Узлы опирания треугольных металлических ферм из труб. Расчет узла сопряжения фермы с колонной

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.

5 10 ..

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

Листы2.13; 2.14.Связи по стальным стропильным фермамсшагом6и12м

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.

На бумагу наносят схему узла: оси сходящихся в нем элемен-тов, затем контуры элементов, начиная с пояса (рис. ниже). С осевы-ми линиями схемы совмещают линии центров тяжести элементов.

При центрировании для нанесения контуров уголков (в фермах со стержнями из парных уголков) от осевых линий откладывают в сторону обушка уголка округленное до 5 мм расстояние Z 0 от цент-ра тяжести до обушка, определенное из сортамента. В противопо-ложном направлении от оси откладывают расстояние (b - Z 0). Ана-логично поступают и при сечениях другой формы. После нанесе-ния контура элементов показывают обрез уголков решетки так, чтобы в сварных узлах между краями пояса и элементов решетки оставал-ся зазор 40-50 мм для уменьшения вредного влияния усадки швов в фасонках (рис. ниже).

Центрирование узлов легких ферм

Такое же расстояние желательно соблюдать между краями со-седних элементов решетки в узлах и между краями (торцами) со-седних швов, крепящих накладки в стыках пояса. Обрез уголка, как правило, производят перпендикулярно к оси. Допустимо срезать часть полки уголка, но не далее начала закругления, что позволяет несколько уменьшить размер фасонки.

Приварку раскосов рекомендуется делать лишь фланговыми швами по обушку и перу, конструктивно выводя их на торец стерж-ня на длину 20 мм. Следует стремиться к наиболее простому очер-танию фасонки (прямоугольник, прямоугольная трапеция, паралле-лограмм и т. п.). Прикрепление фасонки к поясу, если в узле не уст-раивают стык пояса, должно быть рассчитано на равнодействующую усилий N всех элементов решетки, примыкающих непосредствен-но к узловой фасонке. При прямолинейном поясе эта равнодейству-ющая равна разности усилий в соседних панелях пояса (N = N 2 -N 1 рис. выше). Если к поясным уголкам в узле приложена сосредото-ченная нагрузка F (что имеется в верхних узлах стропильных ферм), то швы, прикрепляющие фасонку к поясу, рассчитывают на равно-действующее усилие от сосредоточенной нагрузки и разности уси-лий в соседних панелях. При нагрузке F, перпендикулярной поясу, равнодействующая

N = √N 2 -N 1 2 +F 2

Сварные швы наносят с двух сторон — со стороны обушка и пера — по всей длине примыкания фасонки к поясу. С этой целью край фасонки выводят наружу на 10-15 мм (рис. выше). Однако не всегда конструктивно удобно выпускать всю фасонку за грань пояса, например, при установке по верхнему поясу прогонов, прикрепляе-мых к уголковым коротышам (см. рис. выше), или накладок, на которые опираются железобетонные плиты (рис. ниже). В этом случае часть фасонки не доводят до обушка уголков на 10—15 мм. Таким образом, основными рабочими расчетными швами в этом случае будут швы, наложенные у пера. Обычная конструкция промежуточных сварных узлов (без стыка пояса) легких ферм со стержнями из парных угол-ков показана на рис. выше (верхний пояс) и рис. выше (нижний пояс).

При изменении сечений поясов необходимо осуществлять стык поясных уголков. Как правило, стык располагают в узле, при этом часть фасонки может быть использована в качестве стыкового элемента.

В случае применения в поясе ферм уголков с разной толщиной полок заводской стык поясов выполняют с помощью листовых на-кладок и фасонок (рис. ниже).

Стык поясов с помощью листовых накладок

Считают, что через накладки передается 70% усилия в стыке, остальные 30% — через фасонку, при этом в работу включается часть фасонки на ширине не более 2b (где b — ширина полки мень-шего уголка). Для включения фасонки в работу стыка ее продолжа-ют за узел. Обычно стык относят в сторону панели с меньшим уси-лием на 500 мм.

В фермах с поясами из тавров, полученных путем продольного роспуска широкополочных двутавров, и стержнях решетки из пар-ных уголков необходимо иметь узловые уширения, чтобы получить требуемую длину сварных швов. Для этого к стенке тавра стыко-вым швом прикрепляют фасонку (рис. ниже).

Узлы фермы с поясами из тавров и решеткой из парных уголков

Стыковой шов рассчитывают на срез от суммы расчетных уси-лий в примыкающих раскосах, спроектированных на ось пояса. За-водские стыки, как и в ферме из уголков, относят в сторону панели с меньшим усилием на 500 мм. Их выполняют с введением верти-кальных листовых вставок и горизонтальных накладок (рис. выше).

Стропильные фермы могут опираться на железобетонные колон-ны, кирпичные стены или элементы стального каркаса производствен-ных зданий — стальные колонны. Пример конструирования опорно-го узла фермы при опирании его на железобетонную колонну сверху показан на рис. ниже. Жесткое соединение стропильной фермы со стальной колонной каркаса здания показано на рис. ниже.

Опирание стропильной фермы на железобетонную колонну

а — трапециевидной; 6 — треугольной

Жесткое соединение фермы со стальной колонной

а — торец опорного ребра строгать; Н — распор

По транспортным условиям фермы больших пролетов (более 18 м) разбивают на отдельные отправочные элементы, назначая укрупнительные (монтажные) стыки в середине пролета. Как пра-вило, укрупнительные стыки осуществляют с помощью горизон-тальных и вертикальных листовых накладок. Горизонтальные накладки перекрывают поясные уголки и полку тавра, передавая 70% усилия в стыке, а вертикальные накладки стыкуют фасонки и стен-ки тавра, передавая 30% усилия в стыке. К вертикальным наклад-кам в фермах из уголков приваривают ребра для прикрепления связей. Аналогичные ребра в фермах с поясами из тавров при-крепляют к стойкам. В стыке верхнего пояса трапециевидной фер-мы горизонтальная накладка имеет перегиб. Примеры осуществ-ления узлов легких ферм с укрупнительными стыками представ-лены на рис. ниже.

Укрупнительные узлы поясов легких ферм

а — схема фермы; б— верхнего из тавров; в— нижнего из парных уголков

В стержнях, сечение которых составлено из двух уголков или каких-либо других профилей, необходима установка связующих про-кладок, обеспечивающих совместную работу профилей как едино-го сечения.

Все стыки рассчитывают на усилие, которое на 20% больше дей-ствительного. Это объясняется некоторой нечеткостью работы уз-лов со стыками. Вертикальные швы следует рассчитывать на со-вместное действие вертикального опорного давления и изгибаю-щего момента, вызванного внецентренным приложением продоль-ной силы относительно центра тяжести швов.

В гидротехнических затворах элементы связевых ферм часто принимают из сварных тавров. Это приводит к некоторым особен-ностям конструирования узлов.

В таких узлах для прикрепления стержней к фасонкам исполь-зуют одновременно стыковые и угловые фланговые сварные швы или одни стыковые швы. Пример осуществления узла плоского зат-вора показан на рис. ниже.

Узел плоского гидротехнического затвора

1,2 — продольные и поперечные связи

В случае прикрепления стержней двумя типами сварных швов стенка сварного тавра прикрепляется с помощью стыкового шва, а полка — четырьмя фланговыми швами, для чего в полке предвари-тельно делается прорезь на длину шва и шириной на 1 мм больше толщины фасонки.

Примыкание фермы к колонне сбоку позволяет осуществлять как шарнирное, так и жесткое сопряжение ригеля с колонной (рис. 5.8).

При жестком сопряжении в узле возникает, помимо опорного давления FR , узловой момент M . При расчете момент заменяется парой горизонтальных сил H 1 = M /h о , которые воспринимаются узлами крепление нижнего и верхнего поясов к колонне. Нижний пояс дополнительно воспринимает усилие от распора рамы N p = Q . В большинстве случаев опорный момент фермы имеет знак минус, т.е. направлен против часовой стрелки. В этом случае сила Н 1, как и Н р , прижимает фланец узла нижнего пояса к колонне. Сжимающие напряжения на поверхности контакта невелики и не проверяются.

Опорный фланец крепится к полке колонны на болтах грубой или нор-мальной точности, которые ставятся в отверстия на 3 – 4 мм большедиаметра болтов, чтобы они не могли воспринимать опорную реакцию фермы в случае неплотного опирания фланца на опорный столик. Количество болтов принимается конструктивно (обычно 6…8 болтов диаметром 20 – 24 мм).

Если в опорном узле возникает положительный момент (это возможно, как правило, при легких кровлях), то усилие Н отрывает фланец от колонны, следовательно, болты следует рассчитывать на растяжение с учетом эксцентриситета, вызванного несовпадением центра болтового поля и осевой линии нижнего пояса фермы, по которой приложено усилие Н (рис. 5.9).

Рис. 5.8. Узел сопряжения фермы с колонной

Рис. 5.9. К расчету болтов крепления фланца опорного узла к колонне

Условно предполагается, что возникающее при этом вращение узла проходит вокруг линии, проходящей через ось болтов, наиболее удаленных от точки приложения силы Н (примерно на 40 – 80 мм ниже верха фасонки).

Усилие, приходящееся на наиболее нагруженный болт определяется по формуле

N max = N 1 = ,

где z – расстояние от нижнего пояса фермы (линия приложения силы Н ) до оси наиболее удаленного болта;

l 1 – расстояние между крайними болтами;

– сумма квадратов расстояний между осями болтов и осью вращения узла ();

n = 2 – количество болтов в каждом горизонтальном ряду соединения.

Вертикальное давление FR передается с опорного фланца узла фермы через строганные поверхности на опорный столик, причем фланец выпускается за пределы фасонки на а ≤ 1,5 tф .

Опорный столик выполняется из листа стали толщиной 30 –40 мм или при небольшом опорном давлении (FR = 200 – 250 кН) из отрезка уголка с частично срезанной полкой. Опорный столик делается несколько шире опорного фланца и приваривается к колонне.

Сопряжение фермы с колонной можно считать шарнирным, если фланец верхнего узла фермы сделать тонким (tфл = 8 – 10 мм) и возможно малой длины, а расстояние между болтами по горизонтали принять достаточно большим (b о = 160 – 200 мм). В этом случае фланец будет гибким и не сможет воспринимать сколько-нибудь существенную силу Н 1.

При жестком сопряжении фланец верхнего узла и болты его крепления к колонне рассчитываются на отрывающее усилие Н 1.

Другим вариантом шарнирного узла при примыкании фермы к колонне сбоку является сопряжение верхнего пояса с колонной на болтах нормальной точности, поставленных в овальные отверстия.

В нижнем опорном узле передача опорного давления FR и горизонтальной силы, появляющейся в результате узлового момента рамы, осуществляется раздельно.

Пример 5.8. Рассчитать конструкцию жесткого сопряжения фермы с колонной (см. рис. 5.8). Максимальный отрицательный опорный момент М = – 1144,6 кН∙м. Опорное давление FR = – 479,3 кН. Усилия в нижнем поясе N 1 = + 399,4 кН, в опорном раскосе N 2 = – 623,9 кН. Поперечная сила в колонне на уровне нижнего пояса фермы Q = – 112,6 кН.

Материал конструкций – сталь С255 с расчетными сопротивлениями Rу = 24 кН/см2 и Rs = 0,58 Ry = 13,92 кН/см2. Сварка механизированная в среде углекислого газа, сварочная проволока Св-08Г2С, диаметр проволоки d = 2 мм. Расчетные сопротивления: металла шва Rwf = 21,5 кН/см2, металла по границе сплавления Rwz = 16,65 кН/см2. Сварка выполняется в нижнем положении. Коэффициенты f = 0,9; z = 1,05; wf = wz = 1 (конструкция эксплуатируется при t > –40оC); с = 1.

Расчет швов выполняем по металлу границы сплавления.

Катеты швов принимаем в зависимости от толщины уголков. В одном узле желательно иметь не более двух типоразмеров швов. Полученные по расчету длины швов округляются в большую сторону до 10 мм. Если по расчету длина шва меньше 50 мм, то принимается lw = 50 мм.

Принимаем катеты швов:

– вдоль обушки kf = 10 мм < kf, max = 1,2tуг = 1,2 ∙ 9 = 10,8 мм;

– вдоль пера kf, min = 5 мм при толщине более толстого из свариваемых листов tф = 14 мм (см. табл. 3.5).

Определяем размеры фасонки в опорном узле фермы.

Толщину фасонки выбираем в зависимости от максимального усилия в стержнях решетки по табл. 5.6.

При усилии в опорном раскосе N 2 = – 623,9 кН принимаем толщину фасонки tф = 14 мм.

Размеры фасонок определяем по необходимой длине швов крепления нижнего пояса и опорного раскоса.

Прикрепление нижнего пояса к фасонке.

Nоб 1 = (1 – α )N 1 = (1 – 0,25) 399,4 = 299,55 кН,

где α = 0,25 – коэффициент, учитывающий долю усилия на сварные швы у пера при креплении неравнополочных уголков, составленных узкими полками (см. табл. 5.9).

Nn 1 = αN 1 = 0,25 ∙ 399,4 = 99,85 кН.

lw,об = Nоб 1/(2βzkf Rwzγwzγc ) = 299,55 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 8,57 см.

Принимаем конструктивную длину шва вдоль обушка с добавлением 1 см на дефекты в начале и конце шва lw,об = 100 мм.

lw,n = Nn 1/(2βzkfRwzγwzγc ) = 99,85 / (2 ∙ 1,05 ∙ 0,5 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 5,7 см.

Принимаем lw,n = 70 мм.

Рассчитываем прикрепление опорного раскоса к фасонке.

Усилие, воспринимаемое швами у обушка:

Nоб 2 = (1 – α )N 2 = (1 – 0,25) 623,9 = 467,93 кН.

Усилие, воспринимаемое швами у пера:

Nn 2 = αN 2 = 0,25 ∙ 623,9 = 155,97 кН.

Расчетная длина шва вдоль обушка

lw,об = Nоб 2/(2βzkfRwzγwzγc ) = 467,93 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 13,4 см.

Принимаем lw,об = 150 мм.

Расчетная длина шва вдоль пера

lw,n = Nn 2/(2βzkfRwzγwzγc ) = 155,97 / (2 ∙ 1,05 ∙ 0,5 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 8,92 см.

Принимаем lw,n = 100 мм.

Конструируем опорный узел фермы, исходя из размещения сварных швов требуемой длины и конструктивных требований (расстояние от низа пояса до торца опорного фланца не менее 150 мм).

Проверяем фасонку на срез:

Производим условную проверку фасонки на выкалывание по сечению 1-1 при полной длине Σl = lГ + lв = 170 + 200 = 370 мм (см. рис. 5.8). Проверка выполняется приближенно, когда плоскости среза наклонены к оси элемента под углами, близкими к 45о, по формуле

Центр швов, прикрепляющих фланец к фасонке, не совпадает с осью нижнего пояса. Эксцентриситет составил е = 80 мм.

Фланец для четкости опирания выступает на 15 – 20 мм ниже фасонки опорного узла, но не более a max ≤ 1,5tфл. Выпускаем фланец за пределы фасонки на а = 20 мм, что меньше a max = 1,5 ∙ 16 = 24 мм.

Размеры опорного фланца назначаем конструктивно: толщина tфл = 16 – 20 мм; высота l = hф + a = 400 + 20 = 420 мм; ширина bфл = 180 мм (из условия размещения двух вертикальных рядов болтов).

Вертикальная реакция фермы FR передается с опорного фланца через строганые поверхности на опорный столик.

Площадь торца фланца

Афл = bфлtфл = 18 · 1,6 = 28,8 см2.

Торец фланца проверяем на смятие:

где Rp = 33,6 кН/см2 – расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности (при наличии пригонки) для стали С255, принимаемое по табл. 2.4.

Определяем расстояние между линиями центров тяжести верхнего и нижнего поясов в опорном сечении фермы:

H о = Hop – (z 1 + z 3) = 3150 – (30 + 30) = 3090 мм,

где z 1 и z 3 – привязки поясов (расстояние от обушков до центра тяжести уголков), округленные до 5 мм.

Горизонтальное усилие, передаваемое на верхний и нижний пояса ферм:

H 1 = M /h о= 1144,6 / 3,09 = 370,4 кН.

Общее горизонтальное воздействие на нижний пояс

H = H 1 + Hp = 370,4 + 112,6 = 483 кН.

Швы, прикрепляющие фасонку опорного узла к фланцу, работают в сложных условиях (рис. 5.10).

Рис. 5.10. К расчету сварного шва крепления фланца к фасонке

При действии опорного давления FR швы срезаются вдоль, в них возникают напряжения:

τR = FR /(2βzkf lw ) = 479,3 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 39) = 5,85 кН/см2.

где kf = 10 мм (задаются в пределах 10 – 20 мм);

lw = hф – 10 = 400 – 10 = 390 мм.

Усилие Н приводит к срезу шва в направлении, перпендикулярном оси

τН = Н /(2βzkf lw ) = 483 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 39) = 5,9 кН/см2.

Поскольку центр шва не совпадает с осью нижнего пояса, на шов действует момент

М = Не = 483 ∙ 8 = 3864 кН∙см.

Под действием момента шов также работает на срез перпендикулярно оси шва:

τМ = М /Wz = 6M /(2βzkf lw 2) = 6 ∙ 3864 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 392) = 7,26 кН/см2.

Шов проверяем в наиболее напряженной точке А по металлу границы сплавления по результирующей напряжений:

14,4 кН/см2 <

< Rwzγwzγc = 16,65 кН/см2.

Угловые швы крепления столика рассчитываем на усилие

F = 1,2FR = 1,2 ∙ 479,3 = 575,16 кН,

где коэффициент 1,2 учитывает возможный эксцентриситет передачи вертикального усилия, непараллельность торцов опорного фланца фермы и столика (неточность изготовления), вызывающую неплотность опирания фланца (его перекос в своей плоскости), что приводит к неравномерности распределения реакции между вертикальными швами.

Высота опорного столика lст устанавливается по требуемой протяженности сварных швов:

lст = lw + 1 = F /(2βzkfRwγwzγc ) + 1 =

575,16 / (2 ∙ 1,05 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) + 1 = 17,45 см.

Принимаем столик из листа 220× 180× 30 мм.

В узле крепления верхнего пояса сила Н 1 = 370,4 кН стремится оторвать фланец от колонны и вызывает его изгиб (рис. 5.11).

а ) б )

Рис. 5.11. К расчету узла крепления верхнего пояса фермы к колонне:

а – работа фланца на изгиб; б – расчетная схема

Принимаем болты класса прочности 5.6 с расчетным сопротивлением болтов, работающих на растяжение, Rbt = 210 МПа = 21 кН/см2 (табл. 5.11).

Таблица 5.11

Расчетные сопротивления срезу и растяжению болтов

Напряженное состояние	Обозначение	Расчетные сопротивления, МПа, болтов классов
Напряженное состояние	Обозначение

Растяжение

П р и м е ч а н и е. В таблице указаны значения расчетных сопротивлений для одноболтовых соединений.

Задаемся диаметром одного болта dб = 24 мм с площадью сечения нетто Abn = 3,52 см2 (см. табл. 3.17).

Несущая способность одного болта на растяжение

Nb = AbnRbt = 3,52 ∙ 21 = 73,92 кН.

Необходимое число болтов

n = H 1/(Nbγc ) = 370,4 / (73,92 ∙ 1) = 5.

Принимаем n = 6, располагая их по ширине фланца в два ряда. Диаметр отверстия под болты d о = 27 мм.

Размещаем болты согласно требованиям (см. табл. 3.18)

Минимальное расстояние между центрами болтов

а 1 = 2,5d 0 = 2,5 ∙ 27 = 67,5 мм, принимаем а 1 = 80 мм.

Расстояние от центра болта до края элемента с = 1,5d 0= 1,5 ∙ 27 ≈ 40 мм.

Расстояние между болтами

b 0 = b – 2с = 200 – 2 ∙ 40 = 120 мм.

Высота фланца

а = 2а 1 + 2с = 2 ∙ 80 + 2 ∙ 40 = 240 мм.

Момент при изгибе фланца определяется как в защемленной балке пролетом b 0

Мфл = H 1 b 0 / 8 = 370,4 ∙ 12 / 8 = 555, кН∙см.

Требуемый момент сопротивления фланца

Wфл = Мфл / (Ry γc ) = 555,6 / (23 ∙ 1) = 24,16 см3.

Минимальная толщина фланца

tфл = = = 2,46 см.

Принимаем tфл = 25 мм.

Шов крепления фланца к фасонке работает на срез и его катет определяется:

kf = H 1 / (2βz lw Rwz γwz γc ) = 370,4 / (2 ∙ 1.05 ∙ 23 ∙ 16.65 ∙ 1 ∙ 1) = 0,46 см,

где lw = а – 1 = 24 – 1 = 23 см.

Принимаем минимальный катет шва kf = 7 мм при полуавтоматической сварке более толстого листа tфл = 25 мм (см. табл. 22).

При жестком сопряжении ферма крепится к колонне в узлах 1 и 7 (рис.25). Расчетные усилия M, N, Q принимаются из таблицы сочетаний в рассматриваемом сечении рамы. Изгибающий момент М заменяется парой сил Н = М/h 0 . Расчетные усилия в узлах сопряжения фермы с колонной представлены на рис.29.

Вертикальная опорная реакция N передается на опорный столик колонны через опорный фланец фермы в узле 1 (рис.30).

Рис.29 Расчетные усилия в опорном узле Рис.30 Жесткое сопряжение

фермы при жестком сопряжении с колонной фермы с колонной в узле 1 (рис.25)

Ширина опорного фланца b фл принимается конструктивно по размеру полки колонны. Длина фланца l фл определяется размером фасонки, которая лимитируется длинами сварных швов крепления опорного раскоса и нижнего пояса.

Расчет этих швов по обушку и перу уголка рассмотрен в разделе 3. В соответствии с правилами конструирования фасонка должна описать эти швы. Для удобства монтажа необходимо предусмотреть между нижним поясом и опорным столиком зазор 150мм. Толщина опорного фланца t фл определяется из условия смятия от воздействия вертикальной опорной реакции N:

t фл ≥ (R p – см. Приложение 1)

Два вертикальных шва крепления опорного фланца к фасонке воспринимают опорную реакцию N и приложенные эксцентриситетом е горизонтальные силы (Н+Q). Прочность этих швов обеспечена, если

где τ WN = ; τ W Н Q = ; τ WM = ;

l W = l фл – 1 см – расчетная длина вертикального сварного шва;

е – эксцентриситет приложения сил Q и Н (расстояние от Ѕ l W до оси нижнего пояса фермы).

Вертикальные сварные швы крепления опорного столика к колонне l ст рассчитываются на воздействие N. Из-за возможных несовпадений поверхности контакта фланца и столика вводится коэффициент 1,2.

l ст ≥

Катеты сварных швов принимаются по толщинам стыкуемых элементов.

Верхний опорный узел 7 (рис.31) воспринимает силу Н. швы крепления пояса к фасонке по обушку и перу поясного уголка:

;

С фасонки усилие Н передается на фланец посредством двух вертикальных швов. При соблюдении правил конструирования прочность этих швов будет обеспечена. Фланец крепится к колоне 4 болтами, которые необходимо подобрать из условия прочности при растяжении. При расчетном сопротивлении болтов растяжению R bt (приложение 3) необходимая площадь сечения каждого из 4 болтов будет А b треб ≥ Н / 4R bt . По требуемой площади подбирается диаметр стандартного болта.

Рис.31 Жестокое сопряжение фермы с колонной в узле 7

Фланец работает на изгиб как балка, защемленная болтами и загруженная сосредоточенной силой Н. расчетный изгибающий момент:

Где b – расстояние между болтами в плане (рис.31).

Момент сопротивления фланца при изгибе

Где а – высота фланца,

t фл – его толщина.

Из условия прочности при изгибе σ = М /W фл ≤ R y γ C определяется необходимая толщина фланца

t фл ≥ .

Толщина фланца принимается по сортаменту и должна быть не менее 20 мм из условия жесткости.

При шарнирном сопряжении ферма опирается на колонну сверху в узле 1 (рис.25). Схема шарнирного опирания представлена на рис.32.

Рис.32 Схема шарнирного Рис.33 Опорный узел фермы

опирания фермы на колонну

Расчет сварных швов крепления уголков к фасонке по усилиям S 1 , S 2 и S 3 аналогичен вышеизложенному. Особенностью расчета этого узла (рис.33) является передача вертикальной опорной реакции V от фермы на колонну. Эта опорная реакция передается посредством фланца. Толщина фланца определяется из условия смятия:

(R p – см. Приложение 9)

Ширина фланца b фл принимается конструктивно по размерам сечений уголков фермы и оголовка колонны. С торца фланца V передается на 2 вертикальных сварных шва крепления фланца к фасонке. Расчетная длина каждого этого шва: