Расчет прочности внецентренно сжатых элементов прямоугольного сечения с малым эксцентриситетом. Учет влияния гибкости.

Особенности расчета металлических ферм: определение нагрузок и расчетных внутреннихусилий, учет подвижных и внеузловых нагрузок. Обеспечение общей устойчивости ферм в системе покрытия, расчетные длины стержней ферм.

Конструкции ферм зависят от назначения сооружения (от назначения цеха, типа кровли, типа и размера фонаря…). Вместе с тем очертание ферм должно соответствовать их статич схеме и виду нагрузок, опред эпюру изгиб моментов. Например, выступающие консоли рационально проектировать треугольными, с 1 скатом; однопролетные фермы с равномерной нагрузкой-полигональого очертания. (треугольное сечение, трапецеидальное сеч, полигональн сеч, с параллельными поясами).

Вся нагрузка, действ на ферму приложена к узлам, к которым прикрепл элементы поперечной констр (прогоны кровли), передающие нагрузку на ферму. Если нагр приложена непосредств в панели, то в основной расч схеме она также распред м/ж ближайшими узлами, но при этом доп учитывается местный изгиб пояса от располож на нем нагрузки. Для удобства расчета надо составить рачетные схемы отдельно для нагрузок: постоянной, временной, атмосферной.

Расчетная нагрузка:

где gф-собств вес фермы, gкр-вес кровли, -угол наклона верхнего пояса к горизонту, b-расст м/ж фермами, d1 и d2-длины примыкающих к узлу панелей, n-коэф перегрузки для пост нагр. Расчетная узловая нагр от снега:где Рс-вес снегового покрова на 1м3 горизонтальной пов кровли,

n_c-коэф перегрузки для снеговой нагрузки.

Конструкция опорных узлов ферм зависит от способа сопряжения фермы с колонной.

При шарнирном сопряжении наиболее простым является узел опирания фермы на колонну сверху с использованием дополнительной стойки (надколонника). При таком решении возможно опираниеферм как на металлическую, так и на ж/б колонну.

При жестком сопряжении стропильная ферма примыкает обычно к колонне сбоку.

Горизонтальные усилия от опорного момента H1>=M₁/h_ОП воспринимаются узлами крепления верхнего и нижнего поясов. Последний дополнительно воспринимает усилие от распора рамы H_Р. В большинстве случаев опорный момент фермы имеет знак минус, и сила H₁ как и H_Р, прижимает фланец узла нижнего пояса к колонне. Напряжения по поверхности контакта невелики и их можно не проверять. Если сила H=H₁+H_P отрывает фланец от колонны (при положительном знаке момента), то болты крепления фланца к колонне работают на растяжение и их прочность следует проверить с учетом внецентренного относительно центра болтового поля приложения усилия.

В случае действия больших опорных моментов и при необходимости повышения жесткости узла сопряжения ригеля с колонной целесообразно выполнить соединение верхнего пояса с колонной на сварке.

Устойчивость: Ферма легко теряет свою устойчивость. Чтобы придать устойчивость ее необходимо присоединить к жесткой констр или соед связями с др фермой, в рез чего образуется пространственно устойчивый брус. Для обеспеч его устойчив необходимо чтобы все грани были геомотрически неизменяемы в своей плоскости.

Для расчёта фермы все силы, действующие на ферму, сводят к её узлам. То есть, разбивают силы, действующие не в узлах, на соответствующие им пары сил, которые прикладывают в узлах. После того, как определены силы, действующие на ферму, считают реакции опор фермы (то есть, силы, которые возникают в местах опор фермы от того, что к ферме приложен груз). При определении реакции опор на конструктивные особенности фермы внимания не обращают. После того, как реакции определены, берут любой узел, в котором встречаются только 2 стержня и приложены какие-либо силы. Мысленно обрезают остальную часть фермы и получают узел, в котором встречаются несколько известных сил (например, реакции опор) и две неизвестных силы — те усилия, которые действуют в необрезанных нами стержнях фермы. Находят неизвестные усилия в стержнях, составляя уравнения равенства сил по любым двум осям. Далее, зная эти усилия, вырезают следующий узел и т. д., пока не будут найдены усилия во всех стержнях.

Наиболее распространенное сечение поясов стропильных и подстропильных ферм — тавровое, образованное парой уголков. Уголковый профиль позволяет легко комбинировать типы уголков (равнополочные или неравнополочные) и соединять их в сечении (полками в сторону).

Это позволяет конструировать стержни с различными радиусами инерции гх и rу и, следовательно, при различной расчетной длине lx и ly в плоскости и из плоскости фермы отдельных ее элементов подобрать наиболее экономичные, равноустойчивые сечения (с одинаковой гибкостью lx и lу) в обоих направлениях.

Верхние пояса ферм из плоскости раскрепляют прогонами или плитами покрытия в каждом узле, и тогда расчетные длины будут lx=ly; или через узел, и тогда соотношение расчетных длин станет ly=2lx. В первом случае наиболее экономичным было бы сечение пояса из двух неравнополочных уголков, поставленных малыми полками в сторону (rx»ry). Однако такое сечение применяется редко, так как вследствие небольшой ширины пояса фермы оно неудобно при транспортировании и монтаже. По этим соображениям при lx=ly чаще применяют сечение верхнего пояса из двух равнополочных уголков. При расчетной длине пояса из плоскости фермы вдвое большей, чем в плоскости фермы (ly=2lx), наиболее рационально сечение из неравнополочных уголков, поставленных большими полками в сторону (rу»2rx).

Нижние пояса ферм обычно работают на растяжение, поэтому соотношение радиусов инерции сечений не влияет на их несущую способность. Однако для обеспечения требований по предельной гибкости, а также из условий транспортировки и монтажа более рационально широкое сечение из неравнополочных уголков, поставленных большими полками в сторону.

Опорные раскосы имеют одинаковую расчетную длину в плоскости и из плоскости фермы (lx=ly). Поэтому наиболее рациональное для них сечение из неравнополочных уголков, поставленных малыми полками в сторону (rx=ry).

Промежуточные раскосы и стойки при сжимающих усилиях проектируют из равнополочных уголков (rx»0,8ry). Растянутые элементы решетки могут приниматься и из неравнополочных уголков, если можно подобрать их сечение с меньшей площадью.

Стойки ферм с примыкающими связевыми элементами обычно проектируют крестового сечения. В этом случае их гибкость определяется наибольшей расчетной длиной (ly из плоскости фермы) и минимальным радиусом инерции.

Сечения сжатых стержней обычно подбирают, начиная с элементов, воспринимающих большие усилия. Требуемая площадь двух уголков F_ТР=N/(φR)=N/[(0,6…0,9)R]. где N — расчетное усилие в стержне; j — коэффициент продольного изгиба, равный: для поясов 0,7...0,9, для элементов решетки 0,6...0,8; R — расчетное сопротивление стали.

По сортаменту подбирают близкие по требуемой площади сечения уголки, исходя из их геометрических характеристик составляют сечение из двух уголков и определяют гибкости стержня в обоих направлениях (в плоскости и из плоскости фермы) по формулам: λ_х=l_х/r_х; λ_у=l_у/r_у,

где lx и ly — расчетные длины стержня в плоскости и из плоскостная фермы.

Для сжатых стержней следует выбирать по сортаменту уголки с наиболее тонкими полками, так как они обладают большей жестокостью и несущей способностью (даже по сравнению с сечениями, имеющими большую площадь, но более толстостенными). Наибольшая гибкость стержней нормирована и зависит от вида элемента фермы и ее материала. Поэтому, определив гибкости стержней, их следует сравнить с предельными.

После определения предельной гибкости проверяют напряжения в принятом сечении: О=N/(φ_min*А_бр)≤R,

где j_min — коэффициент продольного изгиба, принимаемый по большей из гибкостей lx или lх; Fбр — площадь сечения выбранных уголков.

Если напряжение окажется больше расчетного сопротивления или значительно меньше его, то берут другой набор уголков и вновь проверяют их расчетом.

Усилия в панелях верхнего пояса фермы имеют различные значения и теоретически надо бы подбирать разные сечения. Однако ферма в этом случае будет очень нетехнологичной в изготовлении, так как будет иметь большое количество стыков. На практике для ферм пролетом 24 м применяют одно сечение на всей длине пояса, а для ферм большего пролета делают пояс из двух сечений.

В процессе погрузки, перевозки, монтажа длинные гибкие элементы могут быть деформированы, поэтому напряжения в раскосах и стойках ферм (исключая опорный раскос) проверяют введением коэффициента условий работы т, учитывающего эти факторы: s=N/(mφF)≤R где s = 0,8 — для элементов решетки при гибкости более 60 (по этим же соображениям для любых сечений стержней ферм не используют уголки менее 50x4 мм).

В фермах из труб в зоне примыкания раскосов и стоек к поясам напряжения распределяются по сечению трубы неравномерно, поэтому элементы решеток, работающие на сжатие при гибкости l<60, проверяют на прочность без учета коэффициента j, с коэффициентом условий работы m=0,8.

Сечение растянутых стержней подбирают, начиная с элементов, воспринимающих наибольшие усилия.

Площадь сечения определяется по формуле F_ТР=N/R.

По сортаменту выбирают ближайшие по площади уголки, выписывают геометрические характеристики сечения, составленного из двух уголков, и определяют гибкости стержня в плоскости и из плоскости фермы. Наибольшая гибкость растянутых стержней также нормирована и зависит от вида элемента фермы, условий ее работы и материала конструкции

Если гибкость подобранного элемента не превосходит предельной, то проверяют фактические напряжения в стержне по формуле: s=N/F_нт≤R.

В фермах из труб по тем же причинам, что и в сжатых элементах, при проверке прочности вводится коэффициент условий работы m=0,8.

С целью экономии материала для нижних поясов ферм иногда применяют комбинацию из двух сечений со стыком в узлах.

По мере приближения к середине фермы усилия в раскосах уменьшаются. Таким образом, фактором, определяющим сечение средних раскосов, является предельная гибкость. Если средние раскосы имеют небольшое усилие растяжения (до 100 кН), то при случайной односторонней нагрузке (например, при монтаже плит на прогоне, очистке снега и др.) усилие может уменьшиться и перейти в сжатие. С учетом этого в средних слабо растянутых раскосах гибкость должна быть не более 150 и подбирают ее по предельной гибкости для сжатых стержней.

Если пояс состоит из различных сечений, смещение центров тяжести уголков (эксцентриситет осей) не должно превышать 5 % высоты пояса. В противном случае в узле возникают значительные изгибающие моменты, которые необходимо учитывать расчетом.

Определяя радиус инерции суммарного сечения из двух уголков, необходимо учитывать расстояние в свету между параллельными полками, которое определяется толщиной фасонок фермы. Толщина фасонокзависит откусили и в стержнях фермы и может быть принята по таблице

Фасонки обычно принимаются одной толщины. Однако для ферм с большими пролетами допускается делать опорные фасонки на 2 мм толще, чем промежуточные. Для подбора сечения стержней ферм удобно пользоваться табличной формой без промежуточных вычислений. Такие таблицы дают возможность выполнить расчеты в компактной форме и контролировать все факторы. После расчета всех сечений стержней фермы необходимо определить общее число используемых на ферму профилей. Если в ферме пролетом до 24 м окажется больше 5...6 профилей, а в ферме пролетом.

Выбор типа сечения, подбор и проверка сечения растянутых и сжатых стержней стропильных металлических ферм, учет предельной гибкости. Конструкция, работа и расчет узлов, заводских и укрупнительных стыков стропильных ферм.

Современные типовые решения стропильных ферм имеют несколько видов. Остаются типовые решения со стержнями из двух прокатных уголков, имеются трубчатые фермы, у которых пояса и решетка выполняются из электросварных труб. Толщину стенки труб поясов рекомендуется принимать не менее 1/45-1/50 диаметра и, как правило, на 1—2 мм больше минимальной толщины, принимаемой для трубчатых стержней решетки. Трубчатые фермы используются при строительстве башен, мачт, кранов открытых эстакад и т. п.

Большим преимуществом трубчатых стержней является их хорошая обтекаемость. Благодаря обтекаемости ветровые давления на них меньше, на них мало задерживаются грязь и влага, поэтому они более стойки против коррозии, их легко очищать и окрашивать, что также повышает долговечность.

На заводе серийно изготовляются стропильные фермы из замкнутых гнутосварных профилей (ЗГСП) прямоугольного сечения. Профили изготовляются из листа толщиной от 3 до 8 мм.

Разработаны также конструкции ферм с поясами из тавров, получаемых путем продольной разрезки широкополочных двутавров или сваркой из двух стальных полос (рис. 9.13, з). Тавровое сечение поясов позволяет очень просто конструировать узлы, особенно при решетке из одиночных уголков. Находят применение в стержнях легких ферм сечения из двух уголков с расставленными вертикальными полками (рис. 9. 13, и, к), из уголков замкнутого сечения (рис. 9.13, м), из швеллеров (рис. 9.13, о) и др.

Скомпоновав по требуемой площади сечение (с учетом установленного ассортимента профилей и общих конструктивных требований), производят проверку принятого сечения, причем подсчитывают действительное его ослабление отверстиями.Ряд стержней легких ферм имеют незначительные усилия и, следовательно, небольшие напряжения, сечения этих стержней подбирают по предельной гибкости, установленной СНиП. К таким стержням обычно относятся дополнительные стойки в треугольной решетке, раскосы в средних панелях ферм, элементы связей и т. п. Зная расчетную длину стержня Ɩ₀ и значение предельной гибкости λпр, определяют требуемый радиус инерции . По нему в сортаменте выбирают сечение, имеющее наименьшую площадь. Ввиду простоты расчетных манипуляций рекомендуется подбор стержней легких ферм оформлять в табличной форме. Гибкость - безразмерная величина. Смотреть СНиП РК 5.04.23-2002 пункт 6.14-о поясах, табл.20-для растянутых элементов. [λ] =120(180-160).

Формулы расчета сварных соединений с угловыми швами на действие изгибающего момента в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов (по двум сечениям). Определить расчетную длину углового сварного шва, если его полная длина равна 320мм.

Ответ: 1)(стр.41 п11.3)Расчет сварных соединений с угловыми швами на действие изгибающего момента в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов, следует производить по двум сечениям по формулам:

по металлу шва

по металлу границы сплавления где W – момент сопротивления расчетного сечения по металлу шва; W – то же, по металлу границы сплавления; R – расчетное сопротивление угловых швов срезу (условному) по металлу границы сплавления; R – то же, по металлу шва M – момент, изгибающий момент; – коэффициент условий работы;

и – коэффициенты условий работы шва, равные 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах I1, I2, II2, и II3,для которых wf =0,85 для металла шва с нормативным сопротивлением Rwun=410 МПа (4200 кгс/см²) и wz=0,85 для всех сталей;

2)lw- расчетная длина шва, принимаемая меньше его полной длины на 10мм.Т.к полная длина углового сварного шва равна 320мм, следовательно расчетная длина равна 310мм. (стр.40 п.11.2 ф-ла 148)

Методика расчета крайних колонн каркасных зданий при шарнирном сопряжении колонн и ригелей. Определить коэффициенты системы канонических уравнений метода перемещений при действии единичных моментов в узлах сопряжения ригелей и колонн.

Ассоциация «железобетон»центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт промышленных зданий и сооружений
рекомендации по расчету каркасов многоэтажных зданий с учетом податливости узловых сопряжений сборных железобетонных конструкций

МОСКВА 2002Рекомендовано к изданию решением Научно-технического совета ОАО «ЦНИИПромзданий».В Рекомендациях изложена методика формирования расчетных моделей несущих систем многоэтажных каркасных зданий из сборных железобетонных конструкций с учетом податливости и нелинейности работы узловых сопряжений для расчета с использованием стандартных программных комплексов, реализующих метод конечных элементов.В работе приведена методика определения линейной и угловой податливости стыков сборных железобетонных конструкций многоэтажных каркасов.Рекомендации предназначены для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и расчетом гражданских и промышленных зданий.Автор: кандидат техн. наук, с.н.c. Трекин Н.Н. (ОАО «ЦНИИПромзданий). Научный редактор: д-р техн. наук, проф. Кодыш Э.Н. (ОАО «ЦНИИПромзданий)

Вертикальные стыки колонн

3.1.1. Податливость вертикального стыка колонн определяется как сумма податливостей на участках стыка с одинаковыми деформативными характеристиками по формуле

где n и li - количество и длина участков стыка с одинаковыми деформативными свойствами по длине; υ - коэффициент упруго пластических деформаций бетона; EBi - начальный модуль упругости бетона; ABi и ASi - площадь бетона и продольной арматуры; α - коэффициент приведения, равный отношению модулей упругости арматуры и бетона.

 

Характер зависимости «N - δ» для типового вертикального стыка показан на рис. 13. По данным усредненный коэффициент линейной жесткости стыков для колонн сечением 40×40 см составляет CZ = 7×106 кН/м. Рис. 13. Диаграмма сжатия вертикального стыка колонн

Общие положения; конструкция ферм.

Наиболее широко трубы используются в фермах. Трубы также применяются в башенных и мачтовых конструкциях и структурах. Важным для ферм из труб является конструкция узлов. Исследование узлов с непосредственным примыканием труб, примыканием сплющенных концов стержней, на фасонках и вставках показало, что, несмотря на сложность обработки концов труб в узлах с непосредственным их примыканием такая конструкция наиболее полно удовлетворяет требованиям герметичности и прочности узла.
Как уже указывалось, снижение массы ферм из труб при одинаковых классах прочности стали для сравниваемых ферм составляет 25-27%. В связи с более высокими отпускными ценами на трубы (примерно на 40% выше, чем уголков) возникает вопрос об эффективности трубчатых ферм по стоимости. Технология изготовления ферм из труб характеризуется следующими операциями:
Фигурная кислородная резка концов труб на автоматах типа ПИКОП, что обеспечивает хорошее примыкание их в узлах; перпендикулярная резка труб полуавтоматами или вручную; сборка ферм в кондукторах с фиксирующими приспособлениями; сварка стыковых швов в трубах полуавтоматами в горизонтальном положении, сварка узлов при помощи кантователя, поворачивающего ферму в необходимое положение в связи с пространственным расположением швов в узлах.

Трудоемкость изготовления конструкций из труб в целом по сравнению с конструкциями из уголков, с одной стороны, снижается из-за уменьшения числа основных деталей в два раза, а также из-за резкого уменьшения числа вспомогательных деталей, с другой стороны, увеличивается из-за трудоемкости обработки концов труб, особенно при ручной резке, и трудоемкости сборки (на одну деталь).

Трубчатые фермывыполняются только сварными.
Конструктивно узлы трубчатых ферм весьма разнообразны: используются косынки, фигурная обрезка концов стержней решетки, обжатие их с вырубкой и т. п. В тех случаях, когда к узлу подходят несколько пространственно расположенных трубчатых стержней под различными углами, используется вставка в виде шара. Стык пояса выполняется в узле или выносится в панель вне узла. Чаще всего он осуществляется с помощью уголковых накладок. При стыковке труб используются прокладки, муфты, ниппели и т.п.
С целью упрощения узла размещение стыка за его пределами предпочтительнее. Отступление от правила центрирования стержней в узлах в целях упрощения изготовления допускается для второстепенных слабонагруженных элементов трубчатых ферм. Для ряда ферменных конструкций стержни пояса (чаще верхнего) воспринимают местный изгиб от действия ходовых колес тележек. В большинстве случаев сечения поясов мощнее сечений стержней решетки, вследствие чего изгибающие моменты в узлах передаются преимущественно на пояса. Расчет поясов трубчатых ферм на совместное действие продольной и поперечной нагрузок выполняется, как для неразрезных балок, имеющих опоры в узлах. Опоры при этом рассматриваются как жесткие, расположенные на одной прямой.

Одно из основных направлений, способствующих экономии стали, — применение стальных трубчатых конструкций. Теоретические и экспериментальные исследования, а также использование в массовом строительстве стропильных ферм из трубчатых элементов показало, что по сравнению с фермами из обычных профилей при одинаковых марках стали и равных эксплуатационных условиях экономия стали достигает 15—20%, а в случае применения сталей с временным сопротивлением более 400—500 МПа можно достигнуть снижения расхода стали до 30—40%.

Наряду с экономией стали трубчатые фермы имеют меньшую трудоемкость изготовления за счет сокращения объемов сварочных работ.

При проектировании стропильных ферм из круглых труб предпочтение отдается таким конструктивным схемам, которые имеют редкую треугольную решетку с сопряжением в узлах не более двух элементов решетки. Шпренгельные решетки ввиду сложности конструирования узлов в трубчатых фермах не рекомендуются. Максимальная эффективность от применения трубчатого сечения достигается при равенстве расчетных длин всех сжатых стержней конструкции в плоскости и из плоскости фермы, поэтому сжатые верхние пояса развязываются из плоскости фермы во всех узлах.

В трубчатых фермах допускается применение электросварных и горячедеформированных труб диаметром 40—530 мм, однако наиболее целесообразными являются трубы с наружным диаметром до 140—180 мм и с отношением толщины стенки к диаметру 1/35—1/45 для поясов; 1/70—1/100 для сжатых элементов решетки и 1/100 для растянутых элементов решетки. При этом минимальная толщина трубы должна быть не менее 3 мм. Узловые соединения трубчатых ферм могут быть бесфасоночными, с узловыми фасонками (подобно традиционным) и с узловыми вставками: цилиндрической, призматической и сферической форм. Наиболее эффективны с точки зрения расхода материала безфасоночные соединения с цилиндрическим сопряжением труб, которые применяются при углах наклона решетки к поясу не менее 30° и соотношением диаметров элементов решетки и поясов не менее 1/3. Безфасоночные соединения со сплющенными концами труб более просты в изготовлении, но менее надежны в работе, поэтому их применяют при специальном обосновании в случае отсутствия технологии для фигурной резки труб.

Узлы с фасонками используют в редких случаях, так как они требуют большого расхода материала. Такие соединения удобны для опорных узлов ферм при опирании их на колонну сверху. Узлы с узловыми вставками наиболее универсальны, их широко применяют в различных типах стропильных ферм (особенно в пространственных), но они уступают бесфасоночным соединениям по расходу материала.

Сварные стыки, как правило, выполняют в заводских условиях; они предназначены для увеличения длины пояса или для сопряжения труб различного диаметра. Стыки на высокопрочных болтах с торцевыми фланцами или продольными ребрами проектируют в качестве монтажных для сопряжения в конструкцию отправочных марок. Фланцевые соединения на болтах предусматривают как в растянутых, так и в сжатых элементах.

а – круглее

б – прямоугольные гнутосварные

в – прямоугольные, сваренные из парных уголков

Рисунок 2.1 – Сечение труб

а – с продольно-сплющенными концами раскосов, б – с поперечно-сплющенными концами раскосов, в – с цилиндрической вставкой, г – с полукруглой вставкой. Рисунок 2.3 – Конструктивные решения узлов ферм из круглых труб

а – опорный, б – заводской стык верхнего пояса, в – промежуточный верхнего пояса, г - промежуточный нижнего пояса, д – монтажный стык на накладках и сварке, е – монтажный стык с фланцами Рисунок 2.2 – Узлы типовых ферм из круглых труб.

 

а – опорный, б – промежуточный верхнего пояса, в – монтажный стык, г – концевой нижнего пояса, д – фланцевый монтажный стык Рисунок 2.4 – Узлы типовых ферм из прямоугольных гнуто-сварных труб

 

тов.

Особенности работы.

Особенности работы конструкции балок. На первой стадии работы металлической балки ее гибкая стенка остается плоской, как и в обычной балке. Но по протяженности эта стадия работы коротка и заканчивается потерей устойчивости стенки, т.е. переходом в закритическую стадию работы с появлением "хлопунов".
В закритической стадии работы уже не соблюдается линейная зависимость между деформациями стенки и нагрузкой. Развиваются зоны выпучивания стенки с образованием растянутых складок, натяжение которых вызывает местный изгиб поясов балки, а также сжатие поперечных ребер жесткости и изгиб опорных ребер в плоскости стенок. Эта стадия завершается достижением напряжениями предела текучести либо в отдельных точках стенки, либо в поясах (или одновременно).

В третьей стадии развиваются пластические деформации в стенке и в поясах. Нарастает прогиб балки; интенсивность роста прогиба к концу этой стадии резко повышается и в отсеках балки образуется пластический механизм - балка приходит в предельное состояние с появлением чрезмерных остаточных деформаций. При дальнейшем, даже незначительном, возрастании нагрузки балка теряет несущую способность либо вследствие потери местной устойчивости полки сжато-изогнутого пояса, либо из-за потери устойчивости пояса в плоскости стенки, как стержня, от действия сжимающей силы и изгибающего момента. Не исключена и общая потеря устойчивости плоской формы изгиба балки, если последняя не раскреплена надлежащим образом от боковых деформаций. Отметим также, что описанные формы потери устойчивости пояса балки могут произойти и не в конце третьей стадии, а даже и на предыдущих стадиях, если размеры элементов пояса выбраны неудачно.

Учет особенностей работы балок с гибкими стенками привел к необходимости разработки адекватных рекомендаций по их конструктивным решениям. Возможно применение балок: с поперечными ребрами, приваренными к стенке - двусторонними и односторонними, или не связанными с нею; без поперечных ребер. Безреберные балки требуют строго центрированного приложения нагрузки в плоскости стенки, ибо пояса их практически не закреплены от закручивания.

Более часто применяют балки с ребрами жесткости, имеющими назначение, как и в обычных балках, для восприятия местных нагрузок от второстепенных балок и для ограничения длины отсека. В работе ребер, подкрепляющих гибкие стенки, есть и свои особенности, определяемые работой стенок в закритической стадии.

Пояса в балках с гибкими стенками работают не только на сжатие, но и на изгиб от натяжения стенки, поэтому целесообразно применять сечения поясов с повышенной жесткостью на изгиб и кручение. По технологичности более предпочтительны сечения с поясами из полосовой стали и широкополочных тавров; при значительных нагрузках возможно применение поясов из прокатных или гнутых швеллеров либо из широкополочных двутавров. Сечения балок с повышенным объемом сварки уступают остальным по трудоемкости изготовления.

а – при чистом изгибе б – при чистом сдвиге в – при центральном сжатии Рисунок 9.1 – Формы потери местной устойчивости гибкой стенки

Особенности работы

Для изучения особенностей работы балок с гофрированными стенками в СССР, начиная с середины 1930-х годов, а также в зарубежных странах были проведены эксперименты с различными моделями балок. Установлено, что нормальные напряжения (которые возникают от изгиба, наблюдаются в стенке только у поясов и очень быстро падают практически до нуля, ибо стенка поперек гофров сопротивляться не может. Касательные напряжения распределяются по высоте стенки почти равномерно. Гофры передают усилия на пояс, заставляя его испытывать определенный и меняющийся по направлению изгиб в своей плоскости.

Если сравнивать работу балок с гибкой и с гофрированной стенкой при одинаковой гибкости стенки, то отмечается, что последняя работает значительно дольше в упругой стадии до потери местной устойчивости. Несущая способность гофрированных балок также повышается, так как пояс не испытывает изгиба в плоскости балки, как в балках с гибкой стенкой.

Деформативность балок с гофрированной стенкой на 15... 20 % меньше, чем у балок такого же сечения, но с гибкой стенкой той же толщины. Предельное состояние наступает вследствие потери местной устойчивости стенок под действием местных воздействий сосредоточенных сил, если в этом месте не установлены ребра жесткости.

В гофрированных треугольных стенках при работе их на сдвиг наблюдается сначала потеря местной устойчивости плоской части гофра, а затем она распространяется на несколько гофров, условно соответствуя «общей» потере устойчивости стенки, как это имеет место и в плоских гибких стенках. После этого пояс, следуя за стенкой, сам теряет устойчивость в плоскости балки, как в балках с гибкой стенкой. Если запас по местной устойчивости стенки оказался достаточным, то предельное состояние может наступить из-за развития чрезмерных остаточных деформаций балки (непригодность к дальнейшей эксплуатации). Характер предельного состояния зависит от гибкости стенки, параметров гофров, наличия ребер жесткости в зонах сосредоточенных сил.

Особенности работы

Работа двутавров с перфорированной стенкой отличается от работы сплошностенчатых балок. Эпюры нормальных напряжений, выявленных в результате многочисленных испытаний балок, показаны на рисунке. По поясам по сечению 1—1 нормальные напряжения в упругой стадии распределяются по линейному закону. У углов отверстий в сечении 2—2 вследствие влияния концентраторов напряжений (резкое изменение сечения) имеет место нарушение линейного закона. На небольшом участке напряжения существенно возрастают и пластические деформации могут появляться сравнительно рано, хотя в целом на несущую способность балки это не оказывает заметного влияния. При низких температурах, действии циклических или ударных нагрузок пластичность в углах сковывается, в этих местах могут зарождаться трещины. На сплошном участке (сечение 3—3) хотя и имеет место некоторое искривление эпюры нормальных напряжений, но это довольно близко к тому, как распределяются нормальные напряжения в обычных двутаврах. Наконец, в сечении 4—4 показана эпюра нормальных напряжений.

Работа поясов балок с перфорированной стенкой осложняется тем, что они испытывают дополнительный изгиб от поперечных сил в пределах отверстий. Предельное состояние наступает тогда, когда пластичность пронизывает сечение пояса, причем при поперечном изгибе могут появиться шарниры пластичности в четырех углах отверстия. Эти шарниры возникают и при сложном напряженном состоянии в поясах. Прогибы балок с перфорированной стенкой превышают на 5... 40 % прогибы, вычисленные, как в обычных балках, с учетом момента инерции по ослабленному сечению. Потеря местной устойчивости перемычек происходит в основном от сдвига. Испытания показывают, что перемычка при потере местной устойчивости закручивается пропеллерообразно. Растянутая часть остается в плоскости стенки, сжатая выгибается из плоскости. В связи с тем, что стенка одного из тавровых поясов сжата или сжато-изогнута, она также может потерять местную устойчивость, после чего исчерпывается несущая способность всей балки. На основе данных экспериментальных исследований были разработаны методики расчета.

Рисунок 11.2 – Эпюры нормальных напряжений в поясах и перемычке балки

Особенности расчета металлических ферм: определение нагрузок и расчетных внутреннихусилий, учет подвижных и внеузловых нагрузок. Обеспечение общей устойчивости ферм в системе покрытия, расчетные длины стержней ферм.

Конструкции ферм зависят от назначения сооружения (от назначения цеха, типа кровли, типа и размера фонаря…). Вместе с тем очертание ферм должно соответствовать их статич схеме и виду нагрузок, опред эпюру изгиб моментов. Например, выступающие консоли рационально проектировать треугольными, с 1 скатом; однопролетные фермы с равномерной нагрузкой-полигональого очертания. (треугольное сечение, трапецеидальное сеч, полигональн сеч, с параллельными поясами).

Вся нагрузка, действ на ферму приложена к узлам, к которым прикрепл элементы поперечной констр (прогоны кровли), передающие нагрузку на ферму. Если нагр приложена непосредств в панели, то в основной расч схеме она также распред м/ж ближайшими узлами, но при этом доп учитывается местный изгиб пояса от располож на нем нагрузки. Для удобства расчета надо составить рачетные схемы отдельно для нагрузок: постоянной, временной, атмосферной.

Расчетная нагрузка:

где gф-собств вес фермы, gкр-вес кровли, -угол наклона верхнего пояса к горизонту, b-расст м/ж фермами, d1 и d2-длины примыкающих к узлу панелей, n-коэф перегрузки для пост нагр. Расчетная узловая нагр от снега:где Рс-вес снегового покрова на 1м3 горизонтальной пов кровли,

n_c-коэф перегрузки для снеговой нагрузки.

Конструкция опорных узлов ферм зависит от способа сопряжения фермы с колонной.

При шарнирном сопряжении наиболее простым является узел опирания фермы на колонну сверху с использованием дополнительной стойки (надколонника). При таком решении возможно опираниеферм как на металлическую, так и на ж/б колонну.

При жестком сопряжении стропильная ферма примыкает обычно к колонне сбоку.

Горизонтальные усилия от опорного момента H1>=M₁/h