Плоские фермы

Пример решения задач на равновесие системы тел (см. § 18) дает расчет ферм. Фермой называется жесткая конструкция из прямолинейных стержней, соединенных на концах шарнирами. Если все стержни фермы лежат в одной плоскости, ферму называют плоской. Места соединения стержней фермы называют узлами. Все внешние нагрузки к ферме прикладываются только в узлах. При расчете фермы трением в узлах и весом стержней (по сравнению с внешними нагрузками) пренебрегают или распределяют веса стержней по узлам. Тогда на каждый из стержней фермы будут действовать две силы, приложенные к его концам, которые при равновесии могут быть направлены только вдоль стержня. Следовательно, можно считать, что стержни фермы работают только на растяжение или на сжатие. Ограничимся рассмотрением жестких плоских ферм без лишних стержней, образованных из треугольников. В таких фермах число стержней k и число узлов связаны соотношением

В самом деле, в жестком треугольнике, образованном из трех стержней, будет три узла (см., например, ниже на рис. 74 треугольник ABD, образованный стержнями 1, 2, Н). Присоединение каждого следующего узла требует два стержня (например, на рис. 74 узел С присоединен стержнями 4, 5, узел Е - стержнями 6, 7, и т. д.); следовательно, для всех остальных узлов потребуется стержней. В результате число стержней в ферме При меньшем числе стержней ферма не будет жесткой, а при большем числе она будет статически неопределимой.

Расчет фермы сводится к определению опорных реакций и усилий в ее стержнях.

Опорные реакции можно найти обычными методами статики (см. § 17), рассматривая ферму в целом как твердое тело. Перейдем к определению усилий в стержнях.

Метод вырезания узлов. Этим методом удобно пользоваться, когда надо найти усилия во всех стержнях фермы. Он сводится к последовательному рассмотрению условий равновесия сил, сходящихся в каждом из узлов.

Ход расчетов поясним на конкретном примере.

Рассмотрим изображенную на рис. 73, а ферму, образованную из одинаковы» равнобедренных прямоугольных треугольников, действующие на ферму силы параллельны оси и численно равны:

В этой ферме число узлов а число стержней Следовательно, соотношение (38) выполняется и ферма является жесткой без лишних стержней.

Составляя уравнения равновесия (29) для фермы в целом, найдем, что реакции опор направлены, как показано на рисунке, и численно равны.

Переходим к определению усилий в стержнях. Пронумеруем узлы фермы римскими цифрами, а стержни - арабскими. Искомые усилия обозначим S, (в стержне ), (в стержне 2) и т. д. Отрежем мысленно все узлы вместе со сходящимися в них стержнями от остальной фермы. Действие отброшенных стержней заменим силами, которые будут направлены вдоль соответствующих стержней и численно равны искомым усилиям Изображаем сразу все эти силы на рисунке, направляя их от узлов, т. е. считая все стержни растянутыми (рис. 73, а; изображенную картину надо представить себе для каждого узла так, как это показано на рис. 73, б для узла III). Если в результате расчета значение усилия в каком-нибудь стержне получится отрицательным, это будет означать, что данный стержень не растянут, а сжат Буквенных обозначений для сил, действующих вдоль стержней, на рис. 73 не вводим, поскольку ясно, что силы, действующие вдоль стержня 1, равны численно вдоль стержня 2 - равны и т. д.

Теперь для сил, сходящихся в каждом узле, составляем последовательно уравнения равновесия (12):

Начинаем с узла где сходятся два стержня, так как из двух уравнений равновесия можно определить только два неизвестных усилия.

Составляя уравнения равновесия для узла получим:

Отсюда находим:

Теперь, зная переходим к узлу II. Для него уравнения равновесия дают откуда

Определив составляем аналогичным путем уравнения равновесия сначала для узла III, затем для узла IV. Из этих уравнений находим:

Наконец, для вычисления составляем уравнение равновесия сил, сходящихся в узле V, проектируя их на ось Получим откуда

Второе уравнение равновесия для узла V и два уравнения для узла VI можно составить как проверочные. Для нахождения усилий в стержнях эти уравнения не понадобились, так как вместо них были использованы три уравнения равновесия всей фермы в целом при определении (см § 181.

Окончательные результаты расчета можно свести в таблицу

Как показывают знаки усилий, стержень 5 растянут, остальные стержии сжаты; стержень 7 не нагружен (нулевой стержень).

Наличие в ферме нулевых стержней, подобных стержню 7, обнаруживается сразу, так как если в узле, не нагруженном внешними силами, сходятся три стержня, из которых два направлены вдоль одной прямой, то усилие в третьем стержне равно нулю. Этот результат получается из уравнения равновесия в проекции на ось, перпендикулярную упомянутым двум стержням. Например, в ферме, изображенной на рис 74, при отсутствии силы РА нулевым будет стержень 15, а следовательно, и 13. При наличии же силы один из этих стержней нулевым не является.

Если в ходе расчета встретится узел, для которого число неизвестных больше двух, то можно воспользоваться методом сечений.

Метод сечений (метод Риттера). Этим методом удобно пользоваться для определения усилий в отдельных стержнях фермы, в частности для проверочных расчетов. Идея метода состоит в том, что ферму разделяют на две части сечением, проходящим через три стержня, в которых (или в одном из которых) требуется определить усилия, и рассматривают равновесие одной из этих частей. Действие отброшенной части заменяют соответствующими силами, направляя их вдоль разрезанных стержней от узлов, т. е. считая стержни растянутыми (как и в методе вырезания узлов). Затем составляют уравнения равновесия в форме (31) или (30), беря центры моментов (или ось проекций) так, чтобы в каждое уравнение вошло только одно неизвестное усилие.

Фермой называется стержневая система, остающаяся геометрически неизменяемой после условной замены ее жестких узлов шарнирными. Фермы имеют назначение, по существу, такое же, как и балки сплошного сечения, но применяются для перекрытия значительных пролетов, когда проектирование сплошных балок (например, двутавровых) становится экономически невыгодным вследствие неполного использования материала стенки, напряжения в которой меньше, чем в полках (см. эпюру нормальных напряжений в поперечных сечениях балки на рис. 4.1), и необходимости утолщения вертикальной стенки в связи с возможностью ее выпучивания (при значительной высоте стенки).

В таких случаях сплошную балку заменяют стержневой системой - фермой, элементы которой (стержни) при действии сосредоточенных нагрузок, приложенных в узлах, работают главным образом на центральное сжатие или растяжение. Это дает возможность значительно лучше использовать материал фермы, так как эпюры нормальных напряжений в поперечных сечениях каждого из ее стержней практически имеют вид прямоугольников. Поэтому ферма легче балки со сплошной стенкой, имеющей одинаковые с ней пролет и высоту. Примером фермы может служить система, изображенная на рис. 4.2.

Кроме плоских ферм, у которых оси всех стержней расположены в одной плоскости, применяются пространственные фермы, оси элементов которых не лежат в одной плоскости (рис. 4.3). Расчет пространственной фермы во многих случаях удается свести к расчету нескольких плоских ферм.

Расстояние между осями опор фермы (рис. 4.4, а) называется пролетом; стержни, расположенные по внешнему контуру фермы, называются поясными и образуют пояса, стержни, соединяющие пояса, образуют решетку фермы и называются: вертикальные - стойками, наклонные - раскосами.

Расстояние между соседними узлами любого пояса фермы (обычно измеряемое по горизонтали) называется панелью.

Классификацию ферм проведем по следующим пяти признакам: 1) характеру очертания внешнего контура; 2) типу решетки; 3) типу опирания фермы;

4) назначению фермы; 5) уровню езды.

По характеру очертания различают фермы с параллельными поясами (рис. 4.4, а) и с ломаным или так называемым полигональным расположением поясов. К последним относятся, например, фермы с параболическим

очертанием верхнего пояса (рис. 4.4, б) и фермы треугольного очертания (рис. 4.4, в).

По типу решетки фермы делятся на: фермы с треугольной решеткой (рис. 4.5, а); фермы с раскосной решеткой (рис. 4.5, б) фермы с полураскосной решеткой (рис. 4.5, в); фермы с ромбической решеткой (рис. 4.5, г); двухрешетчатые (рис. 4.5, д), многорешетчатые (рис. 4.5, е).

По типу опирания фермы могут быть: закрепленными, у обоих концов - балочными (рис. 4.6, а) или арочными (рис. 4.6, д, е); консольными - закрепленными у одного конца (рис. 4.6, б); балочно-консольными (рис. 4.6, в, г).

В зависимости от назначения различают фермы стропильные (рис. 4.7, а), крановые (рис. 4.7, б), башенные (рис. 4.7, в), мостовые (рис. 4.8) и др.

Мостовые фермы в зависимости от уровня езды делятся на фермы с ездой понизу (рис. 4.8, а), фермы с ездой поверху, (рис. 4.8, б) и фермы с ездой посередине (рис. 4.8, в).

Изучение данных вопросов необходимо в дальнейшем для изучения динамики движении тел с учетом трения скольжения и трения качения, динамики движения центра масс механической системы, кинетических моментов, для решения задач в дисциплине «Сопротивление материалов ».

Расчет ферм. Понятие о ферме. Аналитический расчет плоских ферм.

Фермой называется жесткая конструкция из прямолинейных стержней, соединенных на концах шарнирами . Если все стержни фермы лежат в одной плоскости, ферма называется плоской. Места соединения стержней фермы называют узлами. Все внешние нагрузки к ферме прикладываются только в узлах. При расчете фермы трением в узлах и весом стержней (по сравнению с внешними нагрузками) пренебрегают или распределяют веса стержней по узлам.

Тогда на каждый из стержней фермы будут действовать две силы, приложен-ные к его концам, которые при равновесии могут быть направлены только вдоль стержня. Следовательно, можно считать, что стержни фермы работают только на растяжение или на сжатие. Огра-ничимся рассмотрением жестких плоских ферм, без лишних стержней, образованных из треугольников. В таких фермах число стержней k и число узлов n связаны соотношением

Расчет фермы сводится к определению опорных реакций и уси-лий в ее стержнях.

Опорные реакции можно найти обычными методами статики, рассматривая ферму в целом как твердое тело. Перейдем к определе-нию усилий в стержнях.

Метод вырезания узлов. Этим методом удобно пользоваться, когда надо найти усилия во всех стержнях фермы. Он сводится к по-следовательному рассмотрению условий равновесия сил, сходящихся в каждом из узлов фермы. Ход расчетов поясним на конкретном примере.

Рис.23

Рассмотрим изображенную на рис. 23,а ферму, образованную из одинаковых равнобедренных прямоугольных треугольников; действую-щие на ферму силы парал-лельны оси х и равны: F 1 = F 2 = F 3 = F = 2.

В этой ферме число узлов n = 6, а число стержней k = 9. Следовательно, соот-ношение выполняется и ферма является жесткой, без лишних стержней.

Составляя уравнения рав-новесия для фермы в целом, найдем, что реакции опор направлены, как пока-зано на рисунке, и численно равны;

Y A = N = 3/2F = 3H

Переходим к определению усилий в стержнях.

Пронумеруем узлы фермы римскими цифрами, а стержни — арабскими. Искомые усилия будем обозначать S 1 (в стержне 1), S 2 (в стержне 2) и т. д. Отрежем мысленно все узлы вместе со сходящимися в них стержнями от осталь-ной фермы. Действие отброшенных частей стержней заменим силами, которые будут направлены вдоль соответствующих стержней и численно равны искомым усилиям S 1 , S 2.

Изображаем сразу все эти силы на рисунке, направляя их от узлов, т. е. считая, все стержни растя-нутыми (рис. 23, а; изображенную картину надо представлять себе для каждого узла так, как это показано на рис. 23, б для узла III). Если в результате расчета величина усилия в каком-нибудь стержне получится отрицательной, это будет означать, что данный стержень не растянут, а сжат. Буквенных обозначений для сил, действующих вдоль стержней, ни рис. 23 не вводам, поскольку ясно, что силы, действующие вдоль стержня 1, равны численно S 1 , вдоль стержня 2 — равны S 2 и т. д.

Теперь для сил, сходящихся в каждом узле, составляем последо-вательно уравнения равновесия:

Начинаем с узла 1, где сходятся два стержня, так как из двух уравнений равновесия можно определить только два неизвестных усилия.

Составляя уравнения равновесия для узла 1, получим

F 1 + S 2 cos45 0 = 0, N + S 1 + S 2 sin45 0 = 0.

Отсюда находим:

Теперь, зная S 1 , переходим к узлу II. Для него уравнения равнове-сия дают:

S 3 + F 2 = 0, S 4 - S 1 = 0,

S 3 = -F = -2H, S 4 = S 1 = -1H.

Определив S 4 , составляем аналогичным путем уравнения равновесия сначала для узла III, а затем для узла IV. Из этих уравнений находим:

Наконец, для вычисления S 9 составляем уравнение равновесия сил, сходящихся в узле V, проектируя их на ось By. Получим Y A + S 9 cos45 0 = 0 откуда

Второе уравнение равновесия для узла V и два уравнения для узла VI можно составить как поверочные. Для нахождения усилий в стержнях эти уравнения не понадобились, так как вместо них были использованы три уравнения равновесия всей фермы в целом при определении N, Х А, и Y А.

Окончательные результаты расчета можно свести в таблицу:

Как показывают знаки усилий, стержень 5 растянут, остальные стер-жни сжаты; стержень 7 не нагружен (нулевой, стержень).

Наличие в ферме нулевых стержней, подобных стержню 7, обна-руживается сразу, так как если в узле, не нагруженном внешними силами, сходятся три стержня, из которых два направлены вдоль одной прямой, то усилие в третьем стержне равно нулю. Этот результат получается из уравнения равновесия в проекции на ось, перпендикулярную к упомянутым двум стержням.

Если в ходе расчета встретится узел, для которого число неизве-стных больше двух, то можно воспользоваться методом сечений.

Метод сечений (метод Риттера). Этим методом удобно поль-зоваться для определения усилий в отдельных стержнях фермы, в ча-стности, для проверочных расчетов. Идея метода состоит в том, что ферму разделяют на две части сечением, проходящим через три стержня, в которых (или в одном из которых) требуется определить усилие, и рассматривают равновесие одной из этих частей. Действие отброшенной части заменяют соответствующими силами, направляя их вдоль разрезанных стержней от узлов, т. е. считая стержни рас-тянутыми (как и в методе вырезания узлов). Затем составляют урав-нения равновесия, беря центры моментов (или ось проекций) так, чтобы в каждое уравнение вошло только одно неизвестное усилие.

Графический расчет плоских ферм.

Расчет фермы мето-дом вырезания узлов может производиться графически. Для этого сначала, определяют опорные реакции. Затем, последовательно отсекая от фермы каждый из ее узлов, нахо-дят усилия в стержнях, сходящихся в этих узлах, строя соответствую-щие замкнутые силовые многоугольники. Все построения проводятся в масштабе, который должен быть заранее выбран. Рас-чет начинают с узла, в котором сходятся два стержня (иначе не удастся определить неизвест-ные усилия).

Рис.24

В качестве примера рас-смотрим ферму, изображен-ную на рис. 24, а. В этой ферме число узлов n = 6, а число стержней k = 9. Следовательно, соотношение выполняется и ферма является жесткой, без лиш-них стержней. Опорные реак-ции и для рассматри-ваемой фермы, изображаем на-ряду с силами и , как известные.

Определение усилий в стержнях начинаем с рас-смотрения стержней, сходя-щихся в узле I (узлы нуме-руем римскими цифрами, а стержни - арабскими). Мысленно отрезав от этих стержней остальную часть фермы, отбрасываем ее действие отброшенной части также мысленно заменяем силами и , которые должны быть направлены вдоль стержней 1 и 2. Из сходящихся в узле I сил , и строим замкнутый треугольник (рис. 24, б).

Для этого изображаем сначала в выбранном масштабе известную силу , а затем проводим через ее начало и конец прямые, параллельные стерж-ням 1 и 2. Таким путем будут найдены силы и , действующие на стержни 1 и 2. Затем рассматриваем равновесие стержней, сходящихся в узле II. Действие на эти стержни отброшенной части фермы мысленно заменяем силами , , и , направленными вдоль соответствующих стержней; при этом сила нам известна, так как по равенству дей-ствия и противодействия .

Построив из сил, сходящихся в узле II, замкнутый треугольник (начиная с силы ), найдем вели-чины S 3 и S 4 (в данном случае S 4 = 0). Аналогично находятся усилия в остальных стержнях. Соответствующие силовые многоугольники для всех узлов показаны на рис. 24, б. Последний много-угольник (для узла VI) строится для про-верки, так как все входящие в него силы уже найдены.

Из построенных многоугольников, зная масштаб, находим величины всех усилий. Знак усилия в каждом стержне опреде-ляется следующим образом. Мысленно вы-резав узел по сходящимся в нем стержням (например, узел III), прикладываем к обрезам стержней найденные силы (рис. 25); сила, направленная от узла ( на рис. 25), растягивает стержень, а си-ла, направленная к узлу ( и на рис. 25) сжимает его.

Рис.25

Соглас-но принятому условию растягивающим усилиям приписываем знак «+», а сжимающим - знак «-». В рассмотренном примере (pиc. 25) стержни 1, 2, 3, 6, 7, 9 сжаты, а стержни 5, 8 растянуты.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования « БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

Кафедра строительной механики

Д. В. Леоненко

РАСЧЕТ ПЛОСКИХ ФЕРМ

Учебно-методическое пособие для студентов строительных специальностей

Одобрено методической комиссией факультета ПГС

Гомель ■ 2006

ÓÄÊ 539.3 (075.8) ÁÁÊ 38.112

Р е ц е н з е н т – кандидат технических наук В. В. Талецкий (УО «БелГУТ»)

Леоненко, Д. В.

Л47 Расчет плоских ферм: учебно-метод. пособие для студентов строительных специальностей / Д. В. Леоненко. – Гомель: УО «БелГУТ», 2006. – 57 с.

ISBN 985-468-075-4

Изложены краткие теоретические сведения о расчете ферм на стати- ческую подвижную и неподвижные нагрузки. Рассмотрены способы определения усилий в фермах. Приведены подробные примеры решения типовых задач.

Пособие соответствует действующей в настоящее время программе по строительной механике. Предназначено для студентов строительных специальностей всех форм обучения.

ÓÄÊ 539.3 (075.8) ÁÁÊ 38.112

ISBN 985-468-075-4

© Леоненко Д. В., 2006

© Оформление. УО «БелГУТ», 2006

1 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 1.1 Понятие о ферме. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 Классификация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3 Кинематический анализ ферм. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4 Расчет ферм на неподвижную нагрузку. . . . . . . . . . . . . 13 1.5 Анализ напряженного состояния ферм

при неподвижной вертикальной нагрузке. . . . . . . . . . . . 19 1.6 Расчет ферм на подвижную нагрузку. . . . . . . . . . . . . . . 21 1.7 Определение усилий по линиям влияния. . . . . . . . . . . . 27 1.8 Понятие о шпренгельных фермах. . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.9 Кинематический метод построения линий влияния. . . . . 31

2 ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ 2.1 Расчет ферм способом вырезания узлов. . . . . . . . . . . . . 34

2.2 Расчет ферм способом сечений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.3 Расчет ферм на подвижную нагрузку. . . . . . . . . . . . . . . 46 2.4 Расчет шпренгельных ферм. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

1 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1 Понятие о ферме

Стержневая система с жестким или шарнирным соединением прямолинейных элементов в узлах, остающаяся геометрически неизменяемой после условной замены ее жестких узлов шарнирными, называется фермой (рисунок 1.1,à ).

Сфера применения ферм весьма разнообразна: перекрытия зданий большого пролета, мосты, телевизионные башни и др. Рациональность этих конструкций обусловила их широкое распространение в настоящее время.

Расчетная схема фермы. В реальных фермах стержни соединены между собой жестко. При расчетах всегда принимают, что все узлы представляют собой идеальные шарниры, а нагрузки че- рез систему вспомогательных конструкций передаются в узлы ферм (рисунок 1.1, á ,â ).

В жестких узлах фермы возникает незначительный изгиб отдельных элементов, но напряжения от изгиба по сравнению с напряжениями от осевой силы малы, поэтому ими пренебрегают. В то же время в ряде случаев (например, в железобетонных фермах)

расчет осуществляется с учетом жесткости узлов, так как при игнорировании влияния изгибающих моментов возможны существенные погрешности в определении напряженного состояния массивных элементов. При этом ферма по характеру работы приближается к рамным конструкциям.

 действительности же нагрузки приложены не только к узлам, но и к отдельным стержням, т. е. расчетные схемы ферм значительно отличаются от реальных конструкций. Однако и в этом случае к ним применима с достаточной степенью приближения шарнирно-стержневая расчетная схема.

Идеализация расчетных схем, давая возможность упростить расчеты, незначительно сказывается на их точности. Применимость шарнирно-стержневой схемы к реальным фермам подтверждена экспериментально.

 некоторых случаях, особенно при реконструкции существующих сооружений, может оказаться, что кроме узловой неизбежна внеузловая нагрузка. В этом случае стержни, воспринимающие внеузловую нагрузку, будут испытывать изгиб с растяжением или сжатием. Эти стержни отдельно рассчитывают на местную изгибную нагрузку.

Основные элементы фермы. Расстояние между осями опор фермы (рисунок 1.2) называется пролетом. Стержни, располо-

женные по внешнему контуру фермы, называются поясными и образуют пояса. Совокупность стержней фермы между нижним и верхним ее поясами называетсярешеткой. Решетка, как правило, состоит из вертикальных (стоек ) и наклонных (раскосов ) стержней.

Если мысленно двигаться вдоль раскосов от опор фермы к середине, то по одним раскосам придется идти вниз, «нисходить», по другим – вверх, «восходить». В соответствии с этим раскосы подразделяют на нисходящие èвосходящие .

Рисунок 1.2

Часть фермы, расположенная между смежными узлами пояса, называется панелью , а расстояние между этими узлами пояса – длиной панели, наибольшее расстояние между поясами –высотой фермы.

Практика проектирования показывает, что оптимальные фермы получаются при соотношении размеров высоты к пролету примерно 1/ 8 ... 1/ 10.

1.2 Классификация

Фермы классифицируют по нескольким признакам.

В зависимости от характера структуры фермы разделяют на плоские и пространственные. Если все элементы ферм лежат в одной плоскости, их называют плоскими .Пространственными называют фермы, у которых оси всех стержней, включая опорные, не лежат в одной плоскости. Далее будем рассматривать только плоские фермы.

По назначению фермы подразделяют:

на фермы пролетных строений мостов (рисунок 1.3, à ); стропильные, используемые в качестве несущих конструкций покрытий промышленных и гражданских зданий (рисунок 1.3,á ), а также подкрановые фермы; фермы башенных (рисунок 1.3,â ), автомобильных и других кранов;

фермы-мачты линий электропередачи (рисунок 1.3,ã ) è äð.

Рисунок 1.3

По очертанию поясов фермы делят (рисунок 1.4): на фермы с параллельными поясами; треугольные фермы; трапецеидальные фермы;

фермы с криволинейными поясами (полигональные).

У полигональных ферм негоризонтальными могут быть как один, так и оба пояса. Узлы в верхнем и нижнем поясах обычно располагаются по какой-либо кривой – параболической, эллипти- ческой, коробовой или окружности. Стержни таких поясов прямолинейны и являются хордами кривой, на которой располагаются узлы.

Рисунок 1.4

По типу решетки фермы подразделяют на фермы с простой

è сложной решетками.

Ê фермам с простой решеткой (рисунок 1.5) относят:

фермы с раскосной решеткой, которая представляет собой непрерывный зигзаг с попеременно чередующимися раскосами и стойками;

фермы с треугольной решеткой, которая образована только одними раскосами с чередующимся наклоном. К этому же классу принадлежат фермы с треугольной решеткой и дополнительными стойками;

фермы с полураскосной решеткой. Решетки таких ферм образованы путем замены раскосов на полураскосы. В каждой панели имеются два разных по направлению раскоса, идущих к стойке.

Ферма с треугольной решеткой и дополнительными стойками

Ферма с полураскосной решеткой

Рисунок 1.5

Сложными решетками называются такие, которые получаются наложением друг на друга двух и более простых решеток. Фермы с такими решетками (рисунок 1.6) подразделяют:

на фермы с двухраскосной решеткой. Через каждую панель (кроме крайних) этой фермы проходят два раскоса одинакового направления;

двухрешетчатые и многорешетчатые фермы;

шпренгельные фермы. Их решетка образуется введением в

обычную решетку дополнительных элементов - шпренгелей. Шпренгели воспринимают местную нагрузку, приложенную вне узлов основной фермы. Они уменьшают длину панелей сжатых поясов, в результате чего повышается устойчивость сжатых стержней.

Шпренгельные фермы

Многорешетчатая ферма

Рисунок 1.6

По направлению опорных реакций различают безраспорные и распорные фермы.

В опорах безраспорных ферм при действии на них вертикальной нагрузки возникают только вертикальные опорные реакции. Горизонтальная составляющая опорных реакций (распор) в шар- нирно-неподвижной опоре равна нулю.

Безраспорные фермы (рисунок 1.7) в зависимости от расположения опор подразделяются на балочные, консольно-балочные (фермы на двух опорах), а также фермы-консоли, один конец которых оперт, другой свободен.

Заметим, что одна и та же по структуре ферма, но с разными опорами может относиться к различным классам. Так, ферма, изображенная на рисунке 1.9, à , является распорной, а на рисунке 1.9,á – безраспорной.

Рисунок 1.9

В зависимости от уровня езды мостовые фермы делятся на фермы с ездой понизу, фермы с ездой поверху и фермы с ездой посередине (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10

Рассмотренная классификация не является исчерпывающей. В ней указаны наиболее типичные расчетные схемы плоских ферм, которые применяются в практике строительства.

1.3 Кинематический анализ ферм

Всякая ферма, применяемая в строительстве, должна проектироваться так, чтобы она была геометрически неизменяема èнеподвижно прикреплена к земле . Чтобы убедиться в неизменяемости фермы, проводят кинематический анализ. При этом основными понятиями являются диск – неизменяемый элемент сооружения и число степеней свободыW – число независимых геометрических параметров, определяющих положение диска или сооружения на плоскости.

Кинематический анализ состоит из следующих этапов:

à ) определение числа степеней свободыW системы и проверка необходимого аналитического условия неизменяемости;

á ) структурный анализ сооружения и проверка достаточного условия неизменяемости.

Диски и способы их соединения. Простейшим диском является шарнирный треугольник. Присоединяя к нему узлы с помощью двух стержней, оси которых не лежат на одной прямой,

Фермой называется геометрически неизменная шарнирно-стержневая конструкция.
Ферма называется плоской, если все стержни фермы лежат в одной плоскости.
Определенность или устойчивость фермы отображает зависимость количества узлов и стержней фермы:
Ферма определена, устойчивая
K = 2N - 3 ;
Ферма является неопределенной, имеет лишние стержни
K > 2N - 3 ;
Ферма неустойчивая и является механизмом
K < 2N - 3 .
При расчете фермы трением в узлах и весом стрежней пренебрегают, или распределяют вес стержней по узлам.
Все внешние нагрузки (силы) к ферме прикладывают только в узлах, поэтому все стержни фермы испытывают или сжатие, или растяжение.
Расчет фермы сводится к определению опорных реакций и усилий в ее стержнях.
Для определения реакций опор составляют и решают три уравнение равновесия, считая ферму абсолютно твердым телом под действием известных внешних нагрузок (активных сил) и неизвестных реакций опор (реактивных сил).
Для определения усилий в стержнях ферм существует 2 метода.

Метод вырезания узлов
Метод вырезывания узлов заключается в том, что мысленно вырезают узлы фермы, прикладывая к ним соответствующие внешние силы, реакций опор и реакции стрежней, и составляют уравнение равновесия сил, приложенных к каждому узлу.
Вырезается узел с 2-мя неизвестными усилиями, так как в каждом узле составляется сходящаяся система сил, соответственно, составляют два уравнение равновесия
Условно допускают, что все стержни растянуты, т.е. реакции стержней направлены от узлов.

Метод Риттера
Метод Риттера заключается в том, что ферму разделяют на две части сечением, проходящим через три стрежня, в которых нужно определить усилия, и рассматривают равновесие одной из частей. Действие отброшенной части заменяют соответствующими силами, которые направляют вдоль разрезанных стержней от узлов.
Потом составляют уравнение равновесия для плоской произвольной системы сил
Точка Риттера (центр моментов) – это такая точка для каждого с трех рассеченных стрежней, в которой пересекаются два других стержня данного сечения, например точка К – точка Риттера для определения усилия в стержне 6.
Относительно точки Риттера составляют уравнение суммы моментов выбранной части фермы.
В случае, если стержни не имеют точки пересечения, т.е. являются параллельными, составляется уравнение равновесия в виде суммы проекций всех сил выбранной части фермы на ось, перпендикулярную этим стержням.

Плоская ферма опирается на неподвижный и подвижный шарниры. К узлам фермы приложены нагрузки. [1 ]

Плоская ферма опирается на неподвижный и подвижный шарниры. К узлам фермы приложены две вертикальные нагрузки Р и две наклонные - Q и F. Размеры даны в метрах. [2 ]

Плоские фермы, имеющие три связи с фундаментом и отвечающие условиям жесткого закрепления, называются внешне статически определимыми. Если отбросить опорные связи и заменить их действие силами, равными по значению усилиям, возникающим в этих связях при действии внешней нагрузки, то равновесие фермы не нарушится и мы получим ферму, находящуюся в равновесии под действием внешних сил и трех неизвестных усилий в отброшенных связях - так называемых реакций связей. [3 ]

Плоские фермы, образованные добавлением к базовому треугольнику 1 - 2 - 3 (рис. 3.16) каждого из последующих треугольников присоединением двух не лежащих на одной прямой стержней и одного узла, называются простыми фермами. Они обладают свойством геометрической неизменяемости, и для них условие (3.29) оказывается необходимым и достаточным. [4 ]

Плоская ферма, показанная на рисунке, имеет в узлах шарниры без трения и опирается в А и С. Стержни АВ, ВС, DE имеют одну и ту же длину и абсолютно жестки. Четыре наклонных элемента одинаковы как по длине, так и по упругим свойствам. [5 ]

Плоская ферма, имеющая форму правильного многоугольника с Af сторонами, связана радиальными стержнями. Радиальные стержни соединяют центр с каждым из узлов. [6 ]

Сквозная плоская ферма имеет малую горизонтальную жесткость из плоскости и поэтому приобретает устойчивость только в пространственно-жестком блоке с другой фермой. [7 ]

Плоские фермы конструкций стальных опор линий электропередачи, как правило, являются простейшими фермами или образованными наложением двух простейших ферм друг на друга. [8 ]

Простейшей плоской фермой является трехстержневая ферма ABC, изображенная на рис. 5.24, а; она содержит три узла. Добавляя этим же способом новые узлы, как показано на рис. 5.24, б штриховой линией, можно образовать множество более сложных ферм. [9 ]

Простой плоской фермой называется такая ферма, которая может быть получена из треугольной путем последовательного присоединения каждого нового узла при помощи двух новых стержней. [10 ]

Стержневой плоской фермой называется система, образованная прямолинейными стержнями, соединенными друг с другом в определенной последовательности шарнирами, расположенными по концам стержней. При соединении стержней такими шарнирами и воздействии нагрузок, приложенных в узлах, в стержнях возникают только осевые усилия - растягивающие или сжимающие. [11 ]

Стержни плоской фермы, расположенные по ее верхнему контуру, называются верхним поясом, расположенные по нижнему контуру-нижним поясом. [12 ]

Для плоских ферм Л С - 2У 3, если ферма прикрепленная, и Л С - 2У, если ферма свободная. [13 ]