Колонны и элементы стержневых конструкций

3.2 Колонны и элементы стержневых конструкций

Общая характеристика конструкций

Колонна является древнейшей строительной конструкцией. Более 3000 лет тому назад египтяне вытесывали из камня колонны для надгробных памятников, а в V в. до н.э. колонна заняла центральное место в колоннадах общественных зданий у древних греков и римлян. Такие колонны воздвигались исключительно по эмпирическим правилам, заимствованным из окружающего мира.

Научный подход к изучению проблемы работы сжатых конструкций был начат в XVIII в., когда Петрус Ван-Мусшенбрук построил установку для испытаний на сжатие, а Леонард Эйлер получил свою знаменитую формулу, к которой мы будем неоднократно обращаться. Было установлено, что несущая способность центрально-сжатого стержня обратно пропорциональна квадрату его длины, т.е. в два раза более длинный стержень несет в четыре раза меньшую нагрузку. К сожалению, формула Эйлера, содержащая произвольное целое число, которому в то время не могли найти объяснения, а также слабое соответствие этой формулы экспериментальным данным (как мы сегодня знаем, плохо обоснованным) привели к ее забвению почти на 200 лет. Лишь в конце прошлого века эта формула получила всеобщее признание и дальнейшее развитие, которое продолжалось на фоне острых дискуссий до середины нашего столетия. С существом этих дискуссий мы познакомимся позднее, а сейчас рассмотрим лишь краткую характеристику конструкций, работающих на сжатие.

Колонны, стойки, стрелы кранов и другие продольно сжатые конструкции с точки зрения их расчета имеют общие черты с отдельными элементами, входящими в состав других конструкций или стержневых систем, например со стержнями ферм, элементами связей и т.п. Это позволяет их рассматривать в составе одной главы, но с разной степенью детализации. При всем многообразии такие конструкции имеют общие формальные признаки - все они работают на сжатие или на сжатие с изгибом, а их длина в 10...20 раз и более превышает размеры поперечных сечений. Конструкция состоит из собственно стержня и опорных устройств, технические решения которых зависят от назначения конструкции и особенностей, узловых сопряжении.

По форме силуэта конструкции могут быть постоянного сечения, переменного сечения и ступенчатыми. Изменение сечения по длине позволяет снизить металлоемкость, но незначительно, поэтому такие стержни проектируют из архитектурных соображений либо когда снижение массы приводит к дополнительным эффектам, например в подвижных конструкциях типа крановых стрел.

Типичными представителями сжатых стержневых конструкций являются колонны и стойки, состоящие из стержня, оголовка, базы, иногда консоли. Оголовок служит для опирания и крепления вышележащих конструкций. База выполняет две функции - распределяет усилие, передаваемое колонной на фундамент, снижая напряжение до расчетного сопротивления фундамента, и обеспечивает прикрепление к нему колонны с помощью анкерных болтов. На консоли могут опираться подкрановые балки, стеновые панели, технологические коммуникации и т. п.

Мощные стержни типа колонн, стоек, элементов тяжелых ферм выполняют из одиночных широкополочных двутавров или составляют их из нескольких прокатных профилей. Составные стержни могут быть сплошностенчатыми - сплошными - и сквозными.

Последние в свою очередь делят на стержни с безраскосной решеткой, решетчатые и перфорированные. Ветви (пояса) безраскосных стержней объединяют планками из листовой стали, жесткими вставками или перфорированными листами. Перфорированные стержни могут быть выполнены также гнутосварными из зигзагообразно разрезанных листов или из прокатных профилей, которые после предварительной фигурной резки объединяют в крестообразное сечение. При всей своей привлекательности перфорированные стержни находят ограниченное применение, что связано с дополнительными операциями и необходимостью иметь оборудование для фигурной резки и гибки заготовок в форме гнутых швеллеров или уголков. При изготовлении стоек из перфорированных прокатных профилей необходимы операции правки, так как после резки исходного профиля полученные заготовки изгибаются в разные стороны вследствие наличия в исходном металлопрокате остаточных напряжений.

Элементы стержневых конструкций небольших поперечных размеров проектируют из круглых или прямоугольных труб, одиночных либо спаренных уголков.

По виду напряженного состояния стержни делят на центрально-сжатые, внецентренно сжатые и сжато-изгибаемые. Аналогичную классификацию используют для наименования растянутых элементов.

3.3 Фермы

Общая характеристика и классификация ферм

Фермой называют систему стержней (обычно прямолинейных), соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию.

Если нагрузка приложена в узлах, а оси элементов фермы пересекаются в одной точке (центре узла), то жесткость узлов несущественно влияет на работу конструкции и в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные. Тогда все стержни фермы испытывают только осевые усилия (растяжение или сжатие). Благодаря этому металл в фермах используется более рационально, чем в балках, и они экономичнее балок по расходу материала, но более трудоемки в изготовлении, поскольку имеют большое число деталей. С увеличением перекрываемых пролетов и уменьшением нагрузки эффективность ферм по сравнению со сплошностенчатыми балками растет.

Стальные фермы получили широкое распространение во многих областях строительства: в покрытиях и перекрытиях промышленных и гражданских зданий, мостах, опорах линий электропередачи, объектах связи, телевидения и радиовещания (башни, мачты), транспортерных галереях, гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах и т.д.

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

Плоские фермы могут воспринимать нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскости связями или другими элементами. Пространственные фермы образуют жесткий пространственный брус, способный воспринимать нагрузку, действующую в любом направлении. Каждая грань такого бруса представляет собой плоскую ферму. Примером пространственного бруса может служить башенная конструкция.

Основными элементами ферм являются пояса, образующие контур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек.

Расстояние между узлами пояса называют панелью (d), расстояние между опорами - пролетом (l), расстояние между осями (или наружными гранями) поясов - высотой фермы (h_ф).

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

Соединения элементов в узлах осуществляют путем непосредственного примыкания одних элементов к другим или с помощью узловых фасонок. Для того чтобы стержни ферм работали в основном на осевые усилия, а влиянием моментов можно было пренебречь, элементы ферм следует центрировать по осям, проходящим через центры тяжести.

В зависимости от назначения, архитектурных требований и схемы приложения нагрузок фермы могут иметь самую разнообразную конструктивную форму. Их можно классифицировать по следующим признакам: статической схеме, очертанию поясов, системе решетки, способу соединения элементов в узлах, величине усилия в элементах.

По статической схеме фермы бывают: балочные (разрезные, неразрезные, консольные), арочные, рамные и вантовые.

В покрытиях зданий, мостах, транспортерных галереях и других подобных сооружениях наибольшее применение нашли балочные разрезные системы . Они просты в изготовлении и монтаже, не требуют устройства сложных опорных узлов, но весьма металлоемки. При больших пролетах (более 40 м) разрезные фермы получаются негабаритными и их приходится собирать из отдельных элементов на монтаже. При числе перекрываемых пролетов два и более применяют неразрезные фермы. Они экономичнее по расходу металла и обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту. Но как во всяких внешне статически неопределимых системах, в неразрезных фермах при осадке опор возникают дополнительные усилия, поэтому их применение при слабых просадочных основаниях не рекомендуется. Кроме того, необходимость создания неразрезности усложняет монтаж таких конструкций. Консольные фермы используют для навесов, башен, опор воздушных линий электропередач. Рамные системы экономичны по расходу стали, имеют меньшие габариты, однако более сложны при монтаже. Их применение рационально для большепролетных зданий. Применение арочных систем, хотя и дает экономию стали, приводит к увеличению объема помещения и поверхности ограждающих конструкций. Их применение диктуется в основном архитектурными требованиями. В вантовых фермах все стержни работают только на растяжение и могут быть выполнены из гибких элементов, например стальных тросов. Растяжение всех элементов таких ферм достигается выбором очертания поясов и решетки, а также созданием предварительного напряжения. Работа только на растяжение позволяет полностью использовать высокие прочностные свойства стали, поскольку снимаются вопросы устойчивости. Вантовые фермы рациональны для большепролетных перекрытий и в мостах. Промежуточными между фермой и сплошной балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами, либо сверху аркой. Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающий момент в балке и повышают жесткость системы. Комбинированные системы просты в изготовлении (вследствие меньшего числа элементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижными нагрузками. Весьма эффективно применение комбинированных систем при усилении конструкций, например, подкрепление балки, при недостаточной ее несущей способности, шпренгелем или подкосами.

В зависимости от очертания поясов фермы подразделяют на сегментные, полигональные, трапецеидальные, с параллельными поясами и треугольные.

Очертание поясов ферм в значительной степени определяет их экономичность. Теоретически наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов. Для однопролетной балочной системы с равномерно распределенной нагрузкой это будет сегментная ферма с параболическим поясом . Однако криволинейное очертание пояса повышает трудоемкость изготовления, поэтому такие фермы в настоящее время практически не применяют.

Более приемлемым является полигональное очертание с переломом пояса в каждом узле. Оно достаточно близко соответствует параболическому очертанию эпюры моментов, не требует изготовления криволинейных элементов. Такие фермы иногда применяют для перекрытия больших пролетов и в мостах, т.е. в конструкциях, поставляемых на строительную площадку "россыпью" (из отдельных элементов). Для ферм покрытий обычных зданий, поставляемых на монтаж, как правило, в виде укрупненных отправочных элементов из-за усложнения изготовления эти фермы в настоящее время не применяют. Вы их можете встретить только в старых сооружениях, построенных до 50-х годов.

Фермы трапецеидального очертания , хотя и не совсем соответствуют эпюре моментов, имеют конструктивные преимущества, прежде всего за счет упрощения узлов. Кроме того, применение таких ферм в покрытии позволяет устроить жесткий рамный узел, что повышает жесткость каркаса.

Фермы с параллельными поясами по своему очертанию далеки от эпюры моментов и по расходу стали не экономичны. Однако равные длины элементов решетки, одинаковая схема узлов, наибольшая повторяемость элементов и деталей и возможность их унификации способствует индустриализации их изготовления. Благодаря этим преимуществам фермы с параллельными поясами стали основными для покрытия зданий.

Фермы треугольного очертания рациональны для консольных систем, а также для балочных систем при сосредоточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы). При распределенной нагрузке треугольные фермы имеют повышенный расход металла. Кроме того, они имеют ряд конструктивных недостатков. Острый опорный узел сложен и допускает только шарнирное сопряжение с колоннами. Средние раскосы получаются чрезвычайно длинными, и их сечение приходится подбирать по предельной гибкости, что вызывает перерасход металла. Однако в ряде случаев их применение для стропильных конструкций диктуется необходимостью обеспечения большого (свыше 20 %) уклона кровли или требованиями создания одностороннего освещения (шедовые покрытия).

Системы решетки

Выбор типа решетки зависит от схемы приложения нагрузок, очертания поясов и конструктивных требований. Так, во избежание изгиба пояса места приложения сосредоточенных нагрузок следует подкреплять элементами решетки. Для обеспечения компактности узлов угол между раскосами и поясом желательно иметь в пределах 30...50°.

Для снижения трудоемкости изготовления ферма должна быть по возможности простой с наименьшим числом элементов и дополнительных деталей.

Треугольная система решетки имеет наименьшую суммарную длину элементов и наименьшее число узлов. Различают фермы с восходящими и нисходящими опорными раскосами. Если опорный раскос идет от нижнего опорного узла фермы к верхнему поясу, то его называют восходящим. При направлении раскоса от опорного узла верхнего пояса к нижнему - нисходящим. В местах приложения сосредоточенных нагрузок (например, в местах опирания прогонов кровли) можно установить дополнительные стойки или подвески. Эти стойки служат также для уменьшения расчетной длины пояса. Стойки и подвески работают только на местную нагрузку.

Недостатком треугольной решетки является наличие длинных сжатых раскосов, что требует дополнительного расхода стали для обеспечения их устойчивости.

В раскосной системе решетки все раскосы имеют усилия одного знака, а стойки - другого. Так, в фермах с параллельными поясами при восходящем раскосе стойки растянуты, а раскосы сжаты; при нисходящем - наоборот. Очевидно, при проектировании ферм следует стремиться, чтобы наиболее длинные элементы были растянуты, а сжатие воспринималось короткими элементами. Раскосная решетка более металлоемка и трудоемка по сравнению с треугольной, так как общая длина элементов решетки больше и в ней больше узлов. Применение раскосной решетки целесообразно при малой высоте ферм и больших узловых нагрузках.

Шпренгельную решетку применяют при внеузловом приложении сосредоточенных нагрузок к верхнему поясу, а также при необходимости уменьшения расчетной длины пояса. Она более трудоемка, но в результате исключения работы пояса на изгиб и уменьшения его расчетной длины может обеспечить снижение расхода стали.

Если нагрузка на ферму может действовать как в одном, так и в другом направлении (например, ветровая нагрузка), то целесообразно применение крестовой решетки. Раскосы такой решетки могут быть выполнены из гибких элементов. В этом случае сжатые раскосы вследствие большой гибкости выключаются из работы и решетка работает как раскосная с растянутыми раскосами и сжатыми стойками.

В фермах с поясами из тавров можно применить перекрестную решетку из одиночных уголков с креплением раскосов непосредственно к стенке тавра.

Ромбическая и полураскосная решетки благодаря двум системам раскосов обладают большой жесткостью; эти системы применяют в мостах, башнях, мачтах, связях для уменьшения расчетной длины стержней. Они рациональны при большой высоте ферм и работе конструкций на значительные поперечные силы.

Возможна в одной ферме комбинация различных типов решетки.

По способу соединения элементов в узлах фермы подразделяют на сварные и болтовые. В конструкциях, изготовленных до 50-х годов, применялись также клепаные соединения. Основными типами ферм являются сварные. Болтовые соединения, как правило, на высокопрочных болтах применяют в монтажных узлах.

По величине максимальных усилий условно различают легкие фермы с сечениями элементов из простых прокатных или гнутых профилей (при усилиях в стержнях N<3000кН) и тяжелые фермы с элементами составного сечения (N >3000кН).

Эффективность ферм может быть повышена при создании в них предварительного напряжения.

Из всего многообразия ферм в настоящем пособии рассмотрены только легкие разрезные балочные фермы, имеющие наиболее широкое применение

Похожие работы

Технология монтажа металлических конструкций

Скачать

18940

0

0

... переделывают. Составляют акт приемки фундамента. Акт подписывается строительной организацией, выполняющей фундаменты, и монтажной организацией, которая будет производить монтаж металлических конструкций. К акту прикладывают исполнительную схему. 1.4. Подъем, установка и выверка технологических металлоконструкций. Подъем технологических металлоконструкций осуществляют после приемки фундаментов ...

Монтаж металлических конструкций 2-5 этажей блока постоянного хранения гаража на 300 автомобилей

Скачать

17711

5

0

... , подготовка которых происходит непосредственно на строительной площадке (разрезание профилированного листа). Металлические конструкции защищены специальными антикоррозийным и противопожарным покрытиями. Расчеты произведены на возведении 2-5 этажей блока постоянного хранения автомобилей. Высота этажа 2,4 м. Определение объемов строительно-монтажных работ   При проектировании монтажных работ ...

Металлические конструкции рабочей площадки

Скачать

34940

15

11

... Учебник для ВУЗов / Под ред. В.П. Чиркова. – М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007. – 448 с. 9.         Левитский В.Е. Металлические конструкции рабочей площадки: Методические указания к практическим занятиям для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство». – [Электронная версия]. Приложения Приложение 1 Нормативные ...

Показатели качества сильнонагруженных металлических конструкций и методы их контроля

Скачать

61285

7

0

... , асбестоцементных, полимерных, рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов и строительного стекла 2. Строительные конструкции Номенклатура показателей качества каменных и армокаменных, бетонных и железобетонных, металлических, асбестоцементных и деревянных конструкций 3. Инженерное оборудование зданий и сооружений Номенклатура показателей качества санитарно-технического ...