| |
Схема стальных стропильных ферм выбирается в зависимости от пролёта фермы, расположения чердачного перекрытия и уклона кровли (рис. 168).
При уклоне кровли в 22 - 30° (железо, этернит, шифер и т. д.) наиболее экономичны треугольные фермы, которые при уклоне кровли в 22°, т. е. при высоте их в 1/5 l(l - пролёт), имеют минимальный вес Ч Кроме того, при треугольных фермах высота наружных стен, в пределах чердака у опор ферм, может быть минимальной, так как высота ферм у опор теоретически равна нулю. Для треугольных ферм пролётом в 14 - 20 м наиболее рациональна решётка с нисходящими раскосами (фиг. 1), которая имеет минимальную суммарную длину раскосов и стоек и потому минимальный вес.
Число панелей в ферме назначают так, чтобы длина панели верхнего пояса была 1,5 - 2,5 м. С точки зрения стандартизации связей весьма желательно иметь чётное число панелей в каждой половине фермы, поэтому для пролётов в 14 - 20 м обычно назначают 8 панелей (фиг. 1).
При пролетах в 20 м и более длина сжатых раскосов в средних панелях настолько увеличивается, что сечение их приходится значительно утяжелять из-за продольного изгиба.
Поэтому для пролётов в 20 - 35 м вместо простой решётки применяют ферму Полонсо, которая представляет собой комбинацию двух треугольных ферм, соединённых затяжкой, благодаря чему длинные сжатые раскосы отсутствуют (фиг. 2).
В таких фермах верхний пояс разбивают на 12 - 16 панелей. Длину панелей назначают от 2,0 до 2,75 м.
При наличии подвесного потолка затяжка А - Б, имеющая длину 8 - 12 м (4 - б панелей), должна быть подвешена к узлам верхнего пояса, как это показано на фиг. 2.
При уклонах в 15 - 22° высота треугольной фермы по середине пролёта получается около 1/7 l пролёта. Для того чтобы увеличить высоту ферм, их делают с ломаным (пониженным) нижним поясом, доводя таким способом высоту фермы до 0,16 - 0,23 l (рис. 168, фиг. 9). Вес таких ферм на 25 - 30% меньше веса треугольных ферм высотой 1/7 l. Кроме того, упрощаются опорные узлы. Всё это с избытком компенсирует некоторое усложнение изготовления этих ферм, вследствие наличия двух переломов в нижнем поясе, и незначительное увеличение высоты стен чердака. Такие фермы с 8 панелями применяют для пролётов ш 14,0 - 20,0 м.
Для пролётов более 20 м аналогично может быть запроектирована ферма Полоне о с ломаным нижним поясом (фиг. 10).
При уклонах в б - 10° применяют трапециевидные фермы (фиг. 11). Такие фермы имеют минимальный вес при высоте по середине пролета в 1/7 - 1/9 l (пролёта).
При отсутствии подвесного потолка наиболее рациональна простая треугольная решётка, имеющая минимум длины (фиг. 11, сплошные линии). Число панелей по верхнему поясу устанавливается из тех же соображений, что и для треугольных ферм. Фермы этого типа требуют довольно значительной высоты стен чердака у опор (фиг. 11, справа). Этого можно избегнуть, запроектировав кровлю с переломом у опор (фиг. 11, слева).
Если к нижнему поясу подвешивается потолок, то длина панелей нижнего пояса должна быть 1,5 - 2,5 м, т. е. равна длине панелей верхнего пояса. В этом случае в треугольной решетке приходится ставить дополнительные стойки-подвески (фиг. 11, пунктир).
Поэтому здесь более рациональна раскосная решётка (фиг. 12), в которой на сжатие работают только сравнительно короткие стойки, менее подверженные продольному изгибу.
При необходимости перекрыть помещение с потолком криволинейного очертания, середина которого поднята относительно опор ферм, прибегают к одной из разновидностей фермы Полонсо.
При уклоне кровли 30 - 40° в ферме (рис. 168, фиг. 3) делают повышенную затяжку. Такая схема весьма удобна при необходимости устройства верхнего света (на фиг. 3 фонарь показан пунктиром). В этом случае к узлам фермы А и Б подвешивается остеклённая панель, почти незатенённая элементами фермы.
При уклоне кровли в 22 - 30° рациональна ферма, приведённая на фиг. 4, имеющая наклоненный книзу стержень нижнего пояса в первой панели. Таким путём увеличен угол между верхним и нижним поясами, что приводит к уменьшению в них усилий и упрощению опорного узла.
При значительном подъёме потолка относительно опор фермы проектируют фермы многоугольного типа с поднятым нижним поясом (фиг. 5 и 6); высоту таких ферм по середине пролёта принимают в 1/6 - 1/7 l. Кровлю в этих случаях часто делают прямолинейной (фиг. 6), что приводит, однако, к увеличению высоты стен. Чтобы избегнуть этого, в кровле может быть сделан перелом в виде мансарды (фиг. 5).
Односкатная кровля по фермам может быть решена одним из следующих приёмов:
1) при небольших уклонах кровли в 6 - 10° (фиг. 13) ферму делают несимметричной, вписывающейся в габарит кровли;
2) при больших уклонах такая конструкция приводит к чрезмерному увеличению длины решётки и увеличению веса фермы. В этих случаях более рационально запроектировать симметричную ферму, а кровлю опереть на неё с помощью специальных стоек (фиг. 9, пунктир); эти стойки во многих случаях могут быть выполнены из дерева.
Все рассмотренные фермы имеют решётку в виде замкнутых треугольников и потому обладают геометрической неизменяемостью. Вследствие этого можно считать, что стержни в узлах соединены шарнирами и работают только на продольную силу.
В последнее время, в связи с развитием сварки, в строительной практике получают применение конструкции, геометрическая неизменяемость которых обеспечивается только жёсткостью узлов (рис. 168, фиг. 7, 8 и 14). Стержни таких ферм работают на продольную силу и на изгибающий момент. Достоинством их являются простота узлов и возможность опирания прогонов в любом месте верхнего пояса, а не только в узлах, без утяжеления фермы. К числу рациональных конструкций этого типа относятся:
1) безраскосные фермы с прямым нижним поясом (фиг. 8), имеющие очертания, аналогичные рассмотренным выше трапециевидным фермам, но в решётке
которых отсутствуют раскосы. Вследствие наличия в элементах такой фермы значительных изгибающих моментов, она, как правило, на 10 - 15% тяжелее фермы с раскосной решёткой. Поэтому применение её ограничивается случаями, когда фермы остаются внутри помещения открытыми и нижний пояс по архитектурным соображениям необходим без изломов;
2) безраскосные фермы с ломаным нижним поясом (фиг. 7) могут быть запроектированы весьма экономично, с затратой металла на 15 - 20% менее, чем фермы с раскосной решеткой. При условии применения сварки эти фермы могут быть рекомендованы для широкого применения;
3) при небольших пролётах (до 20 м) рационально применение фермы в виде жёсткого ригеля с затяжкой (фиг. 14); такая ферма представляет собой балку из прокатного профиля I № 16 - 22 с приваренной к нему на подвесках затяжкой из двух стержней диаметром 16 - 25 мм.
Как уже указывалось, устойчивость ферм должна быть обеспечена специальными связями. При расположении связей следует различать два принципиально различных случая опирания ферм:
1) на массивные каменные стены;
2) на колонны стального или железобетонного каркаса.
При наличии каменных стен, жёстко распёртых примыкающими к ним поперечными стенами, если при этом число ферм невелико (4 - 5 между стенами), вполне достаточной связью между фермами служат прогоны, тщательно заанке-ренные в торцовые стены. При большем числе ферм между ними должны быть поставлены специальные связи. При этом различают: вертикальные связи и связи по верхнему поясу.
Вертикальные связи должны обеспечить фермам устойчивость против опрокидывания при монтаже и при действии ветра на торцы здания. Эти связи ставят обычно во всем покрытии только в двух местах, соединяя ими попарна фермы А и С, ближайшие к обеим торцовым стенам (рис. 169, фиг. 1, план). Вертикальные связи располагают по средней стойке ферм (рис. 169, фиг. 1, разрез 1 - 7) или по двум боковым стойкам симметрично относительно оси пролета. Схема связей выбирается в зависимости от отношения пролёта b между фермами к высоте h фермы связей.
При b/h < 2 связь делают однопанельной (рис. 169, фиг. 2), при 2 < b/h <4- двухпанельной (фиг. 1) и при b/h > 4 - трёхпанельной (фиг. 1). Горизонтальные элементы связей проектируют из парных уголков, раскосы - из одиночных уголков от 60 х 60 мм до 80 х 80 мм (рис. 169, фиг. 6).
Фермы, не связанные вертикальными связями, соединяют по нижнему поясу распорками из парных уголков (фиг. 1 и 6).
Связи по верхнему поясу в плоскости ската кровли должны обеспечить устойчивость верхнего пояса против продольного изгиба, поэтому эти связи являются наиболее существенными для работы всего перекрытия. Их располагают в тех же пролётах (АС), что и вертикальные связи (рис. 169, фиг. 1, план). В состав их входят: прогоны, верхние пояса главных ферм и специальные раскосы из уголков. В совокупности эти элементы должны образовать геометрически неизменяемую ферму BDEF, непрерывную по всей длине верхнего пояса.
Наиболее простой и рациональной схемой связей по верхнему поясу являются перекрестные раскосы, связывающие верхний пояс ферм не в каждом узле, а через один (фиг. 1 и 5). При расчёте верхнего пояса на продольный изгиб считают, что неподвижными точками являются только те узлы верхнего пояса, которые совпадают с узлами связей, т. е. вводят в расчёт двойную длину панели. Конструкция верхних связей показана на фиг. 5.
В зданиях со стальным каркас ом связи должны не только обеспечивать устойчивость ферм, но и надёжно связывать по верху колонны каркаса. Поэтому, кроме вертикальных связей в пролёте и связей по верхнему поясу, устройство которых принципиально не отличается от описанных выше, в зданиях с каркасом добавляют ещё:
1) вертикальные связи по верху колонн, которые конструктивно не отличаются от описанных выше вертикальных связей, но должны быть поставлены по всему периметру помещения, перекрываемого фермами (фиг. 1, разрез 1- 1, справа);
2) горизонтальные связи по нижнему поясу ферм, назначение которых - обеспечить неизменяемость каркаса в горизонтальной плоскости.
Эти связи в плане должны образовать геометрически неизменяемые фермы KL, MN (рис. 169, фиг. 1, справа) по продольным стенам и XY, ZN по торцовым стенам. Связи по нижнему поясу не отличаются по конструкции от связей по верхнему поясу; только ввиду отсутствия прогонов в направлении, перпендикулярном фермам, необходимы специальные распорки КМ из парных уголков.
Элементы ферм, как правило, выполняются из парных профилей (рис. 170, фиг. 1). Это позволяет осуществить сопряжение их в узлах с помощью так называемых фасонок или косынок - стальных листов, к которым каждый элемент фермы прикрепляется способом заклёпок или сварки. Применение сварки позволяет всегда заметно уменьшить вес стропильных ферм. Сечение элементов, количество заклёпок, длина сварных швов определяются расчётом на прочность и зависят от действующих в элементах усилий нагрузки на ферму и от её пролёта.
Верхний пояс выполняют обычно в виде таврового сечения из двух неравнобоких уголков размером от 100 х 75 мм до 200 х 120 мм, составленных узкими полками (рис. 170, фиг. 1а), нижний пояс - из равнобоких уголков размером от 65 х 65 мм до 150 х 150 мм (фиг. 16), но могут применяться и неравнобокие уголки. В тех случаях, когда пояса несут нагрузку в пределах панели и потому изгибаются, их делают из парных швеллеров №№ 14 - 22 (фиг. 16).
Элементы решётки конструируют обычно таврового или крестообразного сечения (рис. 170, фиг. 1д и е) из равнобоких уголков размером от 60 х 60 мм, до 80 х 80 мм. Для упрощения производства работ желательно, чтобы все элементы фермы были подобраны не более чем из 5 - 6 различных профилей.
Пояса сварных ферм могут быть также изготовлены из тавров с высокой стенкой (рис. 170, фиг. 1г). В этом случае узлы ферм конструируются весьма просто без фасонок путём приварки раскосов непосредственно к стенке тавра (деталь 8). Применение в фермах тавров с высокой стенкой будет в будущем расширяться по мере того, как промышленность освоит и увеличит выпуск тавров достаточно мощного сечения.
Пояса ферм имеют, как правило, длину, значительно превышающую максимальную длину прокатных профилей (12 - 15 м). Кроме того, на заводе нецелесообразно изготовлять целиком фермы длиной в 20 - 30 м, которые было бы неудобно транспортировать к месту постройки. Поэтому фермы большей частью изготовляют из двух половин, устраивая в поясах по середине пролёта стыки.
Правильное размещение стыков весьма существенно для простоты изготовления и монтажа фермы. Большей частью стыки совмещают с основными узлами фермы и располагают в верхнем и нижнем поясах на одной вертикали. На рис. 170, деталь 2 изображён клёпаный коньковый узел фермы, представленной на рис. 168, фиг. 10. Стык верхнего пояса осуществлён с помощью двух накладок из выгнутых уголков того же профиля, что и пояс ферм, средняя стойка прикреплена к фасонке.
На рис. 170 (деталь 6) изображён аналогичный узел, невыполненный в сварке. При применении сварки стык с уголковыми накладками менее рационален, так как сварку обушков (фиг. 1) уголка осуществить невозможно. Поэтому сварные стыки верхнего пояса (особенно при больших уклонах кровли) часто делают с накладками из листового и полосового железа (деталь 10). Кроме верхнего пояса и стойки, в рассматриваемом узле сходятся еще два подкоса, также прикреплённые к фасонке.
Для того чтобы в стержнях ферм не возникали дополнительные напряжения от изгиба, оси всех стержней в узле должны сходиться в одной точке или, как говорят, центрироваться (показано пунктиром). Стержни сварных ферм центрируются по центрам тяжести элементов, а стержни клёпаных ферм - по линиям размещения заклёпок, называемых рисками.
На детали 4 изображён клёпаный стык нижнего пояса, расположенный по середине пролёта, со стойкой крестообразного сечения. Стык образован накладками из уголкового железа.
Промежуточные узлы конструируются аналогично. На детали 3 приведён клёпаный промежуточный узел верхнего пояса, а на детали 7 - аналогичный сварной узел. Этот узел отличается от предыдущего ещё тем, что к нему подходит более мощный опорный раскос, передающий нагрузку на опору (рис. 168, деталь 7). Поэтому соответственно увеличена мощность узла.
На рис. 170 (деталь 12) изображён узел нижнего пояса фермы Полонсо (рис. 168, фиг. 3). В таких узлах стык уголков делают не в месте перехода нижнего пояса в главный восходящий раскос, а выносят его несколько вверх по раскосу.
Для выявления преимуществ, какие дают тавры в сварных фермах, на рис. 170 (деталь 8) приведён узел нижнего пояса таврового сечения.
На рис. 170 (деталь 11) приведён узел безраскосной фермы с сечениями из швеллеров (рис. 168, фиг. 7). Бесспорным преимуществом таких ферм является простота узлов; это легко видеть при сравнении этого узла с рассмотренными выше узлами раскосных ферм.
Весьма ответственными и конструктивно сложными являются так называемые опорные узлы, передающие нагрузку от ферм на опоры. Следует различать два принципиально различных случая опирания ферм:
1) на каменные стены и
2) на стойки каркаса.
При опирании подушки на каменную кладку назначение опорного узла заключается в распределении нагрузки на достаточно большую площадь кладки, чтобы напряжения в ней в месте опирания фермы не превышали допускаемых. Для этого к опорному узлу снизу приваривается или приклёпывается (рис. 170, деталь 5) плоская стальная плита, а на кладке под плитой устраивается бетонная подушка толщиной в 30 - 35 см. Жёсткость опорного узла обеспечивается короткими стойками (А) из уголков (в клёпаных узлах) или листов (в сварных узлах).
Такие опоры, называемые плоскими, не допускают свободного перемещения конца фермы относительно стены. С точки зрения статики плоской может быть только одна опора, так как под влиянием внешней нагрузки и температуры фермы удлиняются и укорачиваются, и потому вторая опора должна допускать свободное перемещение конца фермы относительно стен. Однако практически перемещение опор оказывается незначительным, и потому наши нормы разрешают для ферм пролётом до 15 м 2 обе опоры делать плоскими.
При пролётах в 15 - 30 м, согласно нормам, должны устраиваться так называемые тангенциальные опоры (рис. 170, деталь 9), представляющие собою стальные подушки со сферической поверхностью. Одна из опор фермы закрепляется анкером, а другая может скользить по такой подушке. Для пролётов свыше 30 м рекомендуется применение Катковых опор (деталь 13).
В тех случаях, когда фермы устанавливаются в здании с каркасом, они большей частью должны обеспечить связь между головами колонн, на которые они опираются. Такие опоры могут конструироваться с помощью стальной подушки, устанавливаемой на голову колонны. На такую подушку ферма опирается с помощью узлов, аналогичных рассмотренным.
На рис. 169, фиг. 4 приведены две конструкции опирания ферм на колонну. На фиг. 4 А нижний опорный узел с помощью уголков жёстко приклёпан к колонне, которая в месте примыкания усилена двумя накладками; верхний пояс фермы протянут над колонной и склёпан с её вертикальной стенкой. Такой узел обладает большой жёсткостью и обеспечивает связь колонн между собой. На фиг. 4 В нагрузка от фермы передаётся на колонну с помощью опорной стойки Я из четырех уголков, в которую вклёпана опорная фасонка фермы. Такой узел обладает незначительной жёсткостью и может применяться лишь при наличии по нижнему поясу ферм связей, обеспечивающих связь между колоннами.
При выборе конструкции для крыш и потолков необходимо различать два принципиально различных случая:
1) устройство тёплой кровли по верхнему поясу фермы с оставлением фермы снизу открытой;
2) устройство тёплого подвесного потолка и холодной кровли.
Устройство теплой кровли из рулонных материалов, при сравнительно небольших уклонах (б - 12°), в настоящее время чаще всего осуществляется так, как это показано на рис. 171 (фиг. 1 и 2). Несущим элементом являются сборные железобетонные ребристые плитки, укладываемые по стальным прогонам. Такие плитки изготовляются в настоящее время на заводах. По плиткам укладываются утепляющий слой шлака или пенобетона и цементная корка и наклеивается рубероидный ковер.
В кровлях этого типа отвод воды часто делают внутренним. Для образования лотка, отводящего воду к воронке, плитки у стен укладываются ниже остальных (рис. 171, фиг. 1).
Недостатком этой конструкции является её довольно большой вес. С этой точки зрения более рациональны штампованные металлические настилы, применяемые за границей, а в последнее время получившие применение и у нас. На фиг. 3 показана деталь такой кровли. По настилу уложен эффективный плитный утеплитель «целотекс», по которому непосредственно наклеен рубероид. Такая кровля весит всего только 45 кг/м2, т. е. в шесть раз легче предыдущей (270 кг/м2), что позволяет существенно облегчить и фермы. Недостатком кровель этого типа является повышенная затрата металла.
При необходимости получить гладкую поверхность потолка без выступающих прогонов рационально применить пустотелые блоки (фиг. 4) - керамические, гипсовые и т. п., укладываемые по нижней полке прогонов. Для облегчения укладки блоков в этом случае прогоны рационально проектировать из углотавров (фиг. 4).
Теплая кровля на деревянной основе может быть осуществлена так, как это показано на рис. 171, фиг. 5. Деревянные спаренные прогоны («равнопрогибные») уложены на специальные выгнутые из полосового железа подставки, позволяющие установить прогоны вертикально. По прогонам уложены стропила, к которым снизу подшиты щиты из фанеры с приклеенным к ней на гудроне (пароизолятор) плитным утеплителем. По стропилам сделана обрешётка, по которой может быть настлана кровля из железа, этернита и т. д.
Холодная кровля на деревянной основе, выполненная по тому же типу, показана на рис. 171 (фиг. 6, деталь А). В тех случаях, когда кровельный материал может быть уложен на сплошную опалубку, стропил можно не делать, а следует уложить опалубку непосредственно по прогонам (фиг. 6). Ещё проще устройство кровли из волнистого железа, которое может быть уложено по прогонам, как это показано на фиг. 8 (деталь Б).
Подвесной потолок может быть выполнен из деревянного наката (фиг. б), сборных железобетонных или гипсовых плиток (фиг. 8), пустотелых камней или из штукатурки по сетке (фиг. 9). Для укрепления потолка к фермам под нижним поясом их подвешиваются прогоны из двутавров или швеллеров.
Если расстояние между нижним поясом и прогоном невелико (20 - 40 см), то подвеску рроще всего осуществить путём выпуска вниз фасонок в узлах нижнего пояса (фиг. 6 и 7, деталь а и б). При большой длине подвесок их выполняют из уголков (фиг. 8) или из тяжей с муфтами (фиг. 9).
При необходимости поставить прогоны не вертикально, их в этом положении прикрепляют к подвеске, изменяя соответственно форму фасонки (фиг. 7). Подвеска в этом случае должна быть жёсткой.
