V.1.2 Конструирование узлов фермы

На рис. 29 обозначены наиболее характерные узлы фермы:

1. промежуточный с примыкающими раскосами;
2. промежуточный без примыкающих раскосов;
3. монтажный, стыковой узел фермы с примыкающими раскосами;
4. монтажный, стыковой узел фермы без примыкающих раскосов;
5. верхний опорный узел4
6. нижний опорный узел.

Необозначенные узлы проектируются по аналогии с 1 или 2. Узлы 5,6 вместе определяют вид сопряжения ферме с колонной, на рис. 29 дано примыкание (сбоку) фермы к колонне. Возможно и опирание (сверху) фермы на колонну.

При проектировании узлов полезно использовать стандартную последовательность действий:

1) прочерчивание оси (геометрические оси) всех элементов сходящихся в узле при строгом сохранении их геометрии;

2) выполняется ‘‘раскладка’’ подобранных профилей в соответствии с привязками их центров тяжестей (линии последних должны совпадать с геометрическими осями);

3) уточняется толщина промежуточных узловых фасонок либо расчетом по прочности, либо с использованием сложившихся рекомендаций по усилию N_р в первом находящемся раскосе (на рис. 29 помечен кружком), приведенных в таблице 6.

толщины узловых фасонок в опорных узлах на 2 мм больше, чем в узлах промежуточных;

4) определяется минимально допустимое сближение соседних сварных швов, предупреждающее их взаимное температурное влияние и концентрацию сварочных напряжений в самой фасонке, - а_min = 6t_cp-20 мм, но не более 80 мм%

5) намечаются положения торцов элементов решетки примыкающих к поясу;

6) проектируются швы крепления элементов решетки к фасонке и уточняется ее конфигурация;

7) проектируются швы крепления фасонки к поясу.

Эта последовательность в полном и достаточном объеме применима к проектированию любых промежуточных узлов (1,2 по рис. 29). Рассмотрим ее более конкретно в приложении к узлу 1, используя его масштабную прорисовку по рис. 30. В каких-либо комментариях п. 1 …5, видимо, не нуждаются. По п. 6 отметим, что до начала проектирования сварных швов необходимо выявить их более слабое (шов – f или граница сплавления – z, см. (6), раздел 3.2) сечения при условии применения ручной сварки. Чаще это – металл шва, поэтому именно случай учтен далее в расчетных формулах. Швы крепления элементов решетки и узлов фасонке, для уголков обушковые и перовые, являются фланговыми, т.е. имеющими ограниченную расчетную длину l_w£85bfkf. Их катеты из условия не допущения перегрева на обушке - k_f£1.2t₁ и из условия реальности осуществления на пере - k_f£t₁ – r, где t₁ – толщина полки уголка, r – радиус скругления полки пере (по сортаменту). Из-за значительного приближения линии центра тяжести к обушку усилие в элементе перераспределения между обушковыми и перовыми швами неравномерно –

N_об=N(в_L-z₀)/в_L, N_пр=Nz₀/в_L

или приближенно при равнополочных уголках –

N_об»0,7N, N_пр»0,3N

Здесь в_L – ширина полки уголка, соприкасающейся с фасонкой. Таким образом, приняв k_fоб и k_fпр можно найти длины этих швов по формуле вида:

имея в виду, что первое слагаемое здесь не должно превышать предельно допустимую длину – l_w=85b_fk_fоб(пр), а второе – предусмотрено для компенсации потерь качества сварного шва на одном из его концов (с этой же целью второй конец шва рекомендуется выводить на торец элемента на 20…25 мм).

Отложив найденные швы от торцов по обушкам и перьям, конструируем фасонку, стремясь придать ей простую и удобную в изготовлении конфигурацию – прямоугольную, трапециевидную …, достаточную для размещения принятых швов. При необходимости катеты и длины швов следует подкорректировать. За обушок пояса фасонок выступает на 15…20 мм, что не мешает приварке закладных деталей в опорных частях ребер плит к поясу фермы продольными (вдоль оси пояса) конструктивными швами. Такое решение приемлемо при шаге ферм 6м и толщине полок поясных уголков 10мм и более (при шаге ферм 12мм и t_L³14мм). Если полки уголков относительно тонкие (при наличии плит меньше 6мм или 14мм), то для предупреждения их местного обмятия под ребра плит помещают листовые прокладки – длинной около 200мм, толщиной ³ 10мм (конструктивно) и шириной на 15…20мм меньшей ‘‘размаха’’ перьев пояса, привариваемых к поясу только продольными швами. Для их установки в выступающей кромке фасонки предусматривается местные вырез (на рис.30 показан пунктиром), а если l_ф мала, например в узле 2, то вся кромка опускается ниже обушка на глубину соизмеримую с t_ф. Естественно, что швы в ‘‘заглублениях’’ не могут быть качественными и в последующем расчете не учитываются.

Швы крепления фасонки к поясу (кроме заглубленных) воспринимают силу P=Q_n+Q_s – поперечную и силу DN=|N_п|-|N_л| - продольную. В зависимости от конструкции фасонки можно поискать наиболее нагруженную группу, но в запас можно упростить расчет, проверив только перовые швы на обе эти силы. При этом l_w=l_ф-2k_f (k_f – принимаемая как и раньше), A_w=2b_fk_fl_w, t_p=P/A_w, t_N=DN/A_w, а проверка их прочности примет вид

Напомним, что знак ‘‘t’’ может быть заменен знаком ‘‘s’’, но угловые швы при подобных нагрузках работают только на срез; запас рассмотренного подхода обусловлен тем, что фактически перовые швы воспринимают меньшую часть продольной силы (здесь»0,3DN).

Узел 2, как и 1 – промежуточный, но без примыкающих раскосов, поэтому усилие в стойке N=P, DN=0, а его конструирование и сопутствующие расчеты проще.

Узлы 3 и 4 – стыковые, монтажные, укрупнительные, т.к. именно по ним происходит членение фермы на отправочные марки (монтажные элементы) – две полуфермы. Конструкция узла 3 показана на рис.31 – собственно стык организуется с помощью вертикальных – 1 и горизонтальных – 2 накладок. Накладки всегда парные, что позволяет изготавливать полуфермы одинаковыми (на рисунке показаны только накладки левой полуфермы).Горизонтальные накладки обычно выполняются в форме по рис. 31б, когда они прилегают к угловым фасонкам вплотную. При этом возникает некоторая сложность приварки обушков поясных уголков к узловым фасонкам – для ее организации нужно либо развить фасонки, выведя их выступы за пределы длины горизонтальных накладок (на рис. 31а, видимо, также возможно, швы здесь доступны, но следует уделять внимание обеспеченную местной устойчивости горизонтальных накладок на участке между торцами поясных уголков. Все прочее конструирование узла выполняется по ранее рассмотренным общим правилам. Дополнительно необходимо запроектировать стыковые накладки, их – сечения, крепления и обеспечение центрации узла.

Вертикальные накладки 1 конструируются из условия размещения крепежных болтов, а их толщина принимается равной или большей швов. Они, обычные угловые, воспринимают силу N₁=0.3N_п+N_pcosa. Горизонтальные накладки 2, п существу обушковые, воспринимают силу N₂=0.7N_п, на которую работают швы, естественно монтажные. Поэтому сечение этих накладок находиться просто, а компонуется (ширина, толщина) с учетом размеров поясных уголков. Принятые накладки перекрывают стык, образуя сечение, показанное штриховкой на рис.31г. Положение его центра тяжести – z должно совпадать с привязкой геометрического центра узла – z₀ (она же привязка центра тяжести пояса). Допустимая погрешность - ±0,015 в_L [1, п.13.6] – достаточно мала и если она не обеспечена, небходимо скорректировать размеры сечений накладок, не допуская при этом уменьшения их начальных площадей.

Узел 5 в варианте примыкания ригеля к колонне по рис.29 является ключевым для организации их шарнирного или жесткого сопряжения. Различие – в возможности поворота (ограниченного) опорного сечения ригеля. При несмещаемом (а практически и неподвижном) узле 6, поворот опорного сечения ригеля связан с горизонтальной подвижкой фермы относительно колонны в узле: предусмотрена подвижка – сопряжение ригеля с колонной шарнирное, не предусмотрена – жесткое. На рис. 32а показаны варианты податливых решений. Податливость в первом случае достигается за счет гибкости опорного фланца из-за его ограниченной толщины; во втором – за счет овальных отверстий под обычные болты. В обоих решениях все элементы прорабатываются конструктивно (без расчетов). На рис.32б показаны варианты неподатливых решений: в первом – она достигается жесткостью опорного фланца из плоскости, для чего его толщина (расчетная) принимается не менее 16мм; во втором – горизонтальной накладкой, объединяющей пояс фермы и оголовок колонны с помощью монтажной сварки.

В курсовом проекте однопролетного промздания естественно использование решений по рис.32б. Дополнительно к основному набору – крепление элементов к узловой фасонке, ее конструирование и т.п. – проектируются опорный фланец и его крепления или накладка и ее крепления, соответственно принятому варианту узла. В обоих случаях исходным является усилие в поясе N_п или его горизонтальная составляющая, равная ‘‘распору’’ H=M_1-1/h₀, где М_1-1 – наибольший отрицательный момент в верхнем сечении колонны. В первом решении по рис.32б швы крепления фланца к узловой фасонке и болты рассчитываются обычным образом на действие N=N_п и М=N_пе приложенных к их центрам. Толщина фланца уточняется его расчетом на изгиб из плоскости от силы N_п, создающей изгибающий момент М_фл= N_пв/8, где в – расстояние между болтами в плане (принимается конструктивно в увязке с шириной пояса колонны). Он воспринимается фланцем с моментом сопротивления

поэтому толщину фланца можно найти из условия его прочности,

и, округляя в большую сторону, принять не менее 16мм (конструктивная рекомендация). Во втором решении по рис.32б расчеты обычно и выполняются при N=0.7N_п, т.е. на обушковую составляющую усилия в поясе.

Узел 6 фактически является типовым, стандартным. Его конструкция представлена на рис.33. Крепление раскоса, нижнего пояса и конструирование узловой фасонки (ее толщина на 2мм больше, чем у фасонок промежуточных узлов) выполняется обычным порядком. Дополнительному проектированию подлежат: опорный фланец, швы его крепления к узловой фасонке, опорный столик и его крепление к полке колонны (болты устанавливаются конструктивно), - при этом учитываются ‘‘распор’’ Н, сопутствующий ему момент m=H*e, где е – расстояние между центром узла и центром вертикального сварного шва (двойного), и опорная реакция фермы R_ф=R_п+R_s, определяемая, как видно, составляющими от постоянной и снеговой нагрузок.

Высота и ширина ‘‘В_фл’’ фланца назначаются конструктивно с учетом общего рисунка узла, ширины полки колонны, удобства постановки болтов. Толщину фланца (как аналога опорного ребра главной балки) удобно определить по условию локальной прочности торца в форме

где R_p используется при наличии плотной подгонки (сторожки) соприкасающихся поверхностей, R_y – при отсутствии подгонки. Швы крепления фланца к узловой фасонке показаны на рис.33 штриховкой (для границы сплавления), для них l_w=h_ш-2kf (или 2см). для них легко определить геометрические характеристики – A_w и W_w. Наибольшими напряжениями будут в крайних волокнах, они составят

т.е приняв k_f соизмеримыми с толщиной узловой фасонки всегда можно получить требуемый результат. Опорный столик и его крепление проектируются в полной аналогии со столиком под внешнее опорное ребро главной балки: по толщине и ширине – конструктивно, по высоте – на основе расчета вертикальных фланговых швов с коэффициентом надежности (запаса) 1,3 … 1,5.

Контрольные вопросы

1. Особенности расчета ферм.
2. Определение расчетных усилий в элементах ферм.
3. Расчетные длины элементов ферм.
4. Особенности действительной работы ферм в предельном состоянии (ознакомиться по учебной литературе).
5. Порядок подбора сечений сжатых элементов.
6. Особенности подбора сечений элементов, работающих и на растяжении и на сжатие.
7. Общая последовательность действий при проектировании узлов ферм.
8. Особенности проектирования узлов ферм:

промежуточного с примыкающей стойкой;

промежуточного с примыкающими раскосами;

стыкового, монтажного с примыкающими раскосами;

верхнего опорного в варианте примыкания;

нижнего опорного в варианте примыкания.

1. Общий вид узлов сопряжения фермы с колонной в вариантах опирания и примыкания сравнительный анализ их возможностей (ознакомиться по учебной литературе).

Поиск по сайту: