СТРОИТЕЛЬНАЯ ФЕРМА Российский патент 2000 года по МПК E04C3/11 

Изобретение относится к области гидрологии, а также строительства, в частности к гидрометрическим решетчатым мостам, в которых ферма может быть использована как несущая конструкция пролетного строения и которые могут быть использованы на водных потоках с устойчивыми руслами и берегами для выполнения гидрометрических измерений, с максимальной шириной по урезу в период горизонта высоких вод до 30 м и при перепаде уровня воды до 3-4 м. В конструкциях перекрытий зданий и сооружений данное изобретение может найти применение в качестве стропильной фермы, в том числе с местной загрузкой поясов.

Известна строительная ферма с неравными панелями, длина которых уменьшается от середины пролета к опорам, содержащая верхний сжатым и нижний растянутый пояса, стержни раскосной системы решетки с переменным направлением раскосов (треугольной системы решетки) и стойки. Такая ферма с местной загрузокй поясов считается наиболее экономичным решением в случае, когда длина панелей фермы уменьшается от середины пролета к опорам [1] (с. 250, фиг. 13).

Недостатком известной фермы является отсутствие единообразия в схемах узлов, которые по этой причине неудобны и трудоемки для конструирования. Это обстоятельство практически не позволяет запроектировать ферму, состоящую из сборных унифицированных элементов, что является особенно важным при проектировании пролетных строений мостов различного назначения. Кроме того, при большой местной загрузке поясов в средней части пролета фермы приходится значительно увеличивать сечения поясов, что приводит к увеличению материалоемкости.

Известна равнопанельная строительная ферма с параллельными поясами, включающая верхний сжатый и нижний растянутый пояса, стержни треугольной решетки и стойки, а также дополнительные стойки, каждая из которых одним концом прикреплена к раскосу вне узла, а другим концом - к нижнему растянутому поясу, также вне узла, в точке, отстоящей от него на расстоянии примерно 1/4 длины панели [2]. Такая конструкция решетки позволяет снизить материалоемкость за счет уменьшения расчетной длины раскосов. Однако из-за значительной длины дополнительных стоек достигаемый экономический эффект является небольшим.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является равнопанельная строительная ферма моста параболического очертания, содержащая параболический верхний сжатый и нижний растянутый пояса, нисходящие стержни раскосной системы решетки, стойки и расположенные между всеми стойками подкосы, каждый из которых одним концом прикреплен к раскосу в средней точке, а другим концом - к нижнему растянутому поясу вне узла в точке, отстоящей от него на расстоянии примерно 1/7 длины панели [1] (с. 802). Известная строительная ферма моста параболического очертания принята за прототип.

Недостатком прототипа является то, что его конструкция позволяет только немного снизить материалоемкость за счет уменьшения расчетной длины раскосов, так как подкосы имеют значительную длину - половину длины раскосов. Кроме этого, снижению материалоемкости не способствует то, что прототип является равнопанельной фермой.

Указанные недостатки в предлагаемой ферме сведены к минимуму. При создании изобретения были решены задачи снижения материалоемкости и повышения надежности устройства за счет дополнения решетки фермы системой коротких стержней, позволяющих значительно уменьшить расчетные длины стержней решетки, прогибы поясов от местной загрузки и повысить устойчивость сечения поясов при работе на изгиб.

В предлагаемой строительной ферме треугольного, параболического, полигонального или какого-либо другого очертания с непараллельными поясами, с длинами панелей, уменьшающимися от середины пролета к опорам, содержащей верхний сжатый и нижний растянутый пояса, стержни раскосной системы решетки, стойки, а также подкосы и дополнительные стойки, каждая из которых одним концом прикреплена к раскосу вне узла, а другим концом - к нижнему поясу, также вне узла, сущность изобретения заключается в том, что подкосы и дополнительные стойки введены в решетку строительной фермы в средней части пролета и имеют меньшее поперечное сечение, чем сопряженные с ними стержни фермы, при этом в каждой панели одна часть подкосов прикреплена к стойкам под углом 45^o вне узла, а другим концом - к нижнему поясу, также вне узла, другая часть подкосов прикреплена к раскосам вне узла, а другим концом - к верхнему поясу, также вне узла, причем расстояния между точками крепления подкосов и дополнительных стоек к поясам и ближайшими узлами (их геометрическими центрами) определяются исходя из приближенного расчета поясов на прочность от местной загрузки и расчета раскосов на устойчивость при сжатии с учетом их предельной гибкости, устанавливаемой нормами [3], и составляют примерно 1/6 длины панели.

Предлагаемая строительная ферма соответствует критерию "Новизна", так как она не известна из уровня техники, и соответствует критерию "Изобретательский уровень", так как для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

На фиг. 1 приведена строительная ферма треугольного очертания с подкосами и дополнительными стойками в средней части пролета. На фиг. 2 - фрагмент строительной фермы треугольного очертания на фиг. 1 в средней части пролета. На фиг. 3 - расчетная схема балки для определения площади поперечного сечения нижнего пояса, используемая для определения оптимального расстояния которое соответствует минимальной материалоемкости строительной фермы и удовлетворяет условиям прочности и устойчивости ее элементов.

Строительная ферма содержит верхний сжатый пояс 1, нижний растянутый пояс 2, раскосную решетку 3, стойки 4, дополнительные стойки 5 и подкосы 6, расположенные в средней части пролета фермы.

Устройство работает следующим образом.

При загрузке фермы (в том числе при местной загрузке поясов) верхний пояс 1 и раскосы 3 сжимаются, а нижний пояс 2 и стойки 4 растягиваются и, кроме того, от местной загрузки нижний пояс 2 изгибается и прогибается. Существенному уменьшению изгиба и прогиба нижнего пояса способствуют опорные закрепления подкоса 6 и дополнительной стойки 5, которые под воздействием подвижной нагрузки P растягиваются и вовлекают в работу стойку 4, раскос 3 и посредством их верхний пояс 1. Кроме этого, опорные закрепления раскоса 3 посредством подкоса 6 у верхнего пояса 1 и дополнительной стойки 5 у нижнего пояса 2 уменьшают расчетную длину раскоса 3 при его сжатии и, таким образом, увеличивают устойчивость раскоса.

В целом благодаря наличию подкосов и дополнительных стоек в средней части пролета фермы значительно уменьшаются расчетные длины стержней решетки и местные прогибы нижнего пояса, а также повышается его устойчивость при работе на изгиб. Кроме этого, повышается жесткость фермы в целом и в результате уменьшаются прогибы узлов фермы в середине пролета при действии эксплуатационных нагрузок.

Для определения оптимального расстояния (см. фиг. 2) приведем обоснование расчетных формул и результаты расчета по ним в табличной форме.

Площади поперечных сечений подкосов и дополнительных стоек определяются исходя из расчета на устойчивость при сжатии по нормам [3]. При этом с учетом запаса гибкости подкосов и дополнительных стоек должны быть не более 150.

При определении площади поперечного сечения дополнительной стойки или подкоса предварительно определяется радиус инерции r_g его поперечного сечения

где l_g - длина дополнительной стойки или подкоса (расстояние между точками закрепления);
λ - гибкость дополнительной стойки или подкоса, принимаемая по нормам [3], но не более 150.

Площадь F_g поперечного сечения дополнительной стойки или подкоса определяется по формуле
F_g = I_g/r_g ²
где I_g - момент инерции поперечного сечения дополнительной стойки или подкоса.

Оптимальное горизонтальное расстояние между узлом фермы на нижнем поясе и точкой крепления дополнительной стойки (подкоса) к поясу может быть определено на основании расчета части длины пояса между точками крепления дополнительной стойки и подкоса как простой однопролетной балки, загруженной сосредоточенной силой P в середине пролета l_п - 2a_о, где l_п - длина панели. Для выполнения этого расчета предварительно следует задаться некоторым расстоянием a_о. На основании расчета для каждого заданного значения a_о определяются геометрические характеристики поперечного сечения нижнего пояса и затем объем материала нижнего пояса Определяются длина подкоса и дополнительной стойки в зависимости от расстояния a_о, площади поперечных сечений дополнительной стойки и подкоса и затем также объемы материалов подкоса и дополнительной стойки V'₂ и V''₂ (см. расчетные формулы, константы и результаты расчетов в таблице). Объемы V'₂, V''₂ суммируются. В результате каждому заданному значению a_о соответствует объем материала V, включающий нижний пояс и сопряженные с ним дополнительную стойку и подкос.

Результаты расчетов для определения оптимального расстояния a_о представлены в таблице.

Расчетные формулы F₁ = b•h;
Константы^*)
l_п = 300 см; P = 150 кгс; σ = 1600 кГc/cм²; b = 0,4 см; F₂ = 1,46 см²; F'₂ = 1,94 см²; tgϕ = 0,857; cos 45^o = 0,707.

В приведенных формулах и обозначениях констант:
M - изгибающий момент в середине пролета l_п-2a_о;
W - момент сопротивления площади поперечного сечения нижнего пояса;
σ - напряжение в крайних волокнах поперечного сечения нижнего пояса от изгиба;
h - высота поперечного сечения нижнего пояса в форме пластины шириною b;
F₁ - площадь поперечного сечения нижнего пояса;
объем материала нижнего пояса в пределах длины панели l_п;
V'₂ - объем материала подкоса;
F₂ - площадь поперечного сечения подкоса или дополнительной стойки при a_о = 37,5 см;
F'₂ - площадь поперечного сечения подкоса или дополнительной стойки при a_о = 75,0 см;
V''₂ - объем материала дополнительной стойки;
ϕ - угол между направлением раскоса и нижним поясом;
V - суммарный объем материала нижнего пояса, подкоса и дополнительной стойки.

Остальные обозначения были пояснены в тексте ранее.

^*) Площадь сечения F₂ соответствует площади сечения уголка 20х20х4, а площадь сечения F'₂ - площади сечения уголка 32х20х4.

Для определения оптимального значения соответствующего минимальному значению V, была применена интерполяционная формула Ньютона при равных разностях аргумента [4]. При этом начальное значение a_о принималось равным 0. На основании применения этой формулы оптимальное расстояние определялось по формуле

где V₁, V₂, V₃ - значения объема V, соответствующие первому, второму и третьему значениям аргумента a_о;
Δa_o - разность аргумента.

В рассматриваемом случае в соответствии с результатами расчета расстояния по указанной формуле при Δa_o = 37,5 см равно 49.4 см. При l_п = 300 см относительное расстояние
Аналогичным образом расстояние a_п вдоль раскоса между узлом на верхнем поясе и точкой крепления к раскосу подкоса определяется по формуле

где l_г - геометрическая длина раскоса (между центрами верхнего и нижнего узлов);
l_р - расчетная длина раскоса (расстояние между опорными закреплениями).

Расчетная длина раскоса определяется по формуле
l_p = r•λ_п,
где r - радиус инерции поперечного сечения раскоса, принимаемого по результатам общего статического расчета фермы без учета подкосов и дополнительных стоек;
λ_п - предельная гибкость раскоса, принимаемая по нормам [3].

Таким образом, результаты расчетов по приведенным формулам показывают, что оптимальное расстояние составляет 1/6 длины панели l_п. При этом удовлетворяются условия прочности и устойчивости элементов строительной фермы.

В заявляемом изобретении по сравнению с прототипом благодаря сочетанию неравнопанельной фермы с подкосами и дополнительными стойками в средней части пролета снижение материалоемкости составляет ≈ 20%. Одновременно благодаря уменьшению прогиба узлов фермы приблизительно на 30% повышается надежность устройства. Причем подкосы и дополнительные стойки не учитывались в общем статическом расчете фермы. Площади сечения подкосов и дополнительных стоек принимались с запасом исходя из расчетной гибкости этих элементов при сжатии.

Источники информации
1. Деревянные конструкции. Справочник проектировщика промышленных сооружений. Л., ОНТИ, 1937 - 955 с.

2. Беккер Г.Н. Ферма с параллельными поясами. Авт. свид. СССР N 781293, кл. E 04 C 3/04.

3. Стальные конструкции. Глава СНиП П-23-81^*. - М.: Стройиздат, 1990.

4. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Под редакцией д.т.н., проф. А.А. Уманского. Госстройиздат.- М: 1960 - 1040 с.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве несущей конструкции пролетного строения решетчатых гидрометрических мостов и как стропильная ферма в перекрытиях зданий, сооружений. Технический результат изобретения - повышение жесткости фермы. Строительная ферма содержит верхний сжатый и нижний растянутый непараллельные пояса, стержни раскосной решетки, стойки, а также дополнительные стойки и подкосы. Каждая из дополнительных стоек одним концом прикреплена к раскосу вне узла, а другим концом к нижнему поясу, также вне узла, при этом длины панелей уменьшаются от середины пролета к опорам. Подкосы и дополнительные стойки расположены только в средней части пролета фермы и имеют меньшее поперечное сечение, чем сопряженные с ними стержни фермы, при этом одна часть подкосов прикреплена к стойкам под углом 45° вне узла, а другим концом - к нижнему поясу, также вне узла, другая часть подкосов прикреплена к раскосам вне узла, а другим концом - к верхнему поясу, также вне узла, причем точки крепления к поясам подкосов и дополнительных стоек отстоят от ближайших узлов на расстоянии 1/6 длины панели. 3 ил., 1 табл.

Строительная ферма, содержащая верхний сжатый и нижний растянутый непараллельные пояса, стержни раскосной решетки, стойки, а также подкосы и дополнительные стойки, каждая из которых одним концом прикреплена к раскосу вне узла, а другим концом - к нижнему поясу, также вне узла, при этом длины панелей уменьшаются от середины пролета к опорам, отличающаяся тем, что подкосы и дополнительные стойки введены в решетку строительной фермы в средней части пролета и имеют меньшее поперечное сечение, чем сопряженные с ними стержни фермы, при этом одна часть подкосов прикреплена к стойкам под углом 45^o вне узла, а другим концом - к нижнему поясу, также вне узла, другая часть подкосов прикреплена к раскосам вне узла, а другим концом - к верхнему поясу, также вне узла, причем точки крепления к поясам подкосов и дополнительных стоек отстоят от ближайших узлов на расстоянии 1/6 длины панели.