Фермы
История строительства полна уникальными примерами, самые высокие здания, самые большие купола, самые глубокие подвалы, самые длинные галереи. Список самых-самых пополняется ежегодно. Человечество всегда стремилось строить выше, больше и просторнее. И это стало возможным благодаря использованию ферм.
Стержневые и легкие на первый взгляд конструкции обладают колоссальной для их материалоемкости прочностью на сжатие и растяжение. Образованная из прямых элементов ферма может иметь различную геометрию, при этом соединенные в узлах стержни, объедены в геометрически неизменяемые системы, а нагрузка сосредоточена только в узлах.
Первая ферма была запатентована почти 200 лет назад американским архитектором М. Тауном, ее конструкция представляла собой решетку, образованную из досок верхнего и нижнего пояса, и расположенные между ними по диагонали короткие перемычки.
В России большой вклад в развитие ферм внес ученый Журавский, который начал изучать свойства мостов, в которых применялись решетчатые фермы и разработал собственную теорию расчета раскосых ферм.
Рассмотрим общую классификацию ферм:
- по конструктивному решению фермы бывают обычные и комбинированные;
- по организации структуры фермы могут быть плоскими или пространственными;
- по типу выделяют фермы Виренделя, фермы Уоррена, фермы Пратта, фермы Финка, фермы под верхний свет, фермы с перекрестными подкосами и др.;
- по назначению фермы делятся на фермы покрытий, фермы башенные, мостовые, крановые, фермы транспортных эстакад и фермы гидротехнических затворов;
- по типу опирания фермы могут быть балочными, арочными, вантовыми, рамными или комбинированным.
Материалом для изготовления фермы могут служить дерево, металл, железобетон или полимер.
Фермы могут иметь различную геометрию, их пояса могут располагаться параллельно друг другу или нет, фермы могут быть треугольными, трапецеидальными, параболическими, многоугольными.
Решетка ферм может быть крестовой, раскосной, ромбической, треугольной или шпренгельной.
Фермы можно увидеть в гражданских и промышленных зданиях, их применяют для сооружения больших пролетов, которые необходимы для создания больших пространств без промежуточных опор. Концертные залы, стадионы, торговые центры, цеха, производственные корпуса получают обширное пространство за счет применения ферм. После установки фермы могут остаться в интерьере или их зашивают навесными конструкциями потолка. В музыкальных и концертных залах подобная зашивка обязательна, иначе не удастся добиться нужной акустики. В аквапарках и выставочных павильонах конструкции остаются видны, создавая более открытое и легкое пространство.
Расчет плоской статически определимой фермы
Рисунок 1. Пример расчета плоской статически определимой фермы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Конструктивно ферма создается из поясов (верхнего и нижнего), стоек, раскосов и шпренгелей. Пролетом фермы называется расстояние между опорами. За счет уникальной конструкции фермы могут перекрывать большие пролеты, конкретные параметры ферм зависят от материала их изготовления и решетки.
Рассмотрим этапы расчета на примере плоской статически определимой фермы:
- на начальном этапе для фермы вычерчивают расчетную схему в масштабе и указывают заданные нагрузки, показывают исследуемые стержни;
- проводим кинематический анализ, разница между двойным количеством узлов фермы и числом стержней и опорных связей должна быть равно 0, в током случае ферма будет статически определимой;
- затем определяем реакции в опорах фермы;
- выполняем расчет усилий в заданных стержнях от постоянной нагрузки;
- определяем усилия в заданных стержнях от подвижной нагрузки, для этого выполняем построение линий влияния в стержнях;
- выполняем расчет на действие временной нагрузки;
- сравниваем значения, которые были получены аналитическим путем и по линиям влияния;
- оцениваем загружение линии влияния железнодорожной нагрузкой;
- определяем эквивалентную нагрузку.
Чтобы определить усилия в стержнях, необходимо мысленно вырезать узлы фермы и рассматривать их по отдельности, составляя уравнения равновесия и определяя растянутые и сжатые стержни.
Расчет фермы проводится вручную в рамках учебного процесса, а затем студенты осваивают как правильно вести расчет в программных комплексах ЛИРА и Компас.
