котором будет несколько известных значений и 2 неизвестных. Затем нужно составить равенство по двум осям и рассчитать неизвестные значения. Таким же образом выделяют следующий узел, и так до тех пор, пока ферма не будет рассчитана.

Основные типы ферм

• Балка Виренделя - это система, где все ее части образуют прямоугольные отверстия и тем самым соединяются в жесткую раму. Она по своей конструкции не подходит под строгий термин «фермы», т.к. в этой балке отсутствует пара сил. Ее разработал бельгийский инженер Артур Вирендель. Но т.к. эта конструкция достаточно массивна, ее редко можно встретить в современной архитектуре.

• Ферма Уоррена. Это упрощенная версия конструкции Пратта-Хова. Она работает по принципу сжатия-растяжения. Чаще всего выполнена из стального проката.
• Ферма Пратта. Патент на данное сооружение принадлежит отцу и сыну из Бостона. Калеб Пратт и Томас Уилсон были двумя инженерами. Они использовали сжатые части по вертикали, а растянутые - по горизонтали. Поэтому нагрузка одинаково хорошо распределяется как сверху, так и снизу.
• Ферма Больмана имеет достаточно сложную и неудобную конструкцию. Свою популярность в США данное сооружение получило из-за политических достоинств ее создателя. Изобретатель красноречиво говорил про ферму, пусть даже и не все соответствовало действительности. Больман сумел продвинуть свое изобретение с помощью американского правительства, которое порой принуждало градостроителей использовать данную конструкцию при проектировке мостов. Среди обладателей патентов строительных ферм есть немало наших соотечественников, но еще ни одна "русская" ферма не продвигалась в массы столь оригинальным способом.
• Ферма Финка является упрощенной версией фермы Больмана. Он просто укоротил все ее элементы и тем самым сделал ее более эффективной. Также она имеет схожесть с конструкцией фермы Пратта. Она отличается от нее лишь отсутствием нижней балки.
• Треугольная ферма. Также ее называют «бельгийской». Это современная конструкция, которая представлена в со шпренгелями.
• Кингпост - самый простой вариант фермы. Он представляет собой пару опор, опирающихся на вертикальную балку.
• Решётчатая городская структура была создана для замены огромных деревянных мостов. Она достаточно проста по своей конструкции. Для нее применяют обычные деревянные доски, присоединённые друг к другу под углом, которые, в свою очередь, образуют решетку.

Наш институт специализируется на проектировании мостовых сооружений. Выполняём детальный расчёт мостовых ферм, разрабатываем паспорта мостов, а также готовим полный комплект проектной документации.

Мостовая ферма по расчетной схеме с точки зрения строительной механики представляет собой сквозную стержневую систему, работающую на основную нагрузку, которая остается геометрически неизменной, с объединением в узлах шарнирами.

Уникальность конструкции мостовой фермы заключается в ее способности не меняться под воздействием внешних факторов. Нагрузка на систему – внушительная, но ферма представляет собой конструкцию, состоящую из множества объединенных треугольников, которая обладает большой жесткостью по сравнению с другими.

Нагрузка в них полностью направлена в место соединения узлов, т.к стержни лучше проявляют свои свойства в процессе сжатия-растяжения, а не на излом.

На рисунке 1 изображена ферма с полигональным поясом.

В строительной металлоконструкции используется жесткое, а не шарнирное соединение стержней. Это обусловлено разницей жесткостей элементов и узлов конструкции, поэтому в расчетной схеме используется шарнир.

Классификация мостовых ферм

1. По характеру очертания: с параллельными поясами, с полигональным очертанием верхнего пояса, треугольным очертанием, сегментным, трапецеидальным.

2. По типу решетки: треугольные, раскосные, полураскосные, ромбические.

3. По типу конструкции:

• Разрезные – применяются при возведении сооружений с плохими инженерно-геологическими условиями, там, где возможны просадки опор.
• Неразрезные используются для перекрытия нескольких пролетов, и обладают большей экономичностью по сравнению с разрезными.
• Консольные – используются при строительстве навесных конструкций.

4. По уровню проезда : с ездой понизу, по верху и по середине.

5. По типу опирания: балочная, двухопорная, многоопорная, арочная, вантовая, рамная, комбинированная.

6. По материалу:

• Деревянные фермы стали применяться одними из первых, но после появления металлопроката спрос на них упал.
• Металлические фермы представляют собой достаточно востребованные при строительстве мостов с большими пролетами.

Все типы ферм предназначены для определенных видов нагрузок и эксплуатации. При проектировании мостов часто используют – трапециевидную мостовую ферму с треугольной решеткой и арочную с раскоской решеткой.

В основном применение фермы используется для перекрытия больших пролетов с целью свести к минимуму расход материалов, т.е облегчить конструкцию и снизить финансовые затраты.

На рисунке 2 представлены: а и б-схема фермы с ездой поверху, в-схема фермы с ездой понизу.

Преимущества мостовых ферм:

• Высокая жесткость конструкции;
• Минимальная материалоемкость;
• Экономичность в финансовых затратах;
• Легкость придания различной формы, согласно условиям архитектуры и технологии производства;
• Обширная область применения.

Недостатки мостовых ферм:

• Неразрезные фермы чувствительны к перемещениям опор;
• Сложность устройства деформационных швов;
• Большое количество схем расчёта;
• Упрощённый метод расчёта.

Около 150 лет фермы находятся на службе у инженеров и строителей, не теряя своей актуальности. Использование новых сплавов, видов бетона, создание уникальных конструкций с помощью ферм, позволяют применять их в своей работе снова.

Элементы фермы

стержневой ферма математический

Основные элементы фермы носят следующие названия.

• · Расстояние между осями опор фермы называется пролетом.
• · Стержни, расположенные по внешнему контуру фермы, называются поясными и образуют пояса.
• · Стержни верхнего контура фермы образуют верхний пояс (1), а стержни нижнего контура - нижний пояс (2). Пояс фермы может быть наклонным или горизонтальным.
• · Расстояние между узлами пояса фермы называют панелями фермы. По числу панелей фермы бывают двухпанельными, трехпанельными и многопанельными.
• · Стержни, соединяющие пояса, образуют решетку фермы и называются: вертикальные -- стойками (4), наклонные -- раскосами (5).
• · Точки соединения стержней называются узлами фермы.
• · Узлы фермы, совпадающие с ее опорами, называют опорными узлами (7).

Классификация ферм

По характеру очертания внешнего контура

По очертанию поясов стропильные фермы бывают:

• · четырехугольные (с параллельными или непараллельными поясами)
• · пятиугольные (трапецевидные)
• · многоугольные (полигональные)
• · сегментные (кругового или параболического очертания)
• · треугольные (с прямым или ломаным нижним поясом)
• · одно- и двускатные (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 трапецевидные 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 холодной кровлей из мелкоразмерных материалов. Конструктивный недостаток такой фермы - разнотипность элементов и узлов.

Фермы с параллельными поясами проектируют под рулонную кровлю. Их достоинство - однотипность узлов и размеров элементов, оптимальные углы между раскосами и поясами.

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

Безраскосные фермы применяют в междуэтажных перекрытиях. Такая ферма лишена свойства геометрической неизменяемости и может существовать при условии замены ее шарнирных узлов жесткими, т.е. превращением в раму.

Фермы, как правило, проектируют таким образом, чтобы основная нагрузка на них передавалась через узлы верхнего или нижнего пояса. Наличие шпренгелей позволяет увеличить количество узлов в этом поясе, что может потребоваться для облегчения конструкций, с помощью которых внешняя нагрузка передается на узлы фермы или, например, для уменьшения ширины плит перекрытий, опирающихся на стропильные фермы здания.

По типу решетки выделяют:

• · Треугольная решетка
• · Раскосная и полураскосная решетка
• · Шпренгельная решетка
• · Крестовая решетка
• · Ромбическая решетка (рис. 1.3)

Треугольная система решетки. Такая система дает наименьшую суммарную длину решетки и наименьшее число узлов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры. Решетка ферм работает на поперечную силу, выполняя функции стенки сплошной балки. Общим недостатком треугольной системы решетки является наличие сжатых длинных раскосов, восходящих в фермах с параллельными поясами и нисходящих в треугольных фермах.

Раскосная система решетки. Применять раскосные решетки целесообразно при малой высоте ферм, а также тогда, когда по стойкам передаются большие усилия (при большой узловой нагрузке). Раскосная решетка более трудоемка чем треугольная, и требует большего расхода материала, так как при равном числе панелей в ферме общая длина раскоской решетки больше и в ней больше узлов. Путь усилия от узла, к которому приложена нагрузка, до опоры в раскоской решетке длиннее, он идет через все стержни решетки и узлы.

Шпренгельная система решетки. Чтобы уменьшить размер панели, сохранив нормальный угол наклона раскосов, применяют шпренгельную решетку. Такая решетка дает возможность получить рациональное расстояние между элементами поперечной конструкции при рациональном угле наклона раскосов, а также уменьшить расчетную длину сжатых стержней. Так, применение шпренгельной решетки в высоких башнях уменьшает расчетную длину сжатых поясов и тем самым позволяет снизить общий вес конструкции.

В фермах, работающих на двустороннюю нагрузку, как правило, устраивают крестовую решетку. К таким фермам относятся горизонтальные связевые фермы покрытий производственных зданий, мостов и других конструкций, вертикальные фермы башен, мачт и высоких зданий. Весьма часто крестовую решетку проектируют из гибких стержней. В этом случае под действием нагрузки работают только растянутые раскосы; сжатые же раскосы вследствие своей большой гибкости выключаются из работы и в расчетную схему не входят.

Ромбическая и полураскосная решетки благодаря двум системам раскосов также обладают большой жесткостью; эти системы применяются в мостах, башнях, мачтах, связях для уменьшения расчетной длины стержней и особенно рациональны при работе конструкций на большие поперечные силы.

• · фермы с треугольной решеткой (рис. 4.5, а);
• · фермы с раскосной решеткой (рис. 4.5, б)
• · фермы с полураскосной решеткой (рис. 4.5, в);
• · фермы с ромбической решеткой (рис. 4.5, г);
• · двухрешетчатые (рис. 4.5, д),
• · многорешетчатые (рис. 4.5, е).

По типу опирания фермы могут быть:

• · закрепленными у обоих концов -- балочными (рис. 4.6, а) или арочными (рис. 4.6, д, е);
• · консольными -- закрепленными у одного конца (рис. 4.6, б);
• · балочно-консольными (рис. 4.6, в, г)

В зависимости от назначения различают фермы:

• · стропильные (рис. 4.7, а),
• · крановые (рис. 4.7, б),
• · башенные (рис. 4.7, в),
• · мостовые (рис. 4.8) и др.

Мостовые фермы в зависимости от уровня езды делятся на:

• · фермы с ездой понизу (рис. 4.8, а),
• · фермы с ездой поверху, (рис. 4.8, б)
• · фермы с ездой посередине (рис. 4.8, в).

Стропильная ферма

Что такое ферма

Объяснить попробую настолько просто, насколько смогу.

Приложение вертикальной силы к балке обычного прямоугольного сечения приводит к ее прогибу (рис. 118). При этом в верхней части сечения возникают внутренние напряжения сжатия δсж, а в нижней - растяжения δрас. Их можно изобразить в виде схемы по которой видно, что своих максимальных значений напряжения достигают на верхней и нижней границах сечения балки, а в центре оно равно нулю, то есть прямоугольное сечение балки работает неравномерно. Если удалить из него неработающие области получим двутавровое сечение. Двутавр - это главный строительный профиль. От деления двутаврового сечения получаются швеллеры, тавры и уголки, которые в обратной сборке могут образовать исходный двутавр, короб или крест.

Продолжим дальше удалять из балки «лишний» материал, уменьшать ее вес без потери несущей способности. Вырежем в вертикальной перегородке двутавровой балки отверстия максимально возможных размеров. Получившаяся «дырявая» балка - это прообраз фермы, в которой верхняя и нижняя часть называются поясами, а стержни их связывающие, стойками или подвесками (зависит от того оперта балка или подвешена). Понятно, что такой прообраз фермы можно изготовить не удалением «лишнего» материала из тела балки, а более простым путем сколачивания брусков и досок или сваривания металлических профилей.

При изготовлении нашей фермы из брусков в итоге получаем конструкцию пригодную и равную по несущей способности первоначальной балке прямоугольного сечения, но неустойчивую к боковым нагрузкам. Ведь по сути мы получили лестницу-стремянку, которую можно легко разрушить если приложить к ней горизонтальную силу. Устраним этот недостаток введением в конструкцию диагональных связей. Здесь они называются раскосами, а стойки (подвески) лучше называть одним словом шпренгель (распорка). Расстояния между узлами фермы называются панелями.

Главный недостаток обычной балки - большой прогиб от нагрузки. В строительных конструкциях сечение балки зачастую принимается не по несущей способности, а по прогибу. Иными словами, для сооружений используется такое сечения балки, которое не допускает большого прогиба, но сама балка при этом способна нести гораздо большую нагрузку, чем на нее возлагают. Имеем нерациональное использование материала балки. Уменьшение прогиба балки достигается увеличением ее высоты. Например, если взять обычную ученическую линейку, то можно легко убедиться, что она хорошо гнется при расположении плашмя и плохо - если ребром. Однако с увеличением высоты балки увеличивается её вес, и балка начинает прогибаться даже под собственным весом без внешней нагрузки. Вот тут и приходит на помощь облегченная «дырявая» балка - ферма, которую можно изготовить большой высоты без существенного увеличения веса.

Почему для описания фермы в качестве исходника взята балка, а не висячая стропильная система или какая-то другая конструкция крыши? Потому что не хочется привязывать фермы только к конструкциям крыш так как они широко используются в строительстве и машиностроении, а хочется закрепить понимание того, что ферма в целом работает так же, как балка. Например, при опирании на две опоры и загружении сверху в ее верхнем поясе возникают внутренние сжимающие напряжения, а в нижнем - растягивающие, она не передает распора на стены.

Фермы нагружают распределённой нагрузкой или сосредоточенными силами (рис. 119).

Если строительную конструкцию разработать таким образом, что сосредоточенные силы будут приложены исключительно в узлах ферм, то в элементах фермы (поясах, шпренгелях и раскосах) не будет возникать изгибающих моментов.

Ферма (конструкция)

Они будут работать только на сжатие и растяжение, что позволяет уменьшать сечение этих элементов до необходимого минимума. Сами фермы при этом можно изготавливать из коротких элементов длиной от узла до узла, а узлы изготавливать по шарнирной схеме. Ферма - геометрически неизменяемая стержневая система с шарнирными узлами. Такие фермы часто встречаются в металлическом исполнении. Для деревянных ферм обычно используются схемы с изготовлением верхних и нижних поясов не короткими досками (от узла до узла), а длинными, во всю доступную длину. В этом случае пояса ферм не соединяются шарнирами в каждом узле, а опираются на них и подвешиваются к ним. Хотя и деревянную ферму тоже можно собрать из коротких дощечек. Главное, что нужно понять, нагрузка - приложенная в узлах в виде сосредоточенных сил, не будет изгибать элементы фермы.

• Если на ферму будет действовать равномерно распределенная нагрузка, то в стержнях верхнего пояса появится изгибающий момент дополнительно к сжимающим и растягивающим напряжениям. Изгибающий момент достигает своего максимального значения в середине каждого стержня пояса панели фермы при шарнирах врезанных в узлы, либо на опорах - при шарнирах, расположенных под/над поясом фермы. Соответственно сечение стержней фермы будет большим, чем если бы ферма была нагружена точечными силами в узлах.

В использовании схемы нагружения кроется главное преимущество ферм. При одной и той же величине внешней нагрузки правильное ее распределение на ферму дает преимущество в экономии материала.

Фермы нужной длины (пролета) к которым будет приложена точечная нагрузка в узлах можно изготавливать из коротких элементов длиной от узла до узла.

Фермы, на которые будет действовать равномерно распределенная нагрузка тоже можно изготавливать из коротких элементов если узлы фермы будут шарнирами; и из длинных если шарниры будут под/над поясами.

Обычно для крыш используются деревянные фермы, сделанные из длинных досок. Так как перекрываемые пролеты бывают больше, чем позволяет длина досок, фермы делают из двух частей. Стыкуя их примерно на расстоянии 1/5 длины панелей, то есть там, где изгибающий момент стремится нулю.

Деревянные и металло-деревянные фермы

Указанные фермы применяют в зданиях лесопильно-деревообраба-тывающих производств, а также в зданиях вспомогательного назначения и в химической промышленности. Пролеты таких зданий, как правило, не превышают 18-24 м. Более распространены металло-деревянные фермы, в которых сжатые элементы изготовляют из дерева, а растянутые- из стали. По очертанию фермы подразделяют на сегментные, трапециевидные и треугольные.
Сегментные фермы, имеющие пролеты от 12 до 24 м, отличаются легкостью, небольшим числом монтажных элементов и простотой решения узлов (рис. 68, а). Верхний пояс этих ферм конструируют из клееных блоков криволинейного очертания, нижний - из стальных тяжей или уголков. Решетку прикрепляют к поясам гвоздями или болтами с помощью стальных пластинок.

На рис. 68, б показана многоугольная ферма из брусьев длиной на две панели, которую можно применять для пролетов от 12 до 36 м. Благодаря близкому к кривой давления очертанию верхнего пояса, усилия в решетки этих ферм сравнительно невелики, что упрощает конструкцию узлов.

Из трапециевидных ферм лучшими технико-экономическими показателями обладает ферма с подпружной цепью. Длина ферм - 12, 18 и 24 м.

Ферма в строительстве

Верхний пояс выполняют из балок на пластинчатых нагелях или клеёным. Крайние панели нижнего пояса - деревянные, шарнирно соединенные с металлической затяжкой. Вследствие этого ферма является шттренгельной с подпружной цепью, состоящей из опорных стальных раскосов и затяжки средней панели (рис. 68, в).

Рис. 68. Металло-деревянные фермы: а - сегментная; б - многоугольная; в - трапециевидная; г, д - треугольная

Треугольные фермы рекомендуется применять при пролетах от 9 до 18 м (рис. 68, г). Верхний пояс может быть клееным или из брусьев, или балок на пластинчатых нагелях.
Более рациональны треугольные фермы с верхним поясом из брусьев или составных балок на клею или на пластинчатых нагелях с затяжкой из круглой стали (рис. 68, д). Такие фермы просты в изготовлениии позволяют нагрузку от подвесного потолка передавать на коньковый узел, что исключает появление изгибающих моментов в верхнем поясе.

В качестве несущих конструкций зданий иногда применяют рамы и арки, выполняемые из железобетона, металла и древесины. Шаг рам принимают равным 6 и 12 м. Рама состоит из стоек и жестко связанных с ними ригелей прямолинейного, ломаного или криволинейного очертания. Стойки опирают на самостоятельные фундаменты. Рамы могут быть с фонарными надстройками и без них.

Рамы и арки в большинстве случаев обладают хорошими технико-экономическими показателями, но в силу трудности унификации и малой универсальности их применяют редко. Наиболее приемлемы арки и рамы для зданий, возводимых по индивидуальным проектам.

Похожие темы

Деревянные и стальные оконные панели промышленных зданий

Стальные стропильные и подстропильные фермы промышленных зданий

Железобетонные подстропильные балки и фермы промышленных зданий

Железобетонные фермы покрытий промышленных зданий

Деревянные балки покрытий промышленных зданий

Ферма — это что такое? Строительная конструкция

Самое распространенное значение слова «ферма» – сельскохозяйственное предприятие, предназначенное для животноводства. Но сейчас речь не о месте ведения подсобного хозяйства. Здесь собрана вся информация о вероятно древнейшей строительной конструкции, которая до сих пор актуальна в современной жизни. Она имеет широкое применение в строительстве, особенно в конструировании мостов и спортивных сооружений.

Ферма – это система, состоящая из стержней, которая остается геометрически неизменной при смене ее жестких узлов шарнирными. К ней также относятся и шпренгельные балки, которые представлены комбинацией из двух- или трехпролетной неразрезанной балки и подпружной тяги.

Где используется?

Как уже упоминалось, ферма в строительстве является незаменимым элементом. С ее помощью строители облегчают конструкцию сооружения и уменьшают расход необходимых материалов. Без использования фермы не обходится строительство мостов, стадионов, ангаров, а также декоративных сооружений, таких как павильоны, сцены, подиумы и т.д.

При проектировке корпуса корабля, самолета, тепловоза расчет прочности происходит таким же способом, как и расчет нагрузки на ферму.

Классификация

Ферма – это конструкция, состоящая из стержней, которые связаны между собой в узлах и образуют статически неизменную систему. Классификация ферм может быть проведена по множеству свойств.

По грузоподъемности конструкции

• Легкие . В них используется одностенчатое сечение. Легкие фермы чаще всего используются в промышленном строительстве.
• Тяжелые . Тяжелые фермы применяются в конструкции башенных кранов, спортивных стадионов и т.д. В них используются стержни более сложного сечения, нежели в легких. Как правило, они состоят из двух-трех частей из-за большой расчетной длины и возлагаемой на них нагрузки. Чаще всего используют двухстенчатое сечение с двухплоскостным узловым сопряжением.

По общим признакам

• По назначению. По назначению фермы бывают башенные, мостовые, крановые, фермы покрытия, опорные конструкции и т.д.
• По типу материала. Дерево, сталь, алюминий, железобетон и т.д. – из всего этого может быть изготовлена строительная ферма. Это существенное достоинство данной системы. Также можно комбинировать несколько видов материала.
• По особенностям конструкции. Существуют разнообразные типы сечения, типы решетки, виды опорных конструкций, а также типы поясов строительной конструкции фермы.

По пространственному признаку

• Плоские . Фермы берут на себя вертикальную нагрузку, т.к. х стержни располагаются в одной плоскости.
• Пространственные . Распределяют нагрузку по всей своей площади. Пространственная ферма образована из множества плоских ферм, объединённых между собой особыми способами.

По типу

• Балка Виренделя.
• Ферма Уоррена.
• Ферма Пратта.
• Ферма Больмана.
• Ферма Финка.
• Треугольная ферма.
• Кингпост.
• Ферма с перекрестными подкосами.
• Решетчатая городская конструкция.
• Ферма под верхний свет.

Особенности конструкции

Классификация фермы по особенности конструкции достаточно обширна. Далее каждая из особенностей будет рассмотрена более детально.

Типы сечения

Поперечное сечение в строительной ферме выполнено из прокатных профилей. Оно может быть в виде:

• Уголка (одиночного или двойного).
• Трубы (круглой или квадратной).
• Швелера.
• Тавра или двутавра.

Типы пояса

Очертания пояса могут быть представлены в виде:

• Трапеции . Его достоинство заключается в том, что такой вид пояса ужесточает рамный узел, соответственно, вместе с ним увеличивается и жесткость здания.
• Треугольника . Такой вид пояса используют для балочных и консольных систем. Он имеет массу недостатков, таких как нерациональный расход металла при распределении нагрузки, сложность опорного узла и т.д.
• Параболы . Данный пояс является самым трудоемким. Поэтому сегментные фермы используются очень редко.
• Многоугольника . Полигональные фермы применяются чаще, чем сегментные. Т.к. в них перелом в узлах конструкции не так ощутим.
• Параллельных поясов. Чаще всего используются для покрытия промышленных зданий. Они имеют идентичную схему узлов, равные по размеру элементы решетки, также они обладают повторяемостью элементов и деталей.

Типы решетки

Существуют шесть типовых вариантов решетки:

• Треугольная.
• Ромбическая.
• Шпренгельная.
• Крестовая.
• Раскосая.
• Полураскосая.

Типы опоры

Существуют 5 видов опорных конструкций. Для того чтобы выбрать опорный узел, нужно знать схему расчёта. От нее зависит, будет ли опорный узел шарнирным или жестким. Виды опор:

• Балочная или консольная.
• Арочная.
• Вантовая.
• Рамная.
• Комбинированная.

Принцип действия

Уникальность этой конструкции заключается в ее «неизменности» под воздействием внешних факторов. Нагрузка на эту систему бывает достаточно большая. Ферма представляет собой множество объединённых в одну конструкцию треугольников. Нагрузка в них сосредоточена в месте соединения узлов, т.к. стержни лучше проявляют свои свойства в процессе сжатия-растяжения, а не на излом. В современном строительстве чаще всего используют жесткое, а не шарнирное соединение стержней. Из этого следует, что при отделении одного из них от цельной конструкции они останутся в неизменном по отношению друг к другу положении.

Принцип расчета ферм вырезанием углов

Этот способ расчета ферм является самым простым. Данный способ преподают во многих технических учебных заведениях.

Ферма – это конструкция, нагрузка на которую сосредоточена в ее узлах. Следовательно, нужно рассчитать все внешние факторы, которые будут являться нагрузкой на узлы. Затем — вычислить реакцию опоры и найти узел, в котором присутствуют 2 стержня с приложенной на них силой. Условно необходимо отделить всю остальную часть фермы и получить узел, в котором будет несколько известных значений и 2 неизвестных. Затем нужно составить равенство по двум осям и рассчитать неизвестные значения. Таким же образом выделяют следующий узел, и так до тех пор, пока ферма не будет рассчитана.

Основные типы ферм

• Балка Виренделя – это система, где все ее части образуют прямоугольные отверстия и тем самым соединяются в жесткую раму. Она по своей конструкции не подходит под строгий термин «фермы», т.к. в этой балке отсутствует пара сил. Ее разработал бельгийский инженер Артур Вирендель. Но т.к. эта конструкция достаточно массивна, ее редко можно встретить в современной архитектуре.

• Ферма Уоррена. Это упрощенная версия конструкции Пратта-Хова. Она работает по принципу сжатия-растяжения. Чаще всего выполнена из стального проката.
• Ферма Пратта. Патент на данное сооружение принадлежит отцу и сыну из Бостона. Калеб Пратт и Томас Уилсон были двумя инженерами. Они использовали сжатые части по вертикали, а растянутые — по горизонтали. Поэтому нагрузка одинаково хорошо распределяется как сверху, так и снизу.
• Ферма Больмана имеет достаточно сложную и неудобную конструкцию. Свою популярность в США данное сооружение получило из-за политических достоинств ее создателя. Изобретатель красноречиво говорил про ферму, пусть даже и не все соответствовало действительности. Больман сумел продвинуть свое изобретение с помощью американского правительства, которое порой принуждало градостроителей использовать данную конструкцию при проектировке мостов. Среди обладателей патентов строительных ферм есть немало наших соотечественников, но еще ни одна «русская» ферма не продвигалась в массы столь оригинальным способом.
• Ферма Финка является упрощенной версией фермы Больмана. Он просто укоротил все ее элементы и тем самым сделал ее более эффективной. Также она имеет схожесть с конструкцией фермы Пратта. Она отличается от нее лишь отсутствием нижней балки.
• Треугольная ферма. Также ее называют «бельгийской». Это современная конструкция, которая представлена в виде треугольников со шпренгелями.
• Кингпост — самый простой вариант фермы. Он представляет собой пару опор, опирающихся на вертикальную балку.
• Решётчатая городская структура была создана для замены огромных деревянных мостов. Она достаточно проста по своей конструкции. Для нее применяют обычные деревянные доски, присоединённые друг к другу под углом, которые, в свою очередь, образуют решетку.

Металлическая ферма. Металлические конструкции

Металлическая ферма изготавливается из стальных профилей, наиболее часто используется для этого уголок. Если предстоит обустроить более тяжелую конструкцию, то профиль должен иметь тавровое или двутавровое сечение. Для гидротехнических сооружений используется круглое сечение, а также профильная труба. Стропильная металлическая ферма достаточно широко применяется в конструкциях для перекрытия зданий, наиболее часто ширина пролета превышает 24 метра.

Конструктивные особенности стропильной металлической фермы

Главные конструктивные элементы

Разновидности ферм по решеткам и поясам

Детали повторяются с наибольшей периодичностью, что связано с равномерными длинами стержней для решетки и поясов, одинаковыми схемами узлов, а также наименьшим числом стыков, что позволяет унифицировать конструкции. Это дает возможность индустриализировать их производство. Их используют наиболее часто при обустройстве мягких кровель.

Металлические фермы, чертежи которых составляются до начала монтажа, могут быть одинаковыми, то есть трапециевидными. Сопряжение с колоннами позволяет устраивать достаточно жесткие узлы рамы, которые повышают качества жесткости всей постройки. В центральной части пролета на решетке данных ферм не имеется длинных стержней. Они не предполагают необходимости устройства значительных уклонов. Что касается полигональных, они подходят для массивных построек, в которых применяются большие пролеты. При этом данные конструкции позволяют сэкономить материал. Подобное очертание для легких вариантов нерационально, так как получение незначительной экономии нельзя соизмерить с такими сложностями конструкции.

Можно выделить еще и треугольные, которые применяются для круглых крыш определенного вида. Они просты в исполнении, но обладают определенными конструктивными минусами, которые выражены в сложности опорного узла. Помимо прочего, получается перерасход материалов при изготовлении длинных стержней в центральной зоне решетки. Применение треугольных систем во многих случаях обязательно, например, там, где нужно обеспечить с одной стороны равномерный и значительный приток естественного света.

Системы решетки

Особенности проведения расчетов

Работа над изготовлением и соединением элементов

Монтаж металлических ферм производится поэтапно из элементов на прихватках. Связывание поясов осуществляется с применением уголка, который используется в количестве одного или двух штук. Верхние пояса выполняются из уголков, которые обладают неравными боками, а также имеют тавровое сечение. Сопряжение осуществляется по меньшим сторонам. Для нижних поясов применяются равнобокие уголки. Стропильные фермы металлические могут обладать значительной длиной, при этом используются накладные и соединительные пластины. При нагрузках, образованных в границах панелей, применяется парные швеллер.

Раскосы устанавливаются под углом в 45 градусов, что касается стоек, то их монтаж производится под прямым углом. Для их выполнения используется равнобокий уголок, а крепление деталей осуществляется с помощью пластин.

Если система полностью сварная, то ее выполняют с применением тавр. После того как монтаж на прихватках завершён полуавтоматическим или ручным способом, можно приступать к проведению сварочных работ, затем каждый шов должен быть зачищен. Проведение окрашивания производится на завершающем этапе, следует использовать антикоррозийные составы.

Правила проведения устройства

Для обустройства чердака голые стены должны обладать соответствующей высотой, в некоторых случаях для этого крыша снабжается переломами у опор. Габариты панели верхнего и нижнего пояса должны быть эквивалентны. Для облегчения процесса применяется решетка. Если угол наклона должен получиться равным 15-22 градусам, то высота конструкции должна быть равна 1/7 длины, узлы металлических ферм в нижнем поясе должны быть ломаными, это гарантирует снижение массы по сравнению с обычной треугольной на 30 процентов. При всем этом, один пролет не должен оказаться больше 20 метров в длину. Если необходим уклон в пределах 22-30 градусов, то система должна обладать треугольной формой, металлические конструкции фермы будут обладать высотой, которая равна 1/3 длины.

По той причине, что вес получится сравнительно небольшим, в качестве опоры можно использовать наружные стены, возведенные на незначительную высоту. Если длина пролета равна 14-20 метрам, в каждой ее половине следует сделать четное число панелей, длина которых равна 1,5-2,5 метра. В качестве наиболее подходящих для такой длины считается количество панелей, ограниченное восемью.

Если длина пролета превышает 35 метров, то следует применять фермы, которые предполагают использование двух треугольных элементов, соединенных между собой стяжками. В данном случае длинные раскосы центральных панелей допустимо устранить, уменьшив массу. Ферма треугольная металлическая в этом случае будет иметь верхний пояс, разделенный на 16 панелей, длина каждой из которых равна 2-2,75 метра.

Стальные профильные трубы

После того как вы поняли, как производится расчет металлической фермы, можно подумать о ее составляющих. Таким образом, конструкция, изготовленная из профильных труб, обладает менее внушительным весом по сравнению со швеллером или уголком. Такие детали легко собираются с использованием сварки. Профильные трубы можно покрывать легкими материалами по типу ондулина, прозрачного шифера, а также битумных гонтов. Стальные трубы выполняются из стали и алюминия. Такие материалы обладают своими преимуществами, их удобно складировать, перевозить, а также загружать. Материал будет способен претерпевать значительные тепловые и механические нагрузки, он легко поддается обработке.

В основе металлических ферм используются оцинкованные профильные трубы по той причине, что они не подвергаются коррозии, имеют отличные эксплуатационные качества, а также смотрятся привлекательно. Все данные факторы обязательно принимаются в расчет при выборе материала для обустройства стальных ферм. Помимо прочего, монтировать такие системы достаточно просто, с чем способен справиться любой мастер.

В заключение

Используются для этого и толстостенные профильные трубы, которые обладают более внушительной несущей способностью. Такие конструкции применяются еще и при строительстве заборов, детских площадок, а также перегородок.

Теперь вы знаете, как проводить монтаж металлических ферм разных форм.

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

ферма сечение стержень коробчатый

Классификация и область применения ферм

Происхождение термина «ферма» берет начало от латинского firmus, то есть «прочный, крепкий».

Фермой называется система стержней соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию. При узловой нагрузке жесткость узлов несущественно влияет на работу конструкции, и в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные. В этом случае все стержни ферм испытывают только растягивающие или сжимающие осевые усилия.

Фермы экономичнее балок по расходу стали, но более трудоемки в изготовлении. Эффективность ферм по сравнению со сплошностенчатыми балками тем больше, чем больше пролет и меньше нагрузка.

Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными.

Плоские фермы воспринимают нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении их связями. Пространственные фермы образуют жесткий пространственный брус, воспринимающий нагрузку в любом направлении (рис.9.1).

Рис. 9.1. Плоская (а) и пространственная (б) фермы

Основными элементами ферм являются пояса, образующие контур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек (рис. 9.2). Соединение элементов в узлах осуществляется путем непосредственного примыкания одних элементов к другим (рис 9.3,а) или с помощь ю узловых фасонок (рис. 9.3,б). Элементы ферм центрируются по осям центра тяжести для снижения узловых моментов и обеспечения работы стержней на осевые усилия.

Рис. 9.2. Элементы ферм

1 — верхний пояс; 2 — нижний пояс; 3 — раскосы; 4 – стойки

Рис. 9.3. Узлы ферм: а — с непосредственным примыканием элементов; б — на фасонках

Расстояние между соседними узлами поясов называется панелью (d в — панель верхнего пояса, d н — нижнего), а расстояние между опорами — пролетом (/).

Пояса ферм работают на продольные усилия и момент (аналогично поясам сплошных балок); решетка ферм воспринимает в основном поперечную силу, выполняя функции стенки балки.

Знак усилия (минус — сжатие, плюс — растяжение) в элементах решетки ферм с параллельными поясами можно определить, если воспользоваться “балочной аналогией”.

Стальные фермы широко применяются во многих областях строительства; в покрытиях и перекрытиях промышленных и гражданских зданий, мостах, опорах линий электропередачи, объектах связи, телевидения и радиовещания (башни, мачты), транспортных эстакадах, гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах и т. д.

Фермы имеют разную конструкцию в зависимости от назначения, нагрузок и классифицируются по различным признакам:

по статической схеме — балочные (разрезные, неразрезные, консольные);

по очертанию поясов — с параллельными поясами, трапециевидные, треугольные, полигональные, сегментные (рис. 9.5);

Рис.9.4. Системы ферм: а — балочная разрезная; б — неразрезная; в,е — консольная; г — арочная; д — рамная;

по системе решетки — треугольная, раскосная, крестовая, ромбическая и др. (рис.9.6);

по способу соединения элементов в узлах — сварные, клепанные, болтовые;

Рис. 9.5. Очертания поясов ферм: а — сегментное; б — полигональное; в — трапецеидальное; г — с параллельными поясами; д-и — треугольное

по величине максимального усилия — легкие — одностенчатые с сечениями из прокатных профилей (усилие N 300кН).

Промежуточными между фермой и балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами либо аркой (сверху). Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающий момент в балке и повышают жесткость системы (рис.9.4,^). Комбинированные системы просты в изготовлении (имеют меньшее число элементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижными нагрузками.

Эффективность ферм комбинированных систем можно повысить, создав в них предварительное напряжение.

В фермах подвижных крановых конструкций и покрытий больших пролетов, где уменьшение веса конструкции дает большой экономический эффект, применяют алюминиевые сплавы.

Рис. 9.6. Системы решетки ферм

а — треугольная; б — треугольная с дополнительными стойками; в — раскосная с восходящими раскосами; г — раскосная с нисходящими раскосами; д — шпренгельная; е — крестовая; ж — перекрестная; и — ромбическая; к — полу раскосная

Ферма (конструкция)

Фе́рма (фр. ferme , от лат. firmus прочный) - стержневая система в строительной механике, остающаяся геометрически неизменяемой после замены её жёстких узлов шарнирными. В элементах фермы, при отсутствии расцентровки стержней и внеузловой нагрузки, возникают только усилия растяжения-сжатия. Фермы образуются из прямолинейных стержней, соединенных в узлах .

Ферма состоит из элементов: пояс, стойка, раскос, шпренгель (опорный раскос).

История [ править ]

Классификация [ править ]

Фермы классифицируют по следующим признакам:

• Характер очертания внешнего контура
  • Параллельные пояса
  • Ломаные пояса
  • Полигональные пояса
  • Треугольные пояса
• Тип решётки
  • Треугольная
  • Раскосная
  • Полураскосная
  • Ромбическая
• Тип опирания
  • Балочный
  • Арочный
  • Консольный
  • Балочно-консольный
• Назначение
  • Стропильные
  1. ферма Пратта (со сжатыми стойками и растянутыми раскосами)
  2. ферма Уорренна (с решёткой из треугольников)
  3. Бельгийская (треугольная) ферма
  4. ферма с перекрёстными подкосами
  5. ферма под верхний свет
  • Подстропильные
  • Мостовые
  • Крановые
  • Башенные
• Материал исполнения
  • Деревянные
  • Металлические (стальные и алюминиевые)
  • Железобетонные
  • Из полимерных материалов

Область применения [ править ]

Фермы широко используются в современном строительстве, в основном для перекрытия больших пролётов с целью уменьшения расхода применяемых материалов и облегчения конструкций, например - в строительных большепролётных конструкциях, типа мостов, стропильных систем промышленных зданий, спортивных сооружений, а также - при возведении небольших лёгких строительных и декоративных конструкций - павильонов, сценических конструкций, тентов и подиумов;

Фюзеляж самолёта, корпус корабля, несущий кузов автомобиля (кроме открытых кузовов, работающих как простая балка), автобуса или тепловоза, вагонная рама со шпренгелем - с точки зрения сопромата являются фермами (даже если у них отсутствует как таковой каркас - ферменную конструкцию в этом случае образуют подкрепляющие обшивку выштамповки и усилители), соответственно, в их расчётах на прочность применяются соответствующие методики.

Принцип работы [ править ]

Если произвольным образом скрепить на шарнирах несколько стержней, то они будут беспорядочно крутиться вокруг друг друга, и подобная конструкция будет, как говорят в строительной механике, «изменяемой», то есть если на неё надавить, то она сложится, как складываются стенки спичечного коробка. Если составить из стержней обычный треугольник, то, конструкция сложится, только если сломать один из стержней, или оторвать его от других, такая конструкция уже «неизменяемая».

Конструкция фермы содержит в себе эти треугольники. И стрела башенного крана и сложные опоры, все они состоят из маленьких и больших треугольников. Так как любые стержни лучше работают на сжатие-растяжение, чем на излом, то нагрузка к ферме прикладывается в точках соединения стержней.

Фактически стержни фермы обычно соединяют между собой не через шарниры, а жёстко. То есть, если два любых стержня отрезать от остальной конструкции, они не будут вращаться относительно друг друга, однако, в простейших расчётах этим пренебрегают и считают, что шарнир имеется.

Методы расчета [ править ]

Существует огромное количество способов расчёта ферм, как простых, так и сложных . Один из самых простых - расчёт вырезанием узлов (шарниров, соединяющих стержни). Данный способ универсален и подходит для любых статически определимых ферм. Для расчёта фермы все силы, действующие на ферму, сводят к её узлам. Далее два варианта расчёта.

Первый - сначала выполняется определение реакций опор обычными методами статики (составление уравнений равновесия), затем рассматривается любой узел, в котором сходятся только два стержня. Мысленно отделяется узел от фермы, заменяя действие разрезанных стержней их реакциями, направленными из узла. В этом случае действует правило знаков - растянутый стержень имеет положительное усилие. Из условия равновесия сходящейся системы сил (два уравнения в проекциях) определяются усилия в стержнях, затем рассматривается следующий узел, в котором опять только два неизвестных усилия и так пока не будут найдены усилия во всех стержнях.

Другой способ - не определять реакции опор, а заменить опоры опорными стержнями, а затем вырезать все узлы (числом n ) и для каждого составить по два уравнения равновесия. Далее решается система 2n уравнений и находятся все 2n усилия, включая усилия в опорных стержнях (реакции опор). В статически определимых фермах система должна замкнуться.

Метод вырезания узлов имеет один существенный недостаток - накопление ошибок в процессе последовательного рассмотрения равновесия узлов или проклятие размеров матрицы системы линейных уравнений, если составляется глобальная система уравнений для всей фермы. Этого недостатка лишён Метод Риттера. Есть и архаичный графический метод - диаграмма Максвелла-Кремоны, полезный, однако, в процессе обучения. В современной практике используются компьютерные программы, большинство из которых основано на методе вырезания узлов. Иногда в расчётах применяют метод замены стержней Геннеберга .