СТАЛЬНАЯ СТРОПИЛЬНАЯ ФЕРМА ПОКРЫТИЯ

Полезная модель относится к области строительства, в частности, к плоским сквозным стержневым несущим конструкциям покрытий зданий и сооружений различного назначения.
Система стержней (обычно прямолинейных), соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию, называется фермой. Фермы бывают плоскими и пространственными. Плоские фермы воспринимают нагрузку, которая приложена только в их плоскости, но являются более экономичными по трудоемкости изготовления и монтажа по сравнению с пространственными системами.
Из-за простоты изготовления и монтажа достаточно широкое распространение получили плоские фермы трапецеидального очертания и с параллельными поясами.
Известно конструктивное решение треугольной стропильной фермы, которая содержит верхний, нижний пояса и стержневые связи, выполненные из стекло или органопластика (патент RU 2179218).
Недостатком данного решения является недостаточная жесткость вследствие использования материала с пониженным по сравнению со сталью модулем упругости, а также техническая сложность устройства узловых сопряжений элементов.
Существует несущая конструкция покрытий и перекрытий зданий и сооружений, которая выполнена в форме трехгранной фермы с двумя, объединенными профилированным настилом, поясами, одним нижний поясом и системой решеток (патент RU 154158)
Такое решение имеет повышенную металлоемкость сжатых элементов, поскольку отсутствует возможность полного использования несущей способности из-за потери устойчивости.
Описана пространственная ферма, имеющая треугольное поперечное сечение, включающая пояса, размещенные в вершинах треугольника, соединенные решеткой, которые образуют в поперечном сечении равносторонний треугольник. Элементы решетки фермы выполнены из стальных равнополочных уголковых профилей, образованных двумя полками и кольцевым сегментом (патент RU 2105112).
Недостатком данного решения является повышенная металлоемкость и трудоемкость устройства узловых сопряжений элементов, а также низкая коррозионная стойкость из-за использования элементов открытого профиля.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является металлическая ферма, которая включает верхние пояса из парных уголков, нижний пояс из одиночного уголка и пространственно расположенные раскосы также из одиночных уголков, прикрепленных к поясам при помощи листовых фасонок (патент RU 2553810).
Данное конструктивное решение рассмотрено в качестве аналога.
Недостатком этой конструкции является повышенная материалоемкость сжатых элементов решетки, выполненных из равнополочных уголков, которые крайне не эффективно работают на устойчивость. При наличии вне узловых нагрузок материалоемкость такой фермы также значительно увеличивается.
Задачей полезной модели является создание нового устройства - стропильной фермы покрытия с достижением следующего технического результата: снижение материалоемкости плоских стальных несущих ферм покрытий зданий и сооружений.
Поставленная задача решается тем, что стальная стропильная ферма покрытия трапецеидального очертания или с параллельными поясами с восходящим опорным раскосом состоит из верхнего пояса двутаврового или квадратного сечения, нижнего пояса аналогичного сечения и элементов соединительной решетки (раскосов и стоек) квадратного сечения. Пояса фермы выполнены неразрезными, примыкание элементов решетки к поясам - шарнирное на фасонках или с непосредственным соединением элемента решетки с поясом. Стержневые сжатые элементы решетки (стойки и восходящие раскосы) выполнены из стержней квадратного переменного сечения.
Изменение сечения достигается путем изменения толщины стенки крайних участков элементов с сохранением габаритных размеров. Соединение различных участков сжатых элементов переменного сечения осуществляется при помощи стыковых сварных швов.
При узловом приложении нагрузок в стержнях фермы возникают только продольные сжимающие или растягивающие усилия, что позволяет более полно использовать материал, чем в сплошной балке.
На фиг. 1 представлена визуализация предлагаемой конструкции фермы со сжатыми элементами переменного сечения; на фиг. 2 расчетная схема фермы пролетом 42 м; на фиг. 3 принципиальная схема сжатого элемента переменного квадратного сечения; на фиг. 4 узел 1; на фиг. 5 разрез 1-1; на фиг. 6 разрез 2-2.
Стропильная ферма покрытия трапецеидального очертания или с параллельными поясами состоит из элементов 1 верхнего пояса двутаврового или квадратного сечения; элементов 2 нижнего пояса аналогичного сечения; растянутых элементов 3 решетки квадратного сечения (нисходящие раскосы) и сжатых элементов 4 решетки переменного сечения (стойки и восходящие раскосы).
При действии вертикальной нагрузки в плоскости наибольшей жесткости ферма работает на изгиб. При приложении нагрузки в узлах фермы в элементах 1 верхнего пояса возникают сжимающие усилия, и сжимающие усилия с изгибающими моментами при вне узловом приложении нагрузки. Элементы 2 нижнего пояса работают на растяжение. В элементах 3, 4 решетки возникают продольные сжимающие или растягивающие усилия.
Использование в качестве сжатых элементов стержней постоянного сечения не позволяет полностью использовать прочностные характеристики стали. Это связано с тем, что в центрально сжатых стальных стержнях имеет место явление продольного изгиба, которое вызывает потерю устойчивости элемента при напряжениях значительно ниже предела прочности стали.
Проведены численные и аналитические исследования, которые доказали, что замена сжатого стержня постоянного сечения на стержень переменного сечения практически не снижает устойчивость элемента. При этом не снижается общая устойчивость конструкции и не увеличивается ее деформативность.
Переменность сечения сжатых элементов фермы достигается путем уменьшения толщины стенки крайних участков стержня с сохранением габаритного размера сечения. Такой способ позволяет минимизировать дополнительные затраты на выполнение сварных швов при стыковке различных участков сжатых элементов.
Для определения относительных длин участков и соотношения их жесткостей разработана аналитическая методика, позволяющая найти оптимальные по критерию «металлоемкость» значения описанных параметров.
На примере фермы с трапецеидальным очертанием пролетом 42 метра и высотой 4,4 метра проведены сравнительные расчеты, которые показали, что материалоемкость фермы со сжатыми стержнями решетки переменного сечения на 12% ниже по сравнению с аналогичной фермой со сжатыми элементами постоянного сечения.
Проведенные экономические сравнительные расчеты по критерию приведенные затраты с учетом стоимости материала и стоимости изготовления конструкции показали, что оцениваемый показатель для фермы со сжатыми элементами решетки из стержней переменного сечения на 5,5% ниже, чем для фермы со стержнями постоянного сечения.