Понятие фермы в строительстве

Как работает ферма

В процессе эволюции зданий было два важных этапа развития с тех пор, как человек впервые использовал дерево и камень, чтобы соорудить себе кров над головой. Это были первые материалы, используемые как простейшие балки. Римляне изобрели арки, а фермы развились в средневековой Европе.

Балка может выдерживать тяжести благодаря прочности своего изгиба. Таков принцип действия стропила, бруса, продольной балки, перемычки и ригеля. Как правило, верхний край балки подвергнут сжатию, а нижний — натяжению. Эти напряжения достигают максимума в середине пролета балки; с удвоением пролета прочность балки нужно увеличивать в четыре раза. Нагруженные балки имеют тенденцию прогибаться. Прогиб в большей мере зависит от длины пролета, нежели от увеличения прочности.

Римляне обнаружили, что при соединении камней между собой в форме арки они могут создавать более длинные пролеты, чем при использовании камней как простых перемычек и балок. В арке камни сжаты. Арка будет держаться до тех пор, пока опоры или контрфорсы обеспечивают сопротивляемость и не раздвигаются каждый в своем направлении. Деревянные балки также можно упереть по отношению друг к другу так, чтобы сформировалась арка. Деревянные компоненты будут взаимно сжаты и будут действовать также как обычные балки.

Римский арочный мост

Чтобы арка превратилась в ферму, нужно обеспечить смычку контрфорсов так, чтобы арка не могла их отталкивать. Арки, балки, комбинации смычек опираются сами на себя — так мы получаем ферму.

Деревянная арка

Фермы Gang-Nail основаны на этих простейших конструкциях. Все составные части фермы сделаны из дерева, а крепления устроены с использованием соединительных пластин Gang-Nail.

Простая ферма с аркообразным стропилом и смычкой

Характерный внешний вид фермы — это каркас, состоящий из множества малых треугольников. Треугольник — это естественно стабильная форма, по сравнению с четырехугольным каркасом, если только его сочленения не неподвижны или же он не закреплен от угла к углу. Однако такое скрепление превращает четырехугольник в два взаимосвязанных треугольника в ферме. Компоненты, составляющие периметр фермы — пояса — как правило, действуют и как балки, и как смычки или стойки. Чем меньше расстояние между креплениями фермы, тем меньшее поперечное сечение пояса необходимо.

Типичная А-образная ферма Gang-Nail

Однако чем больше в ферме соединений, тем дороже обходится ее изготовление. Проектировщик фермы может выбрать размещение поясов и сеток, ему следует найти равновесие между структурной и производственной эффективностью так, чтобы конструкция могла выдерживать приложимые к ней нагрузки.

Основная механика ферм

Все фермы крыш проектируются для наихудших из возможных неизменных нагрузок работы и ветра. Отдельные составляющие ферм проектируются так, чтобы они выдерживали соответствующие силы, то есть натяжение, сжатие либо изгиб вместе с силой натяжения или сжатия.

Натяжение (протяжка). В случае этой силы, когда компоненты растягиваются или подвергаются силе натяжения, говорят, что они находятся в напряженном состоянии. Способность компонентов сопротивляться силе натяжения зависит от устойчивости материала и поперечного сечения.

Рисунок 1.

Из примера видно, что в том случае, если поперечное сечение составляющей удваивается, удваивается и ее способность выдерживать силы натяжения.

Сжатие (толкание). Если составляющая подвергается этой силе, иногда ее называют колонной. В отличие от напряженной составляющей, способность колонны выдерживать силы сжатия зависит не только от зоны поперечного сечения, но и от устойчивости материала, длины колонны и формы ее поперечного сечения в целом.

Если одна тонна — максимальная сила сжатия, которую может выдержать деревянная колонна длиной 1200 мм и сечением 100 х 38 мм без продольного изгиба, то колонна 100 х 38 мм и в два раза длиннее под воздействием такой же силы обязательно начнет расшатываться, может быть, даже обрушится.

Рисунок 2.

Рисунок 3.

Однако, если мы в предыдущем примере поддержим колонну длиной 2400 мм посередине неподвижным образом, она сможет выдержать вес в 1 тонну.

Рисунок 4.

Когда такая неподвижная опора используется в решетчатых компонентах, ее называют решетчатой связкой, которая используется в соединениях со скосами (см. рисунок 5 а).

Рисунок 5a.

Обрешетка со скосами формирует неподвижные опоры, которые должны устранить шатание поясов фермы вбок (см. рисунок 5b).

Рисунок 5b.

Устойчивость колонны зависит и от формы ее поперечного сечения. Чем симметричнее форма, тем больше устойчивость (если принять, что поперечное сечение такое же).

Рисунок 6.

Например, компонент 100 х 25 с площадью поперечного сечения 2500 мм не будет столь же устойчив к сжатию, как компонент 50 х 50, принимая, что длина и устойчивость материала одинаковы.

Рисунок 7.

Сила сгиба, а точнее, момент сгиба, — это результат силы, которая приложена к консоли, например, к доске трамплина или обычной балке.

Нагрузка, которую может выдержать балка, зависит как от устойчивости материала, так и от формы поперечного сечения балки. В отличие от колонны, в случае балки чем глубже вгиб (при такой же зоне поперечного сечения), тем более устойчив материал будет к сгибанию. Как и в случае с колонной, балкам, подверженным моменту сгиба, нужны боковые связки.

Чем глубже сгибается балка, тем больше связок необходимо.

Рисунок 8.

Силы в составляющих

В случае многих простых ферм можно определить, какие силы будут действовать в каждой конкретной составляющей, не производя никаких расчетов.

В примере на рисунке 9 мы видим простую А-образную краевую ферму с равномерно распределенной нагрузкой по верхним и нижним поясам. Нагрузка от крыши передается по обрешетке, нагрузка потолка — по обрешетке потолка.

Это означает, что пояса подвергаются ка силе сгиба, так и силам сжатия и натяжения. В случае такого распределения нагрузок верхний пояс выдерживает силы сжатия и сгиба. Самая короткая сетка подвергается сжатию, а самая длинная — натяжению. Геометрия как А-образных, так и Вобразных краевых ферм создана так, чтобы в нормальных условиях самые длинные сетки подвергались натяжению, а самые короткие — сжатию. Это делается для того, чтобы сократить размеры деревянных деталей в решетках, подверженных сжатию.

Рисунок 9.

Когда составляющая подвергается натяжению, сжатию или сгибу (элементу сгиба), под влиянием силы она деформируется независимо от того, насколько устойчив материал и как велико поперечное сечение. Величина деформации зависит тем не менее от устойчивости материала, формы и размера поперечного сечения.

На рисунке 10а видно, как будет прогибаться балка Oregon на 32 мм, как только посередине будет помещен груз весом в тонну. Если такая нагрузка сохранится, через 20-24 месяца прогиб увеличится в три раза. Такое увеличение прогиба со временем, без увеличения веса называется «прогибом в результате ползучести».Такой прогиб характерен для деревянных конструкций, однако его можно не учитывать для других материалов, например, стали.

Рисунок 10a.

Балка Oregon 350 х 75

Если такая же нагрузка будет создана для универсальной стальной балки (см. рисунок 10b), краткосрочный прогиб составит примерно 1 мм. Долгосрочный прогиб также будет 1 мм.

Рисунок 10b.

Универсальная стальная балка 310 х 165 мм

Деревянная ферма (см. рисунок 10с) также прогнется под таким же весом, однако благодаря треугольной сетке (которая делает ее крепче) она намного более неподвижна, чем большая стальная балка, которая весит в три раза больше, а стоит в пять раз больше, чем деревянная ферма.

Рисунок 10c.

Из этих примеров становится ясно, что деревянные фермы — очень эффективные конструктивные элементы.

Чтобы компенсировать прогиб, который возникает из-за нагрузки, фермы изготавливаются с направленным вверх выгибом. После установки ферма немного прогнется. Она прогнется еще больше, когда на нее начнут воздействовать нагрузки крыши и потолка, а со временем прогиб увеличится из-за ползучести.

Так как пояса подвергаются распределенной нагрузке, они также прогнутся между узлами фермы дополнительно к тому, что ферма как целое также прогибается вниз.

Этот прогиб пояса называется «панельным вгибом», и его нельзя компенсировать в процессе производства, как это можно сделать с прогибом фермы. Все варианты стандарта ферм проектируются так, чтобы панельный вгиб был наиболее приемлемым.

Рисунок 11.

Рисунок 12.

Анализ ферм и проектирование составляющих

Когда нормативные нагрузки известны и форма фермы выбрана, можно начать анализ фермы, чтобы определить, какие нагрузки возникнут на каждый отдельный компонент. Это процесс производится на компьютере, с использованием хорошо известных методов строительной механики. Для компьютеризированного анализа выбираются компоненты подходящего размера и степени напряженности и производятся расчеты ожидаемых из-за нагрузки прогибов.

Компоненты фермы подвергаются комбинации сгиба, сдвига и сжатия или натяжения. Эта комбинация может меняться в период служения конструкции из-за возникновения новых обстоятельств, поэтому нужно предусмотреть все возможные ситуации. Деревянные компоненты должны соответствовать требованиям каждой нагрузки согласно АS 1720.1 «Деревянные конструкции», часть 1 -методы проектирования для каждой нагрузки.

Как работают соединения Gang-Nail

Соединение Gang-Nail — это стальная пластина с несколькими шипами, или гвоздями, с одной стороны. Эти шипы создаются путем выбивания в стальной пластине отверстий, причем выштампованные шипы остаются прикрепленными к пластине. Шипы формируются так, чтобы располагаться под прямым углом к пластине. В этом процессе шипам придается такая форма, чтобы образовалась неподвижная выпуклость. Когда шипы соединения вдавливаются в края совмещенных деревянных деталей, пластина «сплавляет» их вместе, формируя стык Gang-Nail. Соединения всегда используют в идентичных парах пластин, которые вдавлены с обеих сторон стыка.

Идея проста, однако, чтобы соединение Gang-Nail было эффективным, нужно найти верное равновесие между формой шипов и концентрацией, толщиной пластин соединения и гибкостью. Нынешние исследования и развитие обеспечивают лицензированным производителям MiTek доступность самых эффективных систем ферм.

Критерии эффективности соединений Gang-Nail

Экономически невыгодно выбирать одно-единственное соединение, эффективное в случае любых нагрузок, используя весь широкий ассортимент коммерческой древесины Австралии. MiTek Australia Ltd. разработала несколько соединительных пластин различной толщины, расположения и профиля шипов:

GQ — размер 20 (толщина 1,1 мм), оцинкованная сталь. Универсальное соединение. Много коротких, острых шипов — 128 шипов на площади 100 мм х 100мм.

GE — размер 18 (толщина 1,2 мм), оцинкованная сталь. Похож на GQ. Использовать, если необходима дополнительная устойчивость стали.

G8S — размер 18 (толщина 1,2 мм), нержавеющая сталь. Это соединение используется только в том случае, если среда очень коррозивна. 70 шипов на площади 100 мм х 100мм.

G8S — размер 16 (толщина 1,6 мм), оцинкованная сталь. Суперустойчивое соединение. 144 шипа на площади 100 мм х 190 мм.

Технические данные

Качество соединений Gang-Nail соответствует австралийскому стандарту AS1649 «Древесина — методы проверки механических соединений —Основные рабочие нагрузки и типичные силы». Дополнительно к проверкам пластин в новых проектах, MiTek Australia Ltd. проводит регулярные проверки уже существующих соединений и занимается долгосрочным наблюдением за соединениями, подверженными постоянной нагрузке. Подразделение лесной продукции австралийской организации научных и промышленных исследований и подразделение технологий леса лесничества Нового Южного Уэльса также провели значительную исследовательскую работу по проблеме гвоздевых соединений металлических пластин.

Всеобъемлющие программы тестирования ферм проведены университетами Западной Австралии и Аделаиды, Австралийским государственным университетом и станцией тестирования циклонов Института Каприкорна.

Источник

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.

Источник