 |
Покажите на примерах историю и развитие ферм. В каких отраслях стр-ва эти соор-я нашли применение
|
|
|
|
Фермы - самые распространенные в современную эпоху конструкции. Их элементы - стержни - сжаты или растянуты. В природе трудно отыскать аналогов фермам, можно с большой долей достоверности утверждать, что они - созданы человеческим разумом. Понимание работы стержней в фермах пришло сравнительно поздно. Уже существовали сами конструкции ферм, а также методики определения рабочих усилий в балках, арках, некоторых типах рам, а разработка методики анализа напряженного состояния стержней ферм только начиналась.
Конструкции ферм возникали из практических потребностей. Жизнь часто ставила задачи перекрыть большой пролет или изготовить балку большой длины, а в распоряжении строителей не оказывалось деталей (материалов) необходимых размеров. Поэтому приходилось соединять имеющиеся детали и создавать конструкцию, составленную из коротких элементов, достаточно “крепкую и прочную”, которая выполняла бы функцию балки.
Мост через Неву. Установка опор в русле реки считалась невозможной из-за ее полноводности, достаточно быстрого течения и ограничения судоходства. Кулибин создал арочный деревянный мост пролетом около 300 метров, составленный из отдельных бревен длиной до 12 метров. Основными несущими элементами моста являлись криволинейные (арочные) фермы. Мост не был построен.
До середины ХIX века фермы развивались по двум направлениям. Во-первых, составляющие детали компоновались так, чтобы образовать промежуточные опоры для коротких балок (переход от отдельных элементов к цельной конструкции - от частного к общему). Во-вторых, стенки балок конструировались решетчатыми. Решетки и пояса собирались из коротких деталей. постепенно увеличивалась ячея решетки, и балка из цельной конструкции переходила к составной из отдельных элементов (осуществлялся переход от общего к частному). Эти два направления вначале независимо, а затем, дополняя и обогащая друг друга, привели к большому разнообразию современных ферм.
|
|
|
Родоначальником первого направления считается Паладио. Он двумя наклонными сжатыми стропилами и одной растянутой стойкой (рис. 9.2,а) создавал опору для двух коротких балок. На такую промежуточную опору можно было установить еще две пары стропил (рис. 9.2.-9.4) и создать новые две опоры. Тогда пролет перекрывался еще более короткими четырьмя балками. Неудобство в выполнении сложного узла соединения двух балок и стойки в одном месте было впоследствии устранено образованием шпренгелей. Элемент Паладио (опора на двух стропилах) явно, но чаще неявно можно выделить во многих фермах (рис. 9.2. в12, г). Применение в строительстве металла позволило заменить сжатые деревянные стропила растянутыми стержнями, подвешенными к пилонам или берегам, а растянутые стойки - сжатыми (рис. 9.2. б7, б8). В развитии второго направления шли от сплошной балки большой высоты и пролета, в которой стенка выполнялась из двух слоев перекрестных плотно прилегающих друг к другу досок, а пояса изготавливались из брусьев со стыковкой врубками, накладками, болтами (рис. 9.2. в9-12).
Раздвинув доски стенки балки Таун получил конструкцию, которую часто называют “дощатой фермой” (рис. 9.2. в9). Мостовые балки Гау, Больмана, Финка, Журавского представляют собой идейное развитие ферм Тауна как балочной конструкции со стенкой сложной структуры (рис. 9.2. в11-12). Ферма при таком подходе создавалась не как сооружение со сжатыми и растянутыми элементами, а как балка со сквозной стенкой. Навье моделировал ферму как балочную систему.
Теория ферм создавалась со второй половины девятнадцатого века. Шведлер показал, что стержни ферм могут работать преимущественно на растяжение и сжатие при определенных условиях. Какими должны быть эти условия, можно установить из следующих рассуждений.
|
|
|
Если в прямолинейном стержне должна быть только продольная сила (сжимающая или растягивающая), то из условия равновесия (собственный вес стержней не учитывается) по его концам должны действовать две равные и противоположно направленные силы. Это может быть только в том случае, когда стержень по концам имеет устройства, не передающие изгиб и кручение. Таким устройством может быть шаровой шарнир. Необходимо исключить также нагрузку по длине стержня.
Таким образом, ферма, в стержнях которой возникают только осевые (продольные) силы, должна состоять из прямолинейных стержней, соединенных между собой шарнирами, а нагрузка в виде сосредоточенных сил должна быть приложена только к узлам. Но если узлы выполнить шарнирными, то появляется возможность изменения геометрической структуры фермы и она теряет способность сопротивляться нагрузке. Следовательно, ферма должна быть геометрически неизменяемой, если не учитывать деформацию стержней. Инженеры приняли расчетную модель фермы в виде шарнирно-стержневой системы. Эта модель настолько упростила задачу определения внутренних усилий рабочего состояния в стержнях, что развитие теории ферм как сооружений со сжатыми и растянутыми элементами пошло быстрыми темпами, ликвидировав существовавшее отставание от методов расчета других стержневых сооружений.
С появлением такой теории в практике конструирования ферм были сделаны попытки создания действительно шарнирных узлов. В связи с тем, что в узлах ферм сходится большое количество концов стержней, техническое исполнение шарнирного узла и фермы в целом очень усложнялось. Чем ближе конструкция шарниров приближалась к идеальным, тем они становились все более дорогими, по стоимости изготовление шарниров превосходило все остальные расходы.
Дальнейшее углубление предложений Шведлера и подтверждение их на практике, в частности, доказательство того, что при малых взаимных перемещениях узлов, узловой нагрузке и геометрически неизменяемой структуре фермы (если заменить все узлы шарнирами), повороты жестких узлов незначительны и ими можно пренебречь, дало возможность конструировать фермы с жесткими узлами, а пользоваться шарнирно-стержневой расчетной моделью. Это настолько упрощало ее конструктивное решение и расчет, что ферма стала одним из самых распространенных сооружений.
|
|
|
Фермы, как наиболее экономичные сооружения, применяются повсеместно. Трудно определить область строительства, где бы они ни использовались. Всемирно известна, например, величественная вертикальная ферма - Эйфелева башня, высота 300 м. Фермы стали основным элементом в мостостроении. Фермы применяются в самых различных зданиях и сооружениях. это - пролетные строения мостов, стропильные конструкции, конструкции подъемно-транспортных средств и другие. Конструктивное исполнение ферм определяется их назначением. Несмотря на большое разнообразие в фермах достаточно определенно выделяются элементы с одинаковыми функциями и, следовательно, наименованием.
|
46. Покажите на примерах элементы и типы ферм. Какова расчетная модель фермы при определении внутр-х усилий в ее стержнях
В направлении большего габаритного размера (длины) ферму ограничивает последовательность стержней, называемая поясом. В зависимости от ориентации пояс может быть верхним, нижним, правым, левым, от геометрического исполнения - наклонным, ломаным (полигональным), выпуклым, вогнутым и др. Стержни, наполняющие ферму между ее поясами, образуют решетку. В решетке выделяются стойки (вертикальные элементы) и раскосы. Как и в большинстве строительных конструкций, соединения стержней фермы носят названия узлов.
В соответствии с общепринятой для всех конструкций терминологией расстояние между опорами называют пролетом, а габаритный размер в направлении перпендикулярном длине - высотой. Расстояние между двумя соседними узлами поясов имеет специфическое название - панель.
|
|
|
Если направление реакций в опорах фермы не отличается от реакций в соответствующей балке (имеющей такие же, как ферма опоры, нагрузку и пролет), то такую ферму называют балочной. Если от вертикальной нагрузки в ферме возникают и горизонтальные составляющие реакции (распор), то ферму называют распорной или арочной (иногда рамной).
Когда все оси стержней фермы и нагрузка лежат в одной плоскости, ферму называют плоской, если какое-либо из этих условий не соблюдается- пространственной.
Расчетная схема фермы при определении усилий в ее стержнях
Основной особенностью ферм является то, что в их элементах независимо от конструктивного исполнения узлов преобладают продольные усилия (постоянные по длине каждого стержня). В связи с этим при вычислении усилий в качестве модели фермы принимается шарнирно- стержневая система.
Но такая работа и, следовательно, такое представление фермы возможны только при том условии, что повороты узлов фермы незначительны и ими можно пренебречь. Это может быть только при выполнении двух требований к конструктивному исполнению самих ферм и элементов, опирающихся на них:
во-первых, нагрузка от опирающихся на ферму конструкций должна сосредотачиваться в узлах;
во-вторых, после постановки полных шарниров во все узлы структура фермы должна оставаться геометрически неизменяемой, то есть не должно быть перемещения узлов без деформации стержней.
Выполнение первого условия проверяется визуально при анализе условий опирания на ферму других несущих конструкций (балок, плит и др.). Опоры этих конструкций должны точно совпадать с узлами ферм. Если, например, на ферму опираются ребристые плиты покрытия, то опорное ребро должно быть поставлено в узел фермы, если же плиты (или настил) плоские, то они должны быть уложены или подвешены на прогоны, проходящие через узлы фермы (рис. 9.5).
Для обеспечения геометрической неизменяемости фермы требуется:
установить необходимое количество стержней - связей (необходимое условие), “правильно” их расставить (достаточное условие).
Необходимое количество связей легко подсчитать исходя из следующих соображений.
Каждый узел на плоскости имеет два независимых перемещения - две степени свободы (в пространстве - три). Количество степеней свободы принято обозначать буквой W. Чтобы устранить эти перемещения, на пути каждого из них надо поставить какие-то препятствия - связи. Самой простой связью, устраняющей одно перемещение, является стержень. Тогда если в ферме имеется У узлов, то для их полного закрепления необходимо ввести не менее 2 У стержней для плоской фермы и 3 У - для пространственной. Таким образом, проверка наличия необходимого количества связей сводится к проверке выполнения условия
|
|
|
W = 2У - С £ 0 - для плоской фермы (9.1)
и W = 3 У - С £ 0 - для пространственной,
где С - количество стержней в ферме, включая и опорные.
Совершенно очевидно, что если W > 0, то связей в системе не достаточно и система геометрически изменяема. Если W £ 0, то сооружение может быть геометрически неизменяемым, если оно имеет приемлемую структуру. В том случае, когда W = 0, сооружение имеет только необходимое количество связей для сохранения геометрической неизменяемости. Когда W < 0, система имеет так называемые “лишние” связи.
Расстановку связей проверим, используя правила образования геометрически неизменяемых систем. Выберем за основу любой треугольник, например, 1-2-6. По третьему правилу три стержня, соединенные тремя шарнирами, не лежащими на одной прямой, составляют жесткий (геометрически неизменяемый) диск. К этому диску двумя стержнями, не лежащими на одной прямой, и, следовательно, в соответствии с первым правилом, жестко крепится шарнирный узел 5, далее к образованной таким образом жесткой системе аналогично крепится узел 4 и затем узел 3. Таким образом, ферма 1-2-3-4-5-6 представляет собой жесткий диск, который тремя не пересекающимися стержнями (по второму правилу жестко) крепится к основанию. Следовательно, ферма геометрически неизменяема.
|
|
|
