От воздействия внешней нагрузки, приложенной к узлам фермы, в её элементах появляются сжимающие и растягивающие усилия. В этом случае верхний пояс работает на сжатие, а нижний — на рас-тяжение. Элементы решетки в зависимости от характера и направле-ния действующей нагрузки могут работать как на сжатие, так и на растяжение. При этом сжимающие усилия создают опасность поте-ри устойчивости конструкции. Потеря устойчивости верхнего пояса может происходить в двух плоскостях: в плоскости фермы и из ее плоскости. В первом случае потеря устойчивости происходит за счет выпучивания между узлами фермы (по длине панели). Во втором случае потеря устойчивости возникает между точками пояса, закреп-ленными от смещения в горизонтальном направлении. Устойчивость фермы из ее плоскости является значительно меньшей по сравнению с устойчивостью в ее плоскости, что очевидно из-за того, что длина одной панели значительно меньше длины сжатого пояса.
Отдельная стропильная ферма является балочной конструкци-ей, обладающей очень малой боковой жесткостью. Для того чтобы обеспечить пространственную жесткость сооружения из плоских ферм, они должны быть раскреплены связями, образующими со-вместно с фермами геометрически неизменяемые пространствен-ные системы, обычно решетчатые параллелепипеды (рис. ниже).
Кроме обеспечения пространственной неизменяемости, систе-ма связей должна обеспечивать устойчивость сжатых поясов в на-правлении, перпендикулярном плоскостям раскрепляемых ферм (из плоскости фермы), воспринимать горизонтальные нагрузки и со-здавать условия для высококачественного и удобного монтажа со-оружения.
Связи по конструкциям покрытия здания располагают:
- в плоскости верхних поясов ферм — горизонтальные попереч-ные связевые фермы 1 и продольные элементы — распорки 2 между ними (рис. ниже);
- в плоскости нижних поясов ферм — горизонтальные попереч-ные и продольные связевые фермы 3 и распорки 2 (рис. ниже);
- между фермами — вертикальные связи 4 (рис. ниже).
Связи по покрытию
Горизонтальные связи в плоскости верхних (сжатых) поясов ферм обязательны во всех случаях. Они состоят из раскосов и сто-ек, образующих совместно с поясами стропильных ферм горизон-тальные связевые фермы с крестовой решеткой. Горизонтальные связи располагают между крайними парами ферм в торцах здания (или в торцах температурного отсека), но не реже, чем через 60 м.
Для связи между верхними поясами промежуточных стропиль-ных ферм ставят специальные распорки над опорами и у коньково-го узла при пролете ферм до 30 м; при больших пролетах добавля-ют промежуточные распорки для того, чтобы расстояние между ними не превышало 12 м. Горизонтальные связи по верхним по-ясам ферм обеспечивают устойчивость сжатых поясов из плоско-сти фермы во время монтажа: в этот период расчетная длина таких поясов равна расстоянию между распорками. В процессе эксплуа-тации здания смещению верхних узлов из плоскости фермы пре-пятствуют ребра кровельных плит или прогоны, но только при ус-ловии, что они закреплены от продольных смещений связями, рас-положенными в плоскости кровли.
Горизонтальные связи по нижним поясам ферм устанавливают в зданиях с крановым оборудованием.
Они состоят из поперечных и продольных связевых ферм и рас-порок. В зданиях с кранами легкого и среднего режима работы час-то ограничиваются только поперечными связевыми фермами, рас-полагаемыми между нижними поясами соседних ферм по торцам здания (или температурного отсека). Если длина здания или отсека велика, то устанавливают дополнительную поперечную связевую ферму, чтобы расстояние между такими фермами не превышало 60 м. Ширину продольной связевой фермы обычно принимают рав-ной опорной панели нижнего пояса стропильной фермы.
Горизонтальные связевые фермы воспринимают горизонталь-ные нагрузки от ветра и торможения (поперечного и продольного) кранов.
Стропильные фермы обладают незначительной боковой жест-костью, поэтому процесс монтажа без их предварительного взаим-ного раскрепления невозможен. Эту функцию выполняют верти-кальные связи между фермами, располагающиеся в плоскости опор-ных стоек ферм и в плоскости средних стоек (в фермах пролетом до 30 м) или стоек, ближайших к коньковому узлу, но не реже, чем че-, рез 12 м. Чаще всего вертикальные связи проектируют с крестовой решеткой, но при шаге ферм 12 м может быть применена и тре-угольная решетка. Средние стойки стропильных ферм, к которым прикрепляют вертикальные связи, проектируют крестового сечения.
Чтобы обеспечить пространственную устойчивость металлических сооружений, используются специальные стальные элементы - вертикальные связи между колоннами. Производственное объединение «Ремстроймаш» предлагает металлоконструкции собственного изготовления для различных производственных и строительных предприятий.
В ассортименте предприятия:
- Стержни.
- Балки.
- Фермы.
- Рамы и прочие системы связей.
Основное назначение связей металлоконструкций
При помощи легких конструктивных элементов образуются пространственные системы, обладающие уникальными свойствами:
- жесткость при изгибе и поперечном скручивании;
- устойчивость против ветровых нагрузок, инерционных воздействий.
При сборке связующие системы выполняют перечисленные функции, направленные на повышение устойчивости против внешних воздействий. Ветровые связи металлоконструкций придают готовым сооружениям дополнительную парусную устойчивость при эксплуатации. Пространственная жесткость и устойчивость зданий, колонн, мостов, ферм и пр. обеспечивается, благодаря связям, установленным в горизонтальных плоскостях в виде верхних и нижних поясов.
Одновременно на торцах и в промежутках между пролетами устанавливаются специальные связи металлоконструкций вертикального расположения - диафрагмы. Полученная система связей обеспечивает требуемую пространственную жесткость готового сооружения.
Поперечные связи пролетных строений
а - конструкция основных узлов связей; б - схема поперечных связей
Разновидности связей металлоконструкций
Изделия отличаются по методам изготовления и сборки:
- Сварные изделия.
- Сборные (болтовые, винтовые).
- Клепаные.
- Комбинированные.
Материалами изготовления связующих металлоконструкций служат черная и нержавеющая стали. Благодаря уникальным техническим характеристикам, изделия из нержавейки не требуют дополнительной обработки против коррозии.
Схемы вертикальных связен:
А крестовая; Б двухъярусная крестовая, В — раскосная наклонная, Г — многоярус¬ная раскосная наклонная
Примеры связей
Связи между колоннами.
Система связей между колоннами обеспечивает во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса и его несущую способность в продольном направлении, а также устойчивость колонн из плоскости поперечных рам.
Связи, образующие жесткий диск, располагают посередине здания или температурного отсека, учитывая возможность перемещения колонн при температурных деформациях продольных элементов.
Если поставить связи (жесткие диски) по торцам здания, то во всех продольных элементах (подкрановые конструкции, подстропильные фермы, распорки связей) возникают большие температурные усилия F t
При длине здания или температурного блока более 120м между колоннами обычно ставят две системы связевых блоков.
Предельные размеры между вертикальными связями в метрах
Размеры в скобках даны для зданий, эксплуатируемых при расчетных температурах наружного воздуха t= –40° ¸ –65 °С.
Наиболее простая схема связей крестовая, она применяется при шаге колонн до 12 м. Рациональный угол наклона связей , поэтому при небольшом шаге, но большой высоте колонн устанавливают две крестовые связи по высоте нижней части колонны.
В таких же случаях иногда проектируют дополнительную развязку колонн из плоскости рамы распорками.
Вертикальные связи ставят по всем рядам здания. При большом шаге колонн средних рядов, а также чтобы не мешать передаче продукции из пролета в пролет проектируют связи портальной и полупортальной схем.
Вертикальные связи между колоннами воспринимают усилия от ветра W 1 ,и W 2 действующего на торец здания и продольного торможения кранов Т пр.
Элементы крестовых и портальных связей работают на растяжение. Сжатые стержни вследствие большой гибкости выключаются из работы и в расчете их не учитывают. Гибкость растянутых элементов связей, расположенных ниже уровня подкрановых балок не должна превышать 300 для обычных зданий и 200 для зданий с «особым» режимом работы кранов; для связей выше подкрановых балок – соответственно 400 и 300.
Связи по покрытию.
Связи по конструкциям покрытия (шатра) или связи между фермами создают общую пространственную жесткость каркаса и обеспечивают: устойчивость сжатых поясов ферм из их плоскости, перераспределение местных крановых нагрузок, приложенных к одной из рам, на соседние рамы; удобство монтажа; заданную геометрию каркаса; восприятие и передачу на колонны некоторых нагрузок.
Связи по покрытию располагают:
1) в плоскости верхних поясов стропильных ферм – продольные элементы между ними;
2) в плоскости нижних поясов стропильных ферм – поперечные и продольные связевые фермы, а также иногда и продольные растяжки между поперечными связевыми фермами;
3) вертикальные связи между стропильными фермами;
4) связи по фонарям.
Связи в плоскости верхних поясов ферм.
Элементы верхнего пояса стропильных ферм сжаты, поэтому необходимо обеспечить их устойчивость из плоскости ферм.
Ж/б плиты покрытия и прогоны могут рассматриваться как опоры, препятствующие смещению верхних узлов из плоскости фермы при условии, что они закреплены от продольных перемещений связями, расположенными в плоскости кровли. Такие связи (поперечные связевые фермы) целесообразно располагать в торцах цеха, чтобы они вместе с поперечными связевыми фермами по нижним поясам и вертикальными связями между фермами создавали пространственный блок, обеспечивающий жесткость покрытия.
При большей длине здания или температурного блока устанавливают промежуточные поперечные связевые фермы, расстояние между которыми не должно превышать 60 м.
Для обеспечения устойчивости верхнего пояса фермы из ее плоскости в пределах фонаря, где нет кровельного настила, предусматриваются специальные распорки, в коньковом узле фермы обязательны. В процессе монтажа (до установки плит покрытия или прогонов) гибкость верхнего пояса из плоскости фермы должна быть не более 220. Поэтому, если коньковая распорка не обеспечивает этого условия, между ней и распоркой на опоре фермы (в плоскости колонн) ставят дополнительную распорку.
Связи в плоскости нижних поясов ферм
В зданиях с мостовыми кранами необходимо обеспечить горизонтальную жесткость каркаса как поперек, так и вдоль здания.
При работе мостовых кранов возникают усилия, вызывающие поперечные и продольные деформации каркаса цеха.
Если поперечная жесткость каркаса недостаточна, краны при движении могут заклиниваться и нарушается нормальная эксплуатация. Чрезмерные колебания каркаса создают неблагоприятные условия для работы кранов и сохранности ограждающих конструкций. Поэтому в однопролетных зданиях большой высоты (H>18 м), в зданиях с мостовыми кранами Q>100 кН, с кранами тяжелого и весьма тяжелого режимов работы при любой грузоподъемности обязательна система связей по нижним поясам ферм.
Горизонтальные силы F от мостовых кранов воздействуют в поперечном направлении на одну плоскую раму или две-три смежные.
Продольные связевые фермы обеспечивают совместную работу системы плоских рам, вследствие чего поперечные деформации каркаса от действия сосредоточенной силы значительно уменьшаются.
Стойки торцевого фахверка передают ветровую нагрузку F вт в узлы поперечной связевой фермы.
Чтобы избежать вибрации нижнего пояса фермы вследствие динамического воздействия мостовых кранов ограничивается гибкость растянутой части нижнего пояса из плоскости рамы: при кранах с числом циклов нагружения 2×10 6 и более – величиной 250, для прочих зданий – величиной 400. Для сокращения длины растянутой части нижнего пояса в некоторых случаях ставят растяжки, закрепляющие нижний пояс в боковом направлении.
Вертикальные связи между фермами.
Эти связи связывают между собой стропильные фермы и препятствуют их опрокидыванию. Они устанавливаются, как правило, в осях, где установлены связи по нижним и верхним поясам ферм образуя совместно с ними жесткий блок.
В зданиях с подвесным транспортом вертикальные связи способствуют перераспределению между фермами крановой нагрузки приложенной непосредственно к конструкциям покрытия. В этих случаях, а также к стропильным фермам крепят электрические кран – балки значительной грузоподъемности, вертикальные связи между фермами располагают в плоскостях подвески непрерывно по всей длине здания.
Конструктивная схема связей зависит главным образом от шага стропильных ферм.
Связи по верхним поясам стропильных ферм
Связи по нижним поясам стропильных ферм
Для горизонтальных связей при шаге ферм 6м может быть применена крестовая решетка, раскосы которой работают только на растяжение (рис а).
В последнее время в основном применяются связевые фермы с треугольной решеткой (рис б). Здесь раскосы работают как на растяжение, так и на сжатие, поэтому их целесообразно проектировать из труб или гнутых профилей, позволяющих снизить расход металла на 30-40 %.
При шаге стропильных ферм 12 м диагональные элементы связей даже работающие только на растяжение, получаются слишком тяжелыми. Поэтому систему связей проектируют так, чтобы наиболее длинный элемент был не более 12 м, и этим элементом поддерживают диагонали (рис в, г).
Обеспечить крепление продольных связей можно и без решетки связей по верхнему поясу ферм, которая не дает возможности использовать сквозные прогоны. В этом случае в жесткий блок входят элементы покрытия (прогоны, панели), стропильные фермы и часто расположенные вертикальные связи (рис д). Такое решение является в настоящее время типовым. Элементы связи шатра (покрытия) рассчитываются, как правило, по гибкости. Предельная гибкость для сжатых элементов этих связей – 200, для растянутых – 400, (при кранах с числом циклов 2×10 6 и более – 300).
Система конструктивных элементов, служащих для поддержания стенового ограждения и восприятия ветровой нагрузки называется фахверком.
Фахверк устраивается для нагруженных стен, а также для внутренних стен и перегородок.
При самонесущих стенах, а также при панельных стенах с длинами панелей, равными шагу колонн, необходимости в конструкциях фахверка нет.
При шаге наружных колонн 12 м и стеновых панелях длиной 6м устанавливаются промежуточные фахверковые стойки.
Фахверк, устанавливаемый в плоскости продольных стен здания, называется продольным фахверком. Фахверк, устанавливаемый в плоскости стен торца здания, называется торцевым фахверком.
Торцовый фахверк состоит из вертикальных стоек, которые устанавливаются через 6 или 12 м. Верхние концы стоек в горизонтальном направлении опирают на поперечную связевую ферму в уровне нижних поясов стропильных ферм.
Чтобы не препятствовать прогибу стропильных ферм от временных нагрузок, опирание стоек фахверка осуществляется с помощью листовых шарниров, представляющих собой тонкий лист t=(8 10мм) шириной 150 200мм, который в вертикальном направлении легко изгибается, не препятствуя прогибу фермы; в горизонтальном направлении он передает усилие. К стойкам фахверка крепят ригели для оконных проемов; при большой высоте стоек в плоскости торцевой стены ставят распорки, уменьшающие их свободную длину.
Стены из кирпича или бетонных блоков устраивают самонесущими, т.е. воспринимающими весь свой вес, и только боковая нагрузка от ветра передается стеной на колонну или стойку фахверка.
Стены из крупнопанельных ж/б плит устанавливаются (навешиваются) на столики колонн или фахверковых стоек (один столик через 3 – 5 плит по высоте). В этом случае фахверковая стойка работает на внецентренное сжатие.
Конструкция связей, устанавливаемых в покрытии, зависит от схемы и материала каркаса, типа покрытия, высоты здания, вида крана, его грузоподъемности и режима работы.
Вертикальные связи между опорами железобетонных ферм или балок покрытия ставят только в зданиях с плоской кровлей, причем в зданиях без подстропильных конструкций связи располагают в каждом ряду колонн, а с такими конструкциями — только в крайних рядах колонн при шаге 6 м.
Вертикальные связи между опорами ферм или балок ставят не чаще, чем через один шаг. Их количество при длине температурного блока 60—72 At на каждый ряд колонн может быть не более 5 при шаге 6 м и не более 3 при шаге 12 м. На рис. 69, а показаны четыре такие связи.
При наличии вертикальных связей между опорами ферм или балок покрытия или связей между колоннами (в зданиях без кранов) по верху колонн ст."шяг распорки (рис. 69, а, в).
В зданиях с шагом колонн в средних и крайних рядах 12 м предусматривают горизонатальные фермы в торцах - по две в каждом пролёте на температурный блок. Эти фермы ставят на уровне нижнего пояса стропильных ферм (рис. 69, в). В зданиях с подстропильными конструкциями в средних рядах колонн устраивают горизонтальные распорки в количестве 2—4 на один ряд колонн температурного блока (рис. 69, б).
Рис. 69. Связи в покрытиях при железобетонных фермах
В зданиях с мостовыми кранами тяжелого режима работы или при наличии оборудования, вызывающего колебания конструкций, по нижнему поясу стропильных ферм или балок в середине каждого пролета устанавливают распорки (тяжи) и вертикальные связи в двух крайних шагах температурного блока. Роль горизонтальных связей по верхнему поясу ферм или балок выполняют крупнопанельные плиты покрытия.
В пролетах с фонарями для обеспечения устойчивости верхнего пояса стропильных ферм устанавливают распорки (тяжи) по коньку ферм и горизонтальные связи по их верхнему поясу в пределах ширины фонаря в крайних (или вторых) шагах температурного блока.
В покрытиях с прогонами в крайних шагах температурных блоков по всей их ширине под прогонами устраивают горизонтальные связи крестовой схемы.
Вертикальные и горизонтальные связи делают в большинстве случаев из уголков и крепят к железобетонным конструкциям с помощью косынок (рис. 69, г, д). Тяжи изготовляют из круглой стали, а распорки, работающие на сжатие,— из железобетона.
Система связей покрытия в зданиях со стальным каркасом состоит из горизонтальных связей в плоскости нижних и верхних поясов стропильных ферм и вертикальных связей между фермами.
Горизонтальные связи по нижним поясам стропильных ферм располагают как поперек здания (поперечные горизонтальные), так и вдоль его (продольные горизонтальные). Поперечные горизонтальные связи по нижним поясам устанавливают у торцов и у температурных швов здания. При температурных блоках длиной 120—150 м и при кранах большой грузоподъемности предусматривают также промежуточные связе-вые фермы через каждые 60 м.
Продольные горизонтальные связи располагают по крайним панелям нижних поясов стропильных ферм и устраивают в зданиях с кранами Q>10T и в зданиях с подстропильными фермами.
В однопролетных зданиях такие связи располагают вдоль обоих рядов колонн, а в многопролетных — вдоль крайних рядов колонн и через ряд вдоль средних рядов (при кранах грузоподъемностью до 50 7) или более часто (при грузоподъемности кранов более 50 Т).
Вдоль средних рядов колонн при одинаковой высоте смежных пролетов продольные связи рекомендуется располагать с одной стороны колонн, а в мечтах ш"ропала высот — с обеих сторон ряда колонн.
Боковую жёсткость нижних поясов ферм, расположенных в промежутке между двумя поперечными связевыми фермами почивают специальными растяжками из уголков, закрепленными за узлы связевых ферм. Схема разбивки поперечных и продольных связей по нижним поясам ферм показана на рис. 70, а.
Горизонтальные поперечные связи по верхним поясам ферм обеспечивают устойчивость верхних поясов ферм из их плоскости, и ставят их в покрытиях с прогонами. В панельных покрытиях указанные связи предусматривают только в торцах здания и у температурных швов. В промежутках между поперечными связевыми фермами боковая устойчивость верхних поясов ферм обеспечивается прогонами, а на участках под фонарями — растяжками из уголков. Поперечные связи по верхним и нижним поясам ферм рекомендуется совмещать в плане.
Рис. 70. Связи в покрытиях при стальных фермах
При наличии подстропильных ферм в однопролетных покрытиях без прогонов и в многопролетных покрытиях, расположенных в одном уровне, предусматривают продольные горизонтальные связи в плоскости верхних поясов в одной из крайних панелей ферм. В случае перепада высот смежных пролетов предусматривают по одной продольной системе в каждом уровне.
Вертикальные связи покрытия располагают в плоскостях опорных стоек стропильных ферм, в плоскости коньковых стоек, для ферм пролетом до 30 м, а также в плоскости стоек, находящихся под узлом крепления наружных ног фонаря для ферм пролетом более 30 м. Вертикальные связи делают в виде ферм с параллельными поясами, имеющими высоту, равную высоте стоек, к которым связи крепят.
Связи по прогонам в виде ферм жесткости, распорок и тяжей обеспечивают проектное положение прогонов, повышают устойчивость и облегчают работу прогонов на скатную составляющую вертикальных нагрузок и воспринимают ветровые усилия.
Все типы связевых ферм выполняют из уголков с перекрестной решеткой, распорки также из уголков, а тяжи — из круглой стали. Крепят связи на черных болтах, в зданиях же с кранами большой грузоподъемности и тяжелого режима работы, а также в случае значительных усилий в элементах связей — на монтажной сварке и реже — на заклепках или чистых болтах. Некоторые детали крепления связей приведены на рис. 70, б — г.
Усилия от ветровой нагрузки, действующей на наружные стены, собираются в плоскостях перекрытий и покрытия и далее передаются к вертикальным элементам несущего каркаса. В большинстве случаев несущие конструкции перекрытий и покрытия образуют жесткие диски, способные передавать ветровые нагрузки с наружных стен на каркас здания. В противном случае требуется устройство специальных горизонтальных связей. В многоэтажных зданиях горизонтальные связи достаточно иметь в плоскости каждого второго или третьего перекрытия. Несущая способность колонн в большинстве случаев достаточна для восприятия ветровой нагрузки с грузовой площади высотой два-три этажа.
Плиты перекрытий могут выполнять функции горизонтальных ветровых связей только после того, как они приобретут требуемую прочность после бетонирования, поэтому на период монтажа каркаса необходимы временные связи, которые позднее могут быть сняты.
Ветровые связи необходимы не по всей площади покрытия или междуэтажного перекрытия, а размещение их должно быть таким, чтобы была обеспечена передача горизонтальных усилий на вертикальные связи.
1. Вертикальные связи расположены вокруг лестничной клетки в трех плоскостях. Горизонтальная связевая ферма в продольном направлении здания образована постановкой раскосов между рандбалками и поясом параллельно наружной стене. Поперечная горизонтальная связевая ферма образована между двумя балками перекрытия, служащими ее поясами.
2. Вертикальные связи в плоскостях торцовых стен и между двумя внутренними колоннами. Горизонтальная связевая ферма в продольном направлении здания образована между рандбалками и прогонами, идущими в плоскости вертикальных связей. Поясами поперечной связевой фермы служат две балки перекрытия.
3. Вертикальные связи в плоскостях торцовых стен и между двумя внутренними колоннами. Горизонтальная связевая ферма в продольном направлении здания образована между двумя рядами внутренних колонн (удачное решение при планировке центрально расположенного коридора).
Поперечная горизонтальная связевая ферма образована между двумя средними рядами балок перекрытия.
4. Горизонтальные связи в плоскости верхних поясов балок перекрытия и рандбалки Раскосы из уголков. Фасонка и головки болтов могут мешать укладке гофрированных листов настила.
5. Связи установлены в плоскости нижнего пояса балки перекрытия.
6. Крепление раскосов из уголков в узле примыкания рандбалки и балки перекрытия к колонне.
7. При отсутствии продольной балки, являющейся одновременно поясом связевой фермы, необходим дополнительный элемент (здесь один швеллер).
8. Крепление пересекающихся связевых стержней к балке перекрытия.
9. Если балки перекрытия лежат на прогонах, то наилучшим решением будет размещение связей в плоскости нижних поясов балок.