Типы сечений стержней ферм: от теории к практике

Типы сечений стержней ферм

Ферма является одной из самых эффективных стержневых систем в строительстве. Эта конструкция, обладая сравнительно небольшим весом, демонстрирует высокую прочность и жесткость. Такие характеристики позволяют ей перекрывать значительные пролеты, достигающие 120 метров и более, без использования промежуточных опор. Эффективность фермы напрямую зависит от грамотного подбора сечений ее элементов — стержней.

Общие принципы конструирования и выбора сечений

Основой любой фермы служат стандартные прокатные профили, которые соединяются в узлах, формируя геометрически неизменяемую решетчатую конструкцию. Для оптимизации процессов проектирования, производства и монтажа в рамках одной фермы стараются использовать ограниченное количество типоразмеров профилей — как правило, не более 5-6 видов.

Существуют и конструктивные ограничения, направленные на обеспечение надежности. Нормы проектирования предписывают использовать для элементов ферм трубы и гнутозамкнутые профили с толщиной стенки не менее 3 мм, а для уголков — толщиной не менее 4 мм. Чтобы минимизировать риск повреждения элементов при транспортировке и монтаже, не рекомендуется применять профили с толщиной полок и стенок более 50 мм. Производственные мощности металлургических комбинатов обычно ограничивают длину прокатных профилей 12 метрами. Если ферма перекрывает пролет до 24 метров и состоит из двух отправочных марок, ее пояса допускается проектировать с постоянным сечением по всей длине.

Основные типы профилей для стержней

Выбор конкретного типа профиля зависит от множества факторов, включая величину действующих усилий, тип конструкции и экономическую целесообразность.

• Уголки (одиночные или парные): Традиционный и широко распространенный вариант, особенно для легких и средних по нагрузке ферм.
• Трубы (круглого и прямоугольного сечения): Обладают оптимальным распределением материала относительно центра тяжести, что делает их наиболее эффективными при работе на сжатие и обеспечивает наименьшую гибкость по сравнению с другими профилями равной площади.
• Тавры и двутавры: Применяются в основном в поясах и мощных стержнях решетки тяжелонагруженных ферм.

Одним из эффективных способов снижения металлоемкости и общей стоимости конструкции является применение комбинированных решений: для наиболее нагруженных стержней используется сталь повышенной прочности, а для менее ответственных — обычная строительная сталь. Различные типы ферм требуют индивидуального подхода к выбору материалов.

Сечения для легких и тяжелых ферм

В зависимости от воспринимаемых нагрузок и длины пролета, типы ферм условно делят на легкие и тяжелые. Этот фактор является определяющим при выборе конфигурации сечений стержней.

Она обеспечивает передачу усилий между сходящимися в узле элементами.

Тяжелые стальные фермы предназначены для восприятия значительных усилий и имеют большие расчетные длины стержней. Это обуславливает применение мощных, составных сечений, которые часто собираются из нескольких прокатных профилей. Для соединения таких элементов в узлах, как правило, используются фасонки, расположенные в двух плоскостях, что обеспечивает пространственную жесткость узла.

Легкие фермы, напротив, часто выполняются из одиночных профилей. Для них наиболее рациональным является применение трубчатых сечений. Бесфасоночные узлы, где стержни решетки примыкают непосредственно к поясам, позволяют дополнительно снизить вес и трудоемкость изготовления.

Расчет и подбор сечений стержней

Подбор сечения стержня начинается с определения требуемой площади. Для сжатых элементов расчет ведется из условия обеспечения общей устойчивости. Местная устойчивость стенок и полок считается обеспеченной, если их толщина удовлетворяет нормативным требованиям.

Для растянутых элементов предельное состояние наступает либо при разрыве, либо при развитии чрезмерных пластических деформаций (достижении предела текучести). Если сталь имеет выраженную площадку текучести (обычно при нормативном сопротивлении до 440 МПа), проверка проводится по условию развития пластических деформаций. Требуемая площадь сечения определяется делением расчетного усилия на расчетное сопротивление стали и соответствующие коэффициенты. По полученному значению из сортамента металлопроката подбирается подходящий профиль.

Элементы под действием продольной силы и изгиба

Некоторые элементы ферм, особенно в конструкциях с приложенной к поясу поперечной нагрузкой, могут испытывать не только осевые силы, но и изгиб (внецентренное растяжение или сжатие). Внецентренно сжатые элементы проверяются на устойчивость, а внецентренно растянутые — на прочность. Подбор сечений для таких элементов выполняется методом последовательных приближений.

Несмотря на сложность расчетов и изготовления, фермы остаются одними из самых востребованных большепролетных конструкций, позволяя создавать архитектурно выразительные и функциональные пространства при рациональном использовании материала.