Сегментные фермы. 
Конструкции из дерева и пластмасс. 
Проектирование деревянных ферм

С точки зрения конструктивных особенностей сегментные клееные фермы являются наиболее рациональным типом ферм, поскольку благодаря очертанию поясов усилия в панелях верхнего и нижнего поясов мало отличаются друг от друга, что позволяет делать их унифицированного поперечного сечения по всей длине фермы, без «лишних» запасов по прочности и устойчивости. Кроме того, усилия в элементах решетки таких ферм незначительны, но величине, что упрощает выполнение узлов и способствует их типизации.

Очертание верхнего пояса ферм принимается криволинейным, в виде дуги окружности определенного радиуса. Задаваясь стрелой подъема / фермы в пределах (1/6… 1/7)/ (/ — пролет), радиус дуги окружности можно подсчитать по формуле.

При пролетах до 36 м нижний пояс сегментных ферм применяется прямолинейным. С увеличением пролета возникает необходимость в том, чтобы нижний пояс выполнять тоже криволинейным с положительной или отрицательной кривизной.

В современных индустриальных сегментных фермах решетка принимается треугольной, в отличие от ранее применявшихся сегментных ферм.

Треугольная решетка позволяет уменьшить количество узлов в ферме и довести число элементов, сходящихся в узлах верхнего и нижнего поясов, до двух. Чем меньше узлов и элементов сходится в узлах и чем меньше усилия в элементах решетки, тем выгоднее и проще становится конструкция фермы. Поэтому сегментные фермы предпочтительны по сравнению с другими фермами, особенно при больших пролетах.

При назначении решетки фермы поступают следующим образом:

• • нижний пояс разбивают на панели длиной 6 м (исключение могут составить крайние панели, длину которых принимают равной 5,7 м);
• • верхний пояс по длине его дуги разбивают на равные участки путем деления всей длины дуги на число, равное количеству панелей по нижнему поясу плюс один;
• • корректируют длины первой и последней (опорных) панелей, принимая их равными примерно 0,7 длины остальных панелей;
• • уточняют размеры пролетных панелей верхнего пояса.

Полученные таким образом точки на дуге верхнего поясов и прямой линии нижнего пояса соединяют между собой линиями, которые образуют треугольную решетку фермы. Точки на поясах являются ее узлами.

Криволинейный верхний пояс выполняется клееным в виде пакета склеенных между собою досок, уложенных плашмя. Поперечное сечение пакета прямоугольное, с размерами bxh мм. Для склеивания используют доски толщиной после фрезерования не более b = 42 мм и шириной от 150 до 225 мм (но сортаменту). Ширина доски определяет размер сечения «в», поскольку нецелесообразно по ширине сечения склеивать две или три доски. По высоте h клееного пакета укладывают целое число одинаковых досок, т. е. h = n -5 (п — целое число).

Ранее было ограничение при назначении размеров сечения, чтобы отношение h/b составляло не более 4. Это было связано с отсутствием конструктивного расчета на устойчивость плоской формы деформирования. В настоящее время это ограничение снято, поскольку нормы дают расчетные формулы к проверке этой устойчивости для сжатоизгибаемого элемента.

Верхний пояс ферм может быть сделан неразрезным на всю длину или наполовину. Обычно такое решение рекомендуется для пролетов до 24 м, поскольку для больших пролетов ферм появляются ограничения, связанные с трудностями при их транспортировке, изготовлении и монтаже.

При разрезной конструкции верхний пояс собирается из нескольких унифицированных криволинейных гнутых клееных элементов длиной, равной примерно длине панели верхнего пояса.

Конструкции узлов сегментной фермы представлены на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Сегментная клееная ферма пролетом 23,7 м.

В зависимости от конструкции верхнего пояса узлы крепления раскосов к нему выполняются различными. Однако при этом сохраняется общий принцип крепления, заключающийся в том, что концы раскосов снабжаются металлическими пластинкаминаконечниками из полосовой стали. Пластинки-наконечники, аналогично таковым в фермах многоугольных, одним концом прикрепляются с помощью гвоздей или болтов к деревянным раскосам, а другим — навешиваются на центровой соединительный болт узла фермы, для чего в наконечниках заранее сверлятся отверстия по диаметру центрового болта. В случае разрезного верхнего пояса в его узле размещают сварной металлический вкладыш, в центре которого располагается соединительный болт. Усилия от раскосов через пластинки-наконечники передаются на центровой болт, а через него на вкладыш и далее на верхний пояс. Для более плотного прилегания накладок к верхнему поясу в них выбирают пазы для пропуска пластин-наконечников. Все элементы фермы в узлах строго центрируются. Узлы разрезного верхнего пояса могут не иметь металлического вкладыша. В таких случаях торцы панелей верхнего пояса упираются друг в друга, передавая усилия контактным способом.

При неразрезном верхнем поясе принцип крепления раскосов через металлические пластинки-наконечники сохраняется прежним. Однако, с целью того чтобы обезопасить работу верхнего пояса на разрыв поперек волокон, для навешивания наконечников на центровой болт к верхнему поясу с обеих сторон в месте узла прикрепляют стальные пластины с помощью стальных нагелей. В этом случае усилия от наконечников передаются на центровой болт, а с центрового болта через стальные пластины на болты, прикрепляющие их к верхнему поясу, т. е. в явном виде проявляется «принцип дробности».

Независимо от конструкции верхнего пояса элементы решетки (раскосы) выполняются из брусьев цельных или клееных. Обычно, ввиду незначительных усилий, все раскосы делаются одинакового поперечного сечения, хотя при этом сечения и узловые крепления раскосов должны быть рассчитаны как на сжимающие, так и на растягивающие усилия.

Нижний пояс в современных индустриальных сегментных фермах выполняется металлическим — из спаренных уголков. Таким образом, предпочтение отдается фермам металлодеревянным. Применение металла для нижнего пояса, так же, как и в фермах многоугольных, повышает надежность в работе и упрощает конструкции узлов в местах прикрепления раскосов.

Промежуточные узлы по нижнему поясу ферм могут быть решены в двух вариантах. В первом варианте все элементы фермы в узле центрированы, и для прикрепления раскосов в узле нижнего пояса к уголкам приваривают парные фасонки. Раскосы в узле заводятся между фасонками и соединяются с ними болтами. Одновременно с креплением раскосов в узле может быть размещен стык металлического нижнего пояса.

Второй вариант допускает эксцентричное сопряжение элементов в узле. Оно возникает вследствие того, что раскосы с помощью пластин-наконечников навешиваются на центровой узловой болт (шпильку), который приваривается к верхним полкам уголков нижнего пояса. Получается очень простое решение узла, хотя при этом возникает узловой изгибающий момент, равный произведению разности усилий в нижнем поясе фермы на величину эксцентриситета, т. е. расстояние между осью поясного уголка и центром болта (шпильками). Этот момент незначителен по величине; поэтому такой узел предпочтителен, к его недостаткам следует отнести также снижение прочности растянутого стального элемента (уголков), вызванное приваркой шпильки поперечными сварными швами.

Особенности расчета сегментных ферм проявляются как при определении усилий в элементах, так и в конструктивных расчетах при проверке их прочности и устойчивости. Усилия в элементах сегментной фермы могут быть определены одним из способов, приводимых выше в разд. 2 с обязательным использованием допущений, отмеченных в этом разделе. Криволинейный верхний пояс обязательно должен быть заменим ломаным путем соединения узлов верхнего пояса прямыми линиями. Необходимо также определять усилия от каждого загружения фермы отдельно, включая действие временной (снеговой) нагрузки на левой и правой половинах и по всему пролету.

Расчетные усилия обычно определяют по максимальной величине усилий от комбинации нагрузок. Однако этого недостаточно. Для элементов решетки необходимо знать не только абсолютные значения усилий, но также и их знак: плюс или минус, т. е. сжат или растянут раскос. Это очень важно для проверки его прочности или устойчивости, а также для расчета при креплении его к узлу.

Для верхнего криволинейного пояса важно следует не только величину максимального сжимающего усилия и соответствующий при этом изгибающий момент, но и расчетный максимальный изгибающий момент при соответствующей величине сжимающего усилия, поскольку расчетный изгибающий момент связан с величиной продольного сжимающего усилия и степенью кривизны.

Верхний пояс испытывает сжатие с изгибом при любом характере действия внешней нагрузки. В общем случае расчетная схема панели при разрезном верхнем поясе представлена на рис. 5.9, а.

Puc. 5.9. К расчету верхнего пояса сегментной фермы:

а — разрезного; 6 — неразрезного От внеузлового действия внешней нагрузки q в поясе возникает изгибающий момент.

Независимо от этого в поясе постоянно действует изгибающий момент Мдг, вызванный кривизной. Величина его равна M_v = Nf. В случае одновременного их действия расчетный изгибающий момент равен:

Следует заметить, что если отсутствует внеузловая нагрузка по верхнему поясу например, при односторонней снеговой нагрузке, тогда изгибающий момент, в поясе будет все равно иметь место, иметь отрицательный знак и равен M_N = Nf. Это следует учитывать в расчетах, даже если усилие N, при одностороннем загружении фермы будет меньше, чем при полном загружении.

Если верхний пояс неразрезной, то он рассчитывается как неразрезная многопролетная балка (см. рис. 5.9, б). В этом случае расчетный изгибающий момент подсчитывается также по формуле.

где M_q — изгибающий момент от внешней нагрузки, подсчитанный в неразрезной балке в пролете и над опорой.

Величину М_расч следует определять по опорным М_оп и пролетным M_UJ) изгибающим моментам, величины которых приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Значение М_оп и М_пр для неразрезного верхнего пояса

Проверка верхнего пояса на прочность производится по формуле.

Коэффициент? подсчитывается по гибкости.

где /₀ — расчетная длина, принимается равной геометрической длине элемента. При неразрезном верхнем поясе расстояние между нулевыми точками на эпюре моментов уменьшается по сравнению с фактической длиной панели, что позволяет принять за расчетную длину /₀, равную 0,7 фактической длины панели.

Раскосы фермы рассчитывают как центрально-сжатые или центрально-растянутые элементы на действующие в них усилия. Сжатые раскосы проверяют на устойчивость в плоскости фермы с расчетной длиной, равной фактической геометрической длине между центрами узлов. Поскольку расчетные длины раскосов одинаковые в плоскости и из плоскости фермы, то желательно раскосы выполнять равноустойчивыми, т. е. сечением, близким к квадратным.

Металлические пластины-наконечники рассчитывают на продольный изгиб. За расчетную длину принимают расстояние от узлового болта до первого болта в пластине. С целью уменьшения расчетной длины для наконечников их стягивают дополнительно болтом, который ставят у торца деревянного раскоса.

Узловой болт рассчитывают на изгиб и срез по действию равнодействующих усилий в раскосах.