Треугольные фермы. Конструкция ферм с металлическим нижним поясом и сжатыми раскосами. Расчет ферм такого типа.

   Содержание 
 
 
 
 
 

 

    Введение

 

   К индустриальным деревянным конструкциям относятся деревянные клееные конструкции, которые представляют собой крупноразмерные конструкции заводского изготовления. Применение клееных деревянных конструкций удовлетворяет требованиям технической политики в области строительства, так как снижает массу зданий и сооружений, обеспечивает их капитальность и длительность эксплуатации, а также уменьшает трудоёмкость возведения сооружений.

   Древесина и конструкции на её основе обладают большой стойкостью по отношению  к агрессивным средам и поэтому  во многих случаях целесообразно их применение в зданиях с агрессивными средами. Сравнительная лёгкость древесины с учётом её достаточно большой прочности и жёсткости позволяет перекрывать значительные пролёты. Масса древесины сосны и ели равна 0.5 т/м3

   Долговечность деревянных конструкций, защищённых от загнивания только конструктивными мерами, достигает сотен лет.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  1. ТРЕУГОЛЬНЫЕ ФЕРМЫ. КОНСТРУКЦИЯ  ФЕРМ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ  НИЖНИМ ПОЯСОМ И СЖАТЫМИ  РАСКОСАМИ. РАСЧЕТ ФЕРМ ТАКОГО ТИПА.
    1. Общие сведения
 

   Фермой называется стержневая система, остающаяся геометрически неизменяемой после условной замены ее жестких узлов шарнирами. Фермы относятся к классу сквозных конструкций, в которых пояса соединены между собой не сплошной стенкой, как у балок, а решеткой, состоящей из отдельных стержней - раскосов и стоек. Фермы применяются в покрытиях производственных и гражданских зданий в тех случаях, когда балки сплошного сечения оказываются экономически невыгодными. Применение решетки уменьшает расход материала на конструкции, но увеличивает трудоемкость изготовления, так как появляются узлы - места соединения решетки с поясами.

   В современном строительстве в  покрытиях производственных зданий применяются:

   - металлодеревянные фермы типа МДФ (серия 1.863-2, вып. 1, 2) (рис.1.в);

   - безраскосные фермы (металлодеревянные арки типа АМД, серия 1.860-6, вып. 1);

   - сегментные металлодеревянные фермы (серия 1.263-1, вып. 1, 2);

   - дощатые треугольные фермы с фанерными накладками в узлах;

   - дощатые фермы с узловыми соединениями на МЗП типа "Gang Nail" («Гэнг-Нейл») (рис.1.б),

   Классификация ферм:

   - по конструктивной схеме различают: балочные фермы (основной тип) и распорные - арочные;

   - по очертанию верхнего пояса: треугольные фермы (рис.1.), фермы с параллельными поясами, трапециевидные, многоугольные, сегментные.

   - по материалу: из цельной древесины (из круглого леса, брусьев, досок), из клееной древесины, металлодеревянные, фермы из фанерных труб, стеклопластикодеревянные фермы;

   - по типу узловых соединений: на лобовых врубках, на стальных цилиндрических нагелях, на клеестальных шайбах, на зубчатых шипах на клею, на современных видах соединений типа «Грейм», «Гэнг-Нэйл».

   

   Рис.1. Виды деревянных ферм:

   а - брусчатая на лобовых врубках; б - дощатая на МЗП типа «Гэнг-Нейл»; в - металлодеревянная типа МДФ; г - безраскосная ферма (металлодеревянная арка типа АМД); 

   Треугольные фермы применяют для кровель  с крутым уклоном — от 1:2 до 1:4 (асбестоцементные плиты, кровельная сталь, черепица). Их оптимальная относительная высота находится в пределах (1/4... 1/6)L. Продолжительное время такие фермы выполнялись с узлами на врубках. Современная конструкция фермы усовершенствована за счет модернизации узлов, главным образом опорных, с использованием стальных деталей. Типизированные фермы индустриального изготовления бывают четырех - и шестипанельными с металлическими нижними поясами и растянутыми элементами решетки. Верхний пояс изготавливают брусчатым или клееным.

    1. Конструкция металлодеревянных треугольных  ферм.
 

   В настоящее время применяют в  основном комбинированные фермы, в которых верхний пояс изготовлен из древесины (доски, брусья, клееные пакеты), а нижний — из металла. Для решетки (преимущественно для тяжей и подвесок) также применяют металл. Комбинированные фермы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с обычными деревянными, поскольку в них удачно совмещается работа древесины на сжатие и стали на растяжение. Существенно облегчается также устройство стыков и узлов.

   Отношение высоты фермы в коньке к пролету для ферм с металлическим нижним поясом принимают не менее 1/6. Для ферм с металлическим нижним поясом и клееным верхним это отношение может быть снижено до 1/7 пролета. При этом уклон верхнего пояса и кровли колеблется от 1:2,5 до 1:4.

   Верхний пояс фермы может быть выполнен из клееных блоков или из брусьев. Нижний пояс рекомендуется делать металлическим из профильной или круглой стали.

   Решетка в треугольных фермах для повышения  индустриальности их изготовления должна состоять из минимального числа элементов. С этой целью рекомендуют четырехпанельные (по верхнему поясу) фермы с двумя сжатыми раскосами и соответственно с одной растянутой или двумя сжатыми стойками. Растянутые стойки обычно выполняют из круглой стали.

   Для четырехпанельной фермы со сжатыми  раскосами и центральной растянутой стойкой примыкание сжатых раскосов к верхним поясам может быть выполнено путем упора в специальные металлические башмаки (рис. 2.) непосредственно в верхние пояса с соответствующей их подрезкой (рис. 3.) или на узловых болтах с металлическим вкладышем (рис. 4.).

   

   Рис. 2. Детали узлов треугольной брусчатой фермы с упором раскосов в металлические башмаки и со складывающимся при перевозке нижним поясом.

   

   Рис. 3. Клееная треугольная ферма с упором раскосов в уступ верхнего пояса

   

   Рис. 4. Клееная ферма с раскосами на узловых болтах. Общий вид и детали узлов 

   Как правило, в опорном узле металлический  нижний пояс соединяют с клееным  верхним поясом при помощи сварного башмака. Однако опорный узел может  иметь другую конструкцию, где деревянный элемент верхнего пояса опиленной горизонтальной плоскостью воспринимает опорную реакцию, а вертикальной - усилие от нижнего пояса с помощью шайбы и гайки.

    1. Расчет  треугольных металлодеревянных  ферм.
 

   Расчетные продольные усилия в элементах треугольных ферм определяют аналитически или графически. Отличительной особенностью треугольных ферм является то, что при загружении временной нагрузкой половины пролета решетка на незагруженной половине не работает. Поэтому расчетные усилия во всех элементах ферм получаются при снеговой нагрузке на всем пролете. Одностороннее загружение снегом может понадобиться в том случае, когда надо рассчитать присоединение подушки в среднем узле нижнего пояса к самому поясу. Его рассчитывают на разность усилий в соседних панелях нижнего пояса, имеющую место при односторонней снеговой нагрузке.

   Верхний пояс. В большинстве случаев панели верхнего пояса помимо нормальных сил работают на изгиб от межузловой нагрузки и рассчитывают как сжато-изгибаемые стержни. Нормальную силу в верхнем поясе прикладывают с эксцентриситетом в, в целях снижения в нем расчетного изгибающего момента от поперечной нагрузки. 

   

 

   Рис.5. Эпюры верхнего пояса. 

   Если  верхний пояс разрезной, то расчетный  момент в панели

   M=MQ-Ne,

   где MQ - момент простой балки от данной нагрузки в середине про¬лета панели; Ne - момент от нормальной силы, приложенной с эксцентриситетом

   Если  верхний пояс неразрезной, то расчет производят в двух предположениях:

   а) средняя опора не имеет просадки и верхний пояс работает как двухпролетная  неразрезная балка;

   б) средняя опора просела на такую величину, что момент на ней стал равен нулю и, следовательно, верхний пояс работает как разрезная балка с пролетом, равным длине панели. Оба эти случая рассмотрены при расчете верхнего пояса многоугольной фермы.

   Расчет  на прочность сжато-изгибаемых элементов производят по формуле (см. п. 4.17 СНиП II-25-80):

   N/Fрасч+Mg/Wрасч ≤ Rc

   Нижний  пояс. Металлический нижний пояс рассчитывают на рас¬тяжение с учетом ослаблений в узлах или стыках. Местная поперечная на¬грузка, например, от подвесного потолка, вызывающая изгибающие момен¬ты в нижнем поясе, недопустима.

   Решетка. Сжатые элементы решетки рассчитывают на продоль¬ный изгиб, растянутые проверяют на растяжение с учетом имеющихся ос¬лаблений.

   Узлы  фермы. Расчет узлов треугольных ферм связан с их конст¬рукцией.

   В клееной ферме с упором раскосов в верхний пояс необходимо проверить  смятие древесины в опорном и  коньковом узлах, а также в  месте упора раскоса в верхний  пояс. Во всех случаях расчетное со¬противление смятию берут с учетом угла между сжимающей силой и направлением волокон сминаемого элемента.

   В брусчатой ферме, кроме того, требуется  рассчитать присоединение к верхнему поясу металлического башмака, в  который упира¬ется раскос. Нагели (или гвозди), соединяющие башмак с верхним поясом, рассчитывают на усилие, стремящееся сдвинуть башмак вдоль пояса. Таким усилием является разность усилий в опорной и коньковой панелях верхнего пояса. Нагели или гвозди работают по схеме односрезного соединения. 
 

  1. Защита  деревянных конструкций от возгорания
    1. Общие сведения
 

   Пожары  наносят огромный ущерб экономике. Для снижения потерь от пожаров разработана  система противопожарного нормирования в строительстве, основные положения которой изложены в СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений». Здания, а также части зданий, выделенные противопожарными стенами, подразделяются по степеням огнестойкости (I...V) и классам конструктивной и функциональной пожарной опасности.

   Степень огнестойкости здания определяется огнестойкостью его строительных конструкций. Строительные конструкции в свою очередь характеризуются огнестойкостью и пожарной опасностью. Показателем огнестойкости является предел огнестойкости. Пожарную опасность конструкции характеризует класс ее пожарной опасности.

   Предел  огнестойкости строительных конструкций - это время (в минутах) наступления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструкции, признаков предельных состояний: потери несущей способности (R); потери целостности (Е); потери теплоизолирующей способности (I).

   По  пожарной опасности строительные конструкции  подразделяются на 4 класса: КО (непожароопасные); К1 (малопожароопасные); К2 (умереннопожароопасные); КЗ (пожароопасные). Деревянные конструкции отнесены по ГОСТ 30403 к классу КЗ.

    1. Горючесть древесины
 

   Горение древесины - процесс быстрого соединения продуктов термического разложения древесины с кислородом воздуха, сопровождающийся выделением тепла или дыма, появлением пламени. При горении происходит химическая деструкция (пиролиз) древесины. Возгорание древесины происходит в результате кратковременного нагрева ее до температуры 250°С или длительного воздействия более низких температур. При нагревании древесины до температуры пожаров (800...900°С) происходит ее термическое разложение с образованием смеси газообразных продуктов и твердого остатка в виде угля.

   Различают две фазы горения древесины: первая - пламенная; вторая - тление угля. Тление прекращается, если на поверхности древесины образуется тончайшая пленка золы. Интенсивность горения зависит от подачи и количества кислорода воздуха. Для полного сгорания 1 м3 древесины необходимо около 3000 м3 воздуха. В условиях пожара скорость обугливания древесины колеблется в пределах 0,6... 1,8 мм/мин и зависит от температурного режима пожара, влажности древесины, размеров и формы сечения деревянных элементов и шероховатости их поверхности.

   В пожарном отношении деревянные конструкции  часто необоснованно считаются  более опасными, чем металлические или железобетонные с предварительно напряженной арматурой. Опыт обследования зданий, поврежденных пожаром, показывает, что незащищенные металлические и железобетонные конструкции с предварительно напряженной арматурой быстро теряют несущую способность и внезапно обрушаются.

   В то же время массивные клееные  деревянные конструкции обладают хорошей огнестойкостью. Обуглившейся наружный слой древесины, теплопроводность которого в 4 раза меньше теплопроводности самой древесины, воспрепятствует проникновению тепла и кислорода в зону горения и защищает центральную часть элемента от возгорания..

   Деревянные  конструкции допускается применять  в зданиях и сооружениях при  температуре окружающего воздуха  не более 35°С - для клееных деревянных конструкций и не более 50°С - для деревянных конструкций из брусьев и досок. Применение деревянных конструкций, как и других видов строительных конструкций, требует соблюдения конструктивных и химических мер защиты их от возгорания.

    1. Конструктивные  меры защиты от пожарной опасности
 

   Конкретные  конструктивные меры защиты от пожарной опасности зависят от функционального  назначения зданий и сооружений и устанавливаются соответствующими нормами проектирования. Для одноэтажных производственных и складских зданий наиболее распространены следующие конструктивные меры защиты:

   соблюдение  противопожарных разрывов между  зданиями;

   устройство  противопожарных разрывов длиной не менее 6...12 м в протяженных зданиях;

   разделение  зданий на отсеки (через 50 м) брандмауэрными стенами из несгораемых материалов высотой 600 мм (от по¬верхности кровли);

     проектирование КДК массивного  прямоугольного сечения; 

   защита (обшивка) поперечного сечения деревянных элементов листовыми материалами из асбеста, оштукатуривание растворами;

   применение  несгораемых теплоизоляционных материалов и кровель, разделение на отсеки, не сообщающиеся между собой, кровельных и стеновых панелей, имеющих пустоты.

    1. Химические  меры защиты от пожарной опасности
 

   При невозможности обеспечить требуемую  пожарную безопасность зданий конструктивными мерами используются химические меры защиты, которые включают обработку деревянных элементов огнезащитными составами - антипиренами.

   Антипирены - вещества, которые при нагревании плавятся и покрывают поверхность древесины огнезащитной пленкой, препятствующей доступу воздуха к древесине, или разлагаются с выделением большого количества негорючих газов, которые оттесняют воздух от древесины. В состав антипиренов входят фосфорнокислый и сернокислый аммоний, бура, борная кислота и другие химические вещества.

   Пропитка  антипиренами снижает прочностные  свойства древесины в среднем  на 10%. Соединительные металлические  детали (накладки, болты) снижают предел огнестойкости деревянных конструкций, они также должны быть защищены огнезащитными составами. На основе антипиренов существуют:

   Огнезащитные  пропитки.

   Применяют фосфорнокислый аммоний и смеси  его с сернокислым аммонием. Использование  сернокислого аммония оправдывается  его дешевизной, но связано с повышением гигроскопических свойств пропитанной  им древесины и развитием интенсивной коррозии чёрных металлов. Добавка фосфорнокислого аммония устраняет опасность коррозии чёрных металлов. В автоклавах с применением вакуума и избыточного давления достигается глубокая пропитка, при которой вводят растворы указанных солей 100-120% к весу хвойной и 60-90% к весу лиственной древесины. Применяют поверхностную пропитку, с нанесением огнезащитных растворов распылителями; такая защита задерживает развитие пожара на 10 – 15 мин.

   Огнезащитную  пропитку деревянных элементов следует производить после их механической обработки, поскольку при проведении последней могли бы быть удалены интенсивно пропитанные слои.

   Огнезащитные  краски.

   Раннее  широко применялись силикатные краски, состоящие из жидкого стекла и наполнителей (мел, тальк, кирпичный порошок, асбестовая пыль, молотый кварцевый песок и т.д.). Огнезащитный эффект силикатных красок основан на том, что их слой после нагрева переходит в пластичное состояние, затем вспучивается и в таком виде оказывает теплоизолирующее действие.

   Эти краски не обладают водостойкостью. Большой недостаток разложение составляющих - происходит обычно это через 6 – 12 месяцев, после чего снова необходима покраска. Можно сделать с помощью химических добавок более устойчивыми к огню, но снижается огнезащитная функция. 
 

   Огнезащитные  обмазки и штукатурки.

   Отличие обмазок и штукатурок от краски в  том, что они наносятся слоем  большей толщины. Огнезащитное действие обмазок основано на их теплоизолирующих свойствах.

   В рецепт обмазок включают вещества, которые разлагаются при нагреве с поглощением теплоты. Наилучшим является магнезит, затем доломит.

   В штукатурке применяют известковые  и известково-алебастровые слои. Под  слоем известковой штукатурки температура  защищаемой поверхности остаётся ниже 160 градусов до тех пор, пока не завершится обжиг штукатурки. Штукатурка, в которой известь уже претерпела обжиг, трескается и крошится; легко смывается водой, а также теряет прочность и осыпается под действием собственно веса.

   Применяют для обмазок и другие простейшие составы: глиняные, глино-известковые, глино-известково-алебастровые, смеси глины с сульфитным щелоком и т.д. 
 
 
 

  1. Список  литературы.
 
  1. СНиП II-25-80 «Деревянные конструкции».
  2. Учеб. пособие для студ. вузов / Г. Н. Зубарев, Ф. А. Бойтемиров, В. М. Головина и др.; Под ред. Ю. Н. Хромца. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2004. — 304 с.Индустриальные деревянные конструкции.
  3. Учебное пособие для вузов/ Ю.В. Слицкоухов, И.М. Гуськов, Л.К. Ермоленко и др. ; Под ред. Ю.В. Слицкоухова. – М.: Стройиздат, 1991 – 256с.
  4. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП II-25-80)/ ЦНИИСК им. Кучеренко. – М. : Стройиздат,      1986-216с.