Опирание фермы на металлическую колонну. Конструирование и расчет узлов легких ферм. Стык поясов с помощью листовых накладок

СТАЛЬНОЙКАРКАСОДНОЭТАЖНЫХЗДАНИЙ - ЧАСТЬ 3

Опирание колонны на подколонник бетонного фундамента, крайней надопорной стойки и стро­пильной фермы - на оголовок крайней колонны, средней надопорной стойки со стропильной и под­стропильной фермой - на оголовок средней колон­ны, подкрановой балки - на консоль рядовой или крайней колонны, рядовых и ендовных прогонов - на стропильные фермы охарактеризовано при опи­сании соответствующих конструкций. Ниже даются краткие пояснения, сопоставляющие и обобщаю­щие принципы конструирования основных узлов стального каркаса.

При опирании колонн на бетонный фундамент предусматривается подливка опорной плиты це­ментным раствором марки 400. Она компенсирует возможные неточности при бетонировании обреза фундамента и обеспечивает полное примыкание к нему опорной плиты. В траверсах предусматрива­ются отверстия для стока дождевой воды, попада ющей на опорную плиту при монтаже здания.

Передача нагрузок на колонну от разрезных подкрановых балок, стропильных и подстропиль­ных ферм происходит в расчетных плоскостях через приторцованные опорные ребра, положение кото­рых фиксируется установочными болтами.

В ряде случаев (крепление верхнего пояса раз­резных подкрановых балок к шейке колонны, на­веска стеновых панелей и тому подобное) крепеж­ные элементы допускают некоторое смещение кон­струкций, происходящее от воздействия временных или постоянных нагрузок.

В месте восприятия сосредоточенных усилий сечения элементов колонн и ферм усиливаются до­полнительными ребрами и накладками. Большинство соединений выполняется на черных болтах с последующей монтажной сваркой.

Крепление прогонов к верхнему поясу стропиль­ной фермы фиксируется опорными коротышами из уголков.

Стальные стропильные фермы с уклоном верх­него пояса 1: 3,5 предназначены для перекрытия однопролетных бесфонарных, неотапливаемых складских помещений с кровлей из волнистых ас-бестоцементных листов. Склады оборудуются под­весными однобалочными кранами грузоподъемно­стью до 5 т или опорными кранами грузоподъем­ностью до 30 т. Фермы треугольного очертания с горизонталь­ным нижним поясом пролетом 18; 24; 30 и 36 м выполняются в соответствии с длиной кровельных волнистых асбестоцементных листов с узловой пе­редачей нагрузки через 1,25 м. Нагрузка переда­ется расположенными по верхнему поясу стальны­ми прогонами, к которым крепятся кровельные листы.

Стержни фермы и прогоны изготовляются из горячекатаных профилей стали марки «сталь 3», распорки на опорах стропильных ферм - из сталь­ного облегченного гнутого профиля по ГОСТ 8278-75. При использовании в прогонах облегчен­ных профилей взамен горячекатаных достигается экономия стали около 3 кг на 1 м 2 покрытия.

Заводские и монтажные узлы треугольных ферм, за исключением опорного, аналогичны опи­санным выше полигональным фермам. Опорный узел предусматривает различные варианты привяз­ки колонн. При больших нагрузках узловая фасонка опорного узла увеличивается в пределах край­ней панели и усиливается наклонными ребрами. Ферма опирается строганой поверхностью опор­ного ребра на стальной оголовок колонны и закреп­ляется на нем посредством болтов и монтажной сварки. В зданиях с опорными или подвесными кранами нижние пояса ферм развязываются связями так же, как и в зданиях с тяжелым режимом работы.

Стальные стропильные фермы полигонального очертания из электросварных труб запроектирова­ны в типовом исполнении для пролетов 18, 24 и 30 м. Высота на опоре в осях стержней у ферм всех указанных пролетов 2,9 м. Нижний пояс го­ризонтален, верхний имеет уклон 1,5%. Проекция длины панели (расстояния между узлами) по верхнему поясу 3 м. Незначительный эксцентриси­тет решетки предусмотрен для удобного сочленения труб в бесфасоночных узлах. Номинальная длина стропильных ферм на 400 мм менее пролета зда­ния. Крайние панели укорочены на 200 мм для размещения надопорных стоек. В местах подвески кранов решетка усиливается дополнительными стержнями в виде обоймы из двух швеллеров.

Лист2.12,Связипостальнымколоннам

Фермы пролетом 18 м поставляются одной от­правочной маркой; фермы пролетом 24 и 30 м - двумя отправочными марками с монтажным сты­ком по оси симметрии.

Надопорные стойки имеют высоту сечения: крайние 200 мм + привязка, средние 2X200 мм, Они конструируются из двутавров соответствующе­го профиля. Высота надопорных стоек складывает­ся из высоты ферм 2900 мм, высоты подъема оси нижнего пояса над оголовком колонны 280 мм и высоты подъема плоскости опирания прогонов над осью верхнего пояса ферм 120 и 200 мм соответ­ственно при диаметрах труб верхнего пояса до 127 мм и более. Отсюда полная высота надопор­ных стоек 3300 или 3380 мм. Плоскость опирания прогонов фиксируется опорными столиками, раз­мещенными в узлах стропильных ферм.

Подстропильные фермы треугольного очерта­ния крепятся непосредственно к стенкам двутав­ров средних надопорных стоек. Отсюда их номи­нальная длина на 10 мм менее шага колонн. Сред­ние стойки подстропильных ферм выполнены из прокатного двутавра с подвеской в виде сварного двутавра. Для опирания стропильных ферм на отметке верха колонн эта подвеска снабжена дву­мя столиками.

Сопряжение ригеля с колонной может решаться как опиранием сверху, так и примыканием сбоку. Опирание сверху может быть только шарнирным (рис. 7.17). От фермы на опорную плиту вертикальной несущей конструкции здания передается только вертикальное усилие. Опирание ферм сверху может производиться на стены, железобетонные и металлические колонны. Для удобства монтажа узла и сварки расстояние между нижним поясом и опорной плитой принимают не менее 150 мм.

Сварные швы крепления фасонки и стойки к опорной плите оголовка колонны рассчитывают на опорную реакцию F r Опорная плита колонны работает на поперечный изгиб пластины опорами которой

Рис. 7.16.

Рис. 7.17.

а) на крайнюю колонну: 1- надколонник; 2 - нижний пояс фермы; 3 - оголовок колонны; б) опирание двух ферм на среднюю колонну

являются фасонка и опорная стойка, а усилием реактивный отпор (давление) опоры. Поэтому толщина плиты проверяется на изгиб. Обычно толщина плиты принимается равной 20-25 мм, что обеспечивает ее прочность.

Опорный узел с примыканием фермы к колонне сбоку (рис. 7.18) предусматривает как шарнирное (рис. 7.186), так и жесткое сопряжение (рис. 7.18в) фермы с колонной. При шарнирном сопряжении верхний пояс через фасонку крепится к опорному фланцу, который соединяется с колонной болтами и может совершать некоторое перемещение в горизонтальном направлении. Возможность перемещения верхнего пояса появляется, например, когда он прикреплен болтами, а диаметр отверстий на 5-6 мм больше диаметров болтов (рис. 7.186). В однопролетной раме более целесообразно жесткое сопряжение, так как оно уменьшает горизонтальные перемещения каркаса.

Жесткое сопряжение не позволяет верхнему поясу совершать перемещения. Этого можно достичь, например, приварив к верхнему поясу и колонне металлическую пластинку - так называемую рыбку (см. рис. 7.18в).

Расчет узла крепления нижнего пояса производится на расчетные усилия (рис. 7.18г): вертикальную реакцию (Рф = сумма опорных реакций от постоянной и снеговой нагрузок) и горизонтальную реакцию (Я р = сумма продольных усилий от распора рамы и рамных моментов).

Вертикальная реакция передается через строганный торец опорного ребра (фланец). С опорного ребра вертикальная реакция передается на опорный столик. Чтобы болты, прикрепляющие опорный фланец (опорное ребро) к колонне, не могли воспринять опорную реакцию в случае неплотного опирания фланца на опорный столик, предусматривают отверстия для болтов на 3-4 мм больше их диаметра. Ширина опорного ребра фермы b h принимается на 4-6 см меньше ширины полки верхней части колонны, толщина ребра предварительно принимаются t h = 3,0 см. Опорное ребро проверяется на выполнение условия прочности на смятие торцевой поверхности:

Сварные швы крепления фланца к фасонке работают на срез в двух направлениях, воспринимая вертикальную реакцию Сф и внецентренно приложенное горизонтальное усилие Я р, а также воспринимают изгибающий момент, возникающий от внецентренного приложения усилия Я р (, где е - эксцентриситет приложения горизонтального

Прочность этих швов проверяется в точке действия наибольших результирующих напряжений (точка А на рис. 7.18г) по формуле:

- напряжения от действия вертикального усилия V;

- от действия центрально приложенного горизонтального усилия Н;

От действия изгибающего момента при внецентренном приложении усилия Я.

Прочность фасонки также необходимо проверить на срез по условию: где площадь среза фасонки:

Толщина опорного столика назначается не менее чем на 10 мм больше толщины фланца. Высота опорного столика /?/определяется из условия работы сварных швов его крепления к колонне на срез.

где коэффициент 1,2 учитывает возможную неравномерность передачи опорной реакции V в случае неплотного опирания фланца на опорный столик.

Ширина опорного столика назначается конструктивно, на 2-4 см больше ширины опорного фланца фермы.

При шарнирном сопряжении ригеля с колонной расчет верхнего узла можно не проводить и ограничиться лишь конструктивными соображениями.

При жестком сопряжении ригеля с колонной необходимо проводить расчет верхнего опорного узла фермы на действие усилия P i от рамного момент (рис. 7.18а). Если опорный фланец выполнен достаточно тонким, а расстояние между болтами по горизонтали весьма большое (Ь 0 = 160-200 мм), то возможен изгиб фланца и перемещение верхнего пояса. Такое сопряжение является шарнирным. Если предусмотреть опорный фланец большой толщины, а болты затягивать с контролируемым усилием натяжения (на высокопрочных болтах), то перемещение верхнего пояса будет ограничено, и соединение можно считать жестким.

При конструктивном решении на высокопрочных болтах (7.18а) размеры фланца определяются из условия его работы на изгиб:

где - максимальный изгибающий момент.

Линия действия усилия проходит через центр фланца, поэтому усилия во всех соединительных болтах будут одинаковыми. Тогда требуемое число болтов:

где - несущая способность одного болта на растяжение.

Требуемая величина катета сварных швов крепления фланца к фасонке:

где l w - расчетная длина сварного шва принимается равной высоте фланца минус 1 см:

При конструктивном решении жесткого сопряжении фермы с колонной с помощью металлической пластинки (рис. 7.18в) конструктивно назначается ширина рыбки Ь г а необходимая толщина рыбки определяется по условию прочности:

Необходимая длина сварного шва, крепления пластины (рыбки) к колонне и к поясу фермы определяется по условию прочности:

Фермы пролетом 18-36 м разбиваются на два отправочных элемента с укрупнительными стыками в средних узлах.

При конструировании ферм покрытий предусматривается строительный подъем, равный прогибу от постоянной и длительной временной нагрузок. При плоских кровлях строительный подъем предусматривается принимается равным прогибу от суммарной нормативной нагрузки плюс пролета.

Общие требования к конструированию . Конструирование ферм начинается с вычерчивания осевых линий, образующих геометрическую схему конструкции, в соответствии с конфигурацией фермы и ее основными размерами. Сходящиеся в узлах осевые линии элементов должны пересекаться в центре узла.

На осевые линии наносятся контуры стержней, которые привязываются к осям по центрам тяжести сечения, при этом в сварных фермах расстояние от центра тяжести до обушка (привязка) округляется в большую сторону до целого числа, кратного 5 мм. В фермах с болтовыми соединениями уголки привязываются к осям по рискам, ближайшим к обушку.

Когда сечение пояса по длине фермы меняется, в геометрической схеме принимается одна осевая линия, при этом верхняя грань пояса сохраняется на одном уровне для удобства опирания примыкающих элементов. Смещение осей поясов ферм при изменении сечения допускается не учитывать, если оно не превышает 1,5% меньшей высоты сечения пояса.

Фасонки, с помощью которых образуются узлы ферм, принимаются простого очертания, чтобы упростить их изготовление и уменьшить количество обрезков.

Фасонки выпускаются за обушки поясных уголков на 15 – 20 мм для возможности наложения сварных швов. В местах установки прогонов, прикрепленных к уголковым коротышам, и в местах усиления пояса накладками при опирании железобетонных плит на верхний пояс фасонку не доводят (утапливают) до обушка уголков на 10 – 15 мм.

Порядок конструирования и расчета узлов стропильных ферм следующий

1) провести осевые линии элементов так, чтобы они сходились в центре узла;

2) к осевым линиям «привязать» поясные уголки. Для этого определить по сортаменту размер Z o от центра тяжести уголка до обушка и округлить его по правилу округления до 5 мм, получив тем самым расстояние от обушка уголка до осевой линии. Таким же образом нанести контурные линии стержней решетки. Рассто­яние между краями элементов решетки и пояса в узлах (а) следу­ет принимать равным 6t - 20 мм, но не более 80 мм (здесь t _ толщина фасонки, мм);

Конструкция опорных узлов ферм зависит от способа сопряжения фермы с колонной.

При шарнирном сопряжении наиболее простым является узел опирания фермы на колонну сверху с использованием дополнительной стойки (надколонника). При таком решении возможно опирание ферм как на металлическую, так и на железобетонную колонну. Аналогично решается и узел опирания стропильной фермы на подстропильную.

При жестком сопряжении стропильная ферма примыкает обычно к колонне сбоку.

Опорное давление F ф передается на опорный столик. Опорный столик делают из листа t=30...40 мм при небольшом опорном давлении (F ф < ф. Опорный фланец крепят к полке колонны на болтах грубой или нормальной точности, которые ставят в отверстия на 3-4 мм больше диаметра болтов, чтобы они не могли воспринять опорную реакцию фермы в случае неплотного опирания фланца на опорный столик.

.


^ Рис. 38. Опорные узлы ферм:1 – ребро жесткости; 2 – опорная стойка; 3 – ребро с овальными отверстиями;4 – ребро для крепления вертикальной связи; 5 – шайба
Сварные швы, крепящие опорное ребро к фасонке узла, рас­считываются на передачу опорной реакции фермы:
, (30)
где l w - расчетная длина сварного шва, равная высоте фасонки за вычетом 1 см.
Для фиксации положения узла на колонне опорное ребро соединяется болтами нормальной точности с опорной стойкой, ко­торая в свою очередь крепится болтами, а затем приваривается к оголовку колонны. С опорной стойкой через специальное ребро с овальными отверстиями соединяется болтами и фасонка верх­него узла фермы. Овальные отверстия допускают перемещение верхнего узла фермы относительно опорной стойки и тем самым обеспечивают свободное опирание фермы, т. е. без появления опорного момента. К ребрам опорной стойки крепятся также вер­тикальные связи.

e=M/N, где: М - величина опорного момента в панели пояса от ее пролетного загружения; N - усилие в колонне.

Наиболее рациональной областью применения полезной модели являются покрытия однопролетных зданий, изготавливаемых из прямоугольных замкнутых и прокатных профилей пролетами до 24 и более метров. Ил.2.

Полезная модель относится к строительству и касается узла опирания фермы с нисходящими раскосами на колонну.

Известен узел опирания фермы на колонну, содержащий трубчатый пояс и нисходящий раскос фермы и колонну с оголовком, в котором опорный узел фермы и колонны выполнены на фасонках (см. Металлические конструкции. Стройиздат. Москва 1973, стр.286, рис.18.26 б)).

Недостатком решения является необходимость и трудоемкость изготовления двух узлов.

Прототипом полезной модели является узел опирания фермы на колонну, содержащий ферму с нисходящими раскосами и наклонным поясом, выполненным из квадратных или прямоугольных профилей и колонну с жестко присоединенным к колонне оголовком, на который оперта через центрирующую прокладку ферма (см. Справочник проектировщика. Москва, Стройиздат 1980, стр.270, рис.15.18).

В таком решении нисходящий раскос выполнен из квадратной трубы, который препятствует выполнению опирания колонны на узел фермы и опорный узел приходится расчленять на два узла (на узел для фермы и узел для колонны), что приводит к трудоемкости выполнения общего узла решения рамы (узла опирания фермы на колонну).

Полезная модель направлена на упрощение изготовления опорного узла фермы с колонной и самой фермы.

Цель достигается тем, что в узле опирания фермы на колонну, содержащем ферму с нисходящими раскосами и наклонным поясом, выполненным из квадратных или прямоугольных профилей и колонну с жестко присоединенным к колонне оголовком, на который оперта через центрирующую прокладку ферма, согласно полезной модели, нисходящий раскос и подобные стержни фермы выполнены из двух швеллеров или уголков, прикрепленных стенками или полками профилей внахлест к поясам фермы, а оголовок колонны выполнен из двух отрезков швеллеров, ориентированных полками друг к другу и параллельных верхнему поясу фермы, при этом он размещен между нисходящими раскосами, уперт в верхний пояс фермы и прикреплен к нисходящим раскосам монтажными болтами.

Цель также достигается тем, что для ферм с загруженными поперек приопорными панелями, центр опорного узла фермы сдвинут наружу колонны на эксцентриситет равный

e=M/N, где: M - величина опорного момента в панели пояса от ее пролетного загружения: N - усилие в колонне.

Полезная модель поясняется чертежами, где: на фиг.1 - изображена схема фермы с поясом из квадратных или прямоугольных труб и нисходящими раскосами из двух швеллеров или уголковых профилей и колонн из прямоугольных или круглых труб; на фиг.2 - узел опирания фермы на колонну.

Узел опирания фермы 1 на колонну 2, например, из прямоугольных (фиг. 1) или круглых труб, содержит верний наклонный под углом «i» пояс 3 из квадратных или прямоугольных профилей. Нисходящие раскосы 4 фермы 1 и подобные стержни фермы (фиг.1) выполнены из двух параллельных швеллеров или уголков 4, прикрепленных стенками швеллеров или полками уголков внахлест к поясам 3 фермы 1 (фиг.2). Оголовок 5 колонны 2 выполнен из двух отрезков швеллеров 5, ориентированных полками друг к другу (сечение по 1-1) и параллельных верхнему поясу 3 фермы, при этом он размещен между нисходящими раскосами 4, уперт через центрирующую прокладку 6 в верхний пояс 3 фермы и прикреплен к нисходящим раскосам 4 монтажными болтами 7 (фиг.2).

Благодаря такому решению удается сократить количество узловых фасонок в опорном узле фермы и выполнить всю ферму за счет нахлеста стенок швеллеров и полок уголковых профилей, то есть снижается трудоемкость изготовления фермы, кроме того при монтаже ферма 1 насаживается на оголовок 5 колонны 2, что также упрощает монтаж фермы.

Для ферм с загруженными поперек приопорными панелями, (например, с опиранием профнастила на панель пояса или с опиранием на панель пояса прогона покрытия), центр 8 опорного узла фермы сдвинут наружу колонны на эксцентриситет равный

e=M/N, где: M - величина опорного момента в панели пояса от ее пролетного загружения; N - усилие в колонне.

Это позволяет уменьшить изгибные напряжения в приопорной панели, что полезно и определяется расчетом.

Наиболее рациональной областью применения полезной модели являются покрытия однопролетных зданий, изготавливаемых из прямоугольных замкнутых и прокатных профилей пролетами до 24 и более метров.

1. Узел опирания фермы на колонну, содержащий ферму с нисходящими раскосами и наклонным поясом, выполненным из квадратных или прямоугольных профилей, и колонну с жестко присоединенным к колонне оголовком, на который оперта через центрирующую прокладку ферма, отличающийся тем, что нисходящий раскос и подобные стержни фермы выполнены из двух швеллеров или уголков, прикрепленных стенками или полками профилей внахлест к поясам фермы, а оголовок колонны выполнен из двух отрезков швеллеров, ориентированных полками друг к другу и параллельных верхнему поясу фермы, при этом он размещен между нисходящими раскосами, уперт в верхний пояс фермы и прикреплен к нисходящим раскосам монтажными болтами.

2. Узел опирания фермы на колонну по п.1, отличающийся тем, что для ферм с загруженными поперек приопорными панелями центр опорного узла фермы сдвинут наружу колонны на эксцентриситет, равный e=M/N, где M - величина опорного момента в панели пояса от ее пролетного загружения; N - усилие в колонне.

Вследствие ограниченности длин проката, а также по транспортным условиям фермы больших пролетов (l > 18 м) приходится разбивать на отдельные отправочные элементы, назначая монтажные стыки, как правило, в середине пролета.

При конструировании стыков необходимо соблюдать основное правило стыкования: площадь сечения стыковых элементов должна быть не меньше площади сечения стыкуемых элементов. Стыки поясов ферм могут располагаться как в узлах, так и в панели. Расположение стыка пояса в узле более удобно, так как при этом часть фасонки используется в качестве стыкового элемента.

Простейшей конструкцией стыка является перекрытие поясных уголков стыковыми уголками того же профиля. На фигуре а показан сварной стык, а на фигуре б — клепаный стык нижнего пояса фермы. В сварном стыке полки стыкового уголка подрезают в целях избежания концентрации швов у перьев, а также для более равномерной передачи усилия.

Стык верхнего пояса, обычно устраиваемый в коньке фермы, можно осуществлять аналогично стыку нижнего пояса, перекрывая его гнутыми стыковыми уголками. На фигуре а показан такой стык, причем фасонка выпущена кверху для прикрепления фонарной конструкции. Этот стык, в котором по существу повторяется идея клепаных стыков, получил также и другое решение, показанное на фигуре б.

Здесь тавровое сечение фасонки полностью компенсирует сечение двух уголков. Желательно только размер h назначать с таким расчетом, чтобы центр тяжести тавровой фасонкй совпадал с осью поясных уголков; в случае несовпадения необходимо проверить фасонку не только на сжатие, но и на изгиб от момента, равного осевому усилию в поясе, умноженному на эксцентриситет е усилия относительно центра тяжести фасонки.

Для удобства наложения швов у обушков уголков пояса ширина горизонтальной планки не должна превышать 2h. Конструкция стыка по фигуре б удобна при монтаже благодаря наличию горизонтального столика, на который устанавливается конструкция фонаря.

Опорные узлы

Стропильные фермы могут опираться на кирпичные стены, железобетонные колонны или элементы стального каркаса промышленного здания — стальные колонны или подстропильные фермы. Конструкция прикрепления ферм к стальным колоннам и подстропильным фермам детально рассмотрена в гл. IX.

Опирание стропильных ферм на железобетонные колонны.

Пример опирания стропильной фермы на железобетонную колонну показан на фигуре. Опорная плита, обычно толщиной 16 — 20 мм, прикрепляется к колонне анкерными болтами диаметром 22 — 24 мм; размеры плиты определяют, исходя из расчетного сопротивления сжатию материала опоры. Отверстия в опорной плите делают в 2 — 3 раза больше диаметра анкерных болтов, учитывая возможные неточности в закладке последних.

Для ферм пролетом до 36 м требование подвижности опорных закреплений обычно не предъявляется.

Детали

Как уже указывалось, сжатые элементы ферм, состоящие из двух уголков, необходимо в промежутках между фасонками соединять друг с другом небольшими соединительными планками.

В противном случае под влиянием продольной сжимающей силы N каждый уголок, воспринимающий усилие N/2, может выгнуться независимо один от другого, так как у одиночного уголка минимальный радиус инерции относительно оси ξ значительно меньше, чем радиус инерции