Распространенные типы ферм

Существует множество распространенных форм или моделей ферм, появившихся в результате различных вариантов использования. Одними из наиболее распространенных являются Pratt, Howe, Warren и Modified Warren. Схема фермы относится к расположению внутренних вертикальных и диагональных элементов. Верхние и нижние горизонтальные элементы часто называют поясами ферм или стрелами.

Pratt

Ферма Пратта (впервые предложенная Томасом Праттом в 1844 г.) является одной из наиболее распространенных форм ферм и состоит из вертикальных и диагональных элементов, образующих форму или узор в виде буквы «N». Диагональные элементы расположены так, что они развивают только растягивающие усилия. Как таковые, они могут быть спроектированы так, чтобы противостоять только осевому растяжению, что позволяет избежать необходимости анализа потери устойчивости при сжатии. Вертикальные элементы фермы Пратта развивают силы сжатия. Это означает, что они, как правило, будут более прочными и способными противостоять изгибу. Простота фермы Пратта позволяет использовать методы ручного анализа.

Warren

Ферма Warren полностью не содержит внутренних вертикальных элементов и состоит из ряда равносторонних треугольников. За счет исключения вертикальных элементов ферма Уоррена относительно экономична с точки зрения использования материалов. Внутренние диагональные элементы попеременно сопротивляются силам растяжения и сжатия. Джеймс Уоррен предложил свою ферму Уоррена в 1848 году.

Неслучайно три наиболее распространенных формы ферм появились менее чем за десятилетие. 1840-е годы — это период, который характеризуется Железнодорожной манией . Это был период интенсивных инвестиций и развития железнодорожных сетей. Это привело к инновациям в конструкции мостов, которые дали нам фермы Уоррена, Хоу и Пратта, которые мы так часто видим сегодня.

Модифицированный Уоррен

Одним из последствий отсутствия вертикальных элементов в ферме Уоррена является то, что верхний и нижний горизонтальные пояса должны охватывать относительно большое расстояние между узлами (или соединениями). Это может стать проблемой, когда горизонтальный элемент сжимается. Модифицированная ферма Уоррена повторно вводит вертикальные элементы, уменьшая вдвое расстояние между узлами в верхнем (обычно сжатом) поясе. Это также особенно полезно, когда ферма должна поддерживать второстепенные конструкции, такие как, например, прогоны крыши. Одним из важных условий, которое следует соблюдать при проектировании фермы, является обеспечение приложения любой внешней нагрузки в узловой точке. Этому способствуют вертикальные элементы модифицированной фермы Уоррена.

Ферма Вирендела

Существует множество вариаций распространенных типов ферм, рассмотренных выше. Тем не менее, стоит упомянуть одну конкретную ферму, которая значительно отличается от фермы Vierendeel. Этот тип ферм принципиально отличается тем, как он передает усилия. Общей чертой всех ферм с шарнирным соединением является то, что они состоят из треугольных форм. Это продиктовано их штифтовыми соединениями, не оказывающими сопротивления вращению.

Однако ферма Vierendeel имеет прямоугольные или квадратные «проемы». Это стало возможным благодаря тому, что все элементы соединены жестко. В результате элементы, составляющие ферму Виренделя, развивают как осевые силы, так и изгибающие моменты. Фермы Vierendeel обычно представляют собой гораздо более прочные конструкции из-за необходимости выдерживать осевые и нормальные напряжения из-за изгиба. Преимуществом фермы Виренделя является ее повышенная жесткость (сопровождаемая более высокой стоимостью материала) и тот факт, что пустоты имеют прямоугольную форму. Эта вторая особенность часто делает этот тип фермы подходящим кандидатом в строительных конструкциях, где треугольная ферма может привести к перекрытию окон и дверей.

Проектирование фермы на самом деле является относительно простым процессом; определение приблизительных (схемных) деталей фермы может быть достигнуто с использованием некоторого очень элементарного анализа. Расчет приблизительного размера горизонтальных элементов заключается в определении осевой силы, развивающейся в точке максимального изгибающего момента.

Предположим, что момент развивается в середине пролета свободно опертой фермы. Мы можем найти осевую силу в верхнем и нижнем поясах, разделив момент на доступное плечо рычага, скажем, . В этом случае плечом рычага является расстояние между центроидами верхнего и нижнего поясов. Это даст величину осевой силы в верхнем и нижнем поясах . Силы, возникающие в верхнем и нижнем поясах, образуют внутреннюю пару (две параллельные силы, равной величины и противоположного направления), которая сопротивляется изгибающему моменту, вызванному внешними нагрузками.

Предполагая, что случай сжатия будет определять размер обоих поясов, мы можем просто указать элемент, который имеет сопротивление продольному изгибу, превышающее осевую нагрузку, возникающую из-за изгибающего момента, которому мы должны сопротивляться. Способность к продольному изгибу сильно зависит от расстояния между боковыми ограничителями. То, как ферма удерживается «вне плоскости», является важным соображением, которое нельзя упускать из виду.

Точно так же просто определить размер внутренних элементов, если определена величина внутренних сил в каждом элементе. В большинстве случаев (статически определимые фермы) этого можно легко добиться, выполнив метод соединений и/или метод анализа сечений . Этот анализ позволяет нам быстро спроектировать ряд вариантов фермы в соответствии с конкретным требованием проекта.

Сравнение моделей конструкций с поведением в реальном мире

Важно понимать некоторые общие предположения, которые часто применяются при анализе ферм. На самом деле, эти предположения говорят о более фундаментальном моменте, который применим к структурному анализу в целом и, в частности, к «ручным» методам анализа, в отличие от компьютерного анализа.

Дело в том, что… когда мы приступаем к анализу фермы, мы сначала должны построить модель, на которой будет основываться наш анализ. Эта модель вполне может быть линейной диаграммой, нарисованной на странице. Но мы всегда должны помнить, что модель является несовершенным представлением структуры реального мира . Это наша аппроксимация реальной структуры, и она почти никогда не захватит 100% деталей реальной структуры.

Иногда эти различия между моделью и структурой довольно малы, и в этом случае мы можем быть более уверены в нашем анализе. Однако, если мы не будем осторожны, упрощающие допущения, которые облегчают наш анализ, могут быть настолько ограничивающими, что поведение модели не будет хорошим представлением структуры. Чрезвычайно важно иметь представление о том, как ваши предположения ухудшают точность вашей модели.

Предположения по анализу ферм

Итак, какие допущения применимы к анализу ферм? О первом уже упоминалось; мы предполагаем, что узлы или соединения, соединяющие элементы, ведут себя как штифты. Другими словами, если мы рассмотрим два элемента, соединяющихся в суставе, они будут свободно вращаться относительно друг друга. Из этого следует, что через соединение не могут передаваться никакие изгибающие моменты, только сила.

Это приводит ко второму предположению; элементы внутри фермы подвергаются только осевым нагрузкам, растяжению, сжатию или не подвергаются воздействию силы. При условии, что все внешние нагрузки приложены к соединениям, ни один из элементов не будет изгибаться. Конечно, если бы к элементу между соединениями была приложена внешняя сила, в этом элементе возникли бы нормальные напряжения из-за изгиба, но обычно мы пытаемся по возможности избегать этой «межузловой» нагрузки в фермах.

Возникает очевидный вопрос: насколько верны эти предположения? Что касается штифтовых соединений, то на самом деле настоящие штифты, допускающие свободное вращение, встречаются очень редко. Это в основном обусловлено относительно высокой стоимостью изготовления таких соединений. В стальной ферме соединения почти всегда болтовые или сварные. Таким образом, изгибающие моменты будут в некоторой степени передаваться через соединения и, следовательно, внутри конструкции.

Однако геометрия соединений обычно такова, что их способность передавать крутящий момент весьма ограничена. Таким образом, наше предположение обычно приводит к тому, что модельное поведение относительно мало отклоняется от фактического структурного поведения. Что касается элементов, развивающих только осевые нагрузки, то из нашего обсуждения соединений следует, что если межузловая нагрузка сведена к минимуму, то преобладающим действием, испытываемым на элементы, будет осевая сила. Таким образом, в целом наши модели ферм, которые мы используем для проведения метода сечений и метода анализа соединений, являются довольно разумными приближениями к реальным ферменным конструкциям.

Линкедин Твиттер YouTube

Автор

Доктор Шон Кэрролл

Бакалавр технических наук (с отличием), MSc, PhD, CEng MIEI, FHEA

Привет, я Шон, основатель DegreeTutors . ком. Я надеюсь, что вы нашли этот урок полезным. Проведя 10 лет в качестве преподавателя в университете по проектированию конструкций, я запустила DegreeTutors.com, чтобы помочь большему количеству людей понять инженерию и получить такое же удовольствие от ее изучения, как и я. Не стесняйтесь связаться или подписаться на DegreeTutors в любой из социальных сетей.

Подпишитесь на обновления учебников и курсов

© 2023 DegreeTutors & Mind Map Media Ltd. Все права защищены

Ферма — Проектирование зданий

Мы используем файлы cookie, чтобы обеспечить вам максимальное удобство на нашем веб-сайте. Вы можете узнать о наших файлах cookie и о том, как отключить файлы cookie, в нашей Политике конфиденциальности. Если вы продолжите использовать этот веб-сайт без отключения файлов cookie, мы будем считать, что вы довольны их получением. Закрывать.

Редактировать эту статью

Последнее редактирование 20 окт 2022

См. вся история

Ферма — это конструкция, состоящая из элементов, организованных в соединенные треугольники, так что вся сборка ведет себя как единый объект. Фермы чаще всего используются в мостах, крышах и башнях.

Ферма состоит из перемычки треугольников, соединенных вместе для обеспечения равномерного распределения веса и управления изменением напряжения и сжатия без изгиба или сдвига. Треугольник геометрически стабилен по сравнению с четырехсторонней (или более) формой, которая требует фиксации угловых соединений для предотвращения сдвига.

Фермы состоят из треугольных элементов, состоящих из прямых элементов. Концы этих элементов соединены в соединениях, известных как узлы. Они способны нести значительные нагрузки, передавая их на несущие конструкции, такие как несущие балки, стены или грунт.

Обычно фермы используются для:

• Достигните длинных пролетов.
• Минимизируйте вес конструкции.
• Уменьшенный прогиб.
• Поддержка тяжелых грузов.

Фермы обычно состоят из трех основных элементов:

• Верхний пояс, который обычно подвергается сжатию.
• Нижний пояс, который обычно находится в напряжении.
• Распорка между верхним и нижним поясами.

Верхний и нижний поясы фермы обеспечивают сопротивление сжатию и растяжению и, таким образом, сопротивление общему изгибу, в то время как раскосы противостоят силам сдвига.

Эффективность ферм означает, что они требуют меньше материала для поддержки нагрузок по сравнению со сплошными балками. Как правило, общая эффективность 9Ферма 0013 оптимизирована за счет использования меньшего количества материала в поясах и большего количества в элементах жесткости.

[править] Простая

Это единый треугольник, который можно найти в каркасной крыше, состоящей из стропил и потолочной балки.

[править] Плоская ферма

Плоская ферма представляет собой ферму , в которой все элементы лежат в двухмерной плоскости. Этот тип фермы обычно используется последовательно, с фермы , расположенные параллельно для формирования крыш, мостов и т. д.

В отличие от плоской фермы , лежащей в двумерной плоскости, пространственная рама фермы представляет собой трехмерный каркас из соединенных треугольников.

Существует широкий спектр форм ферм , которые могут быть созданы, различаясь по материалам, общей геометрии и пролету. Некоторые из наиболее распространенных форм описаны ниже.

[править] Ферма Pratt

Также известная как ферма N , эта форма часто используется в зданиях с большими пролетами, с пролетами от 20 до 100 м, где могут преобладать подъемные нагрузки, например в ангарах самолетов. Ферма Pratt использует вертикальные элементы для сжатия и горизонтальные элементы для растяжения. Конфигурация элементов означает, что более длинные диагональные элементы испытывают растяжение только из-за действия гравитационной нагрузки, что позволяет использовать их более эффективно.

[править] Ферма Уоррена

Ферма Уоррена имеет меньше элементов, чем ферма Пратта , и имеет диагональные элементы, которые попеременно находятся в состоянии растяжения и сжатия. Элементы фермы образуют ряд равносторонних треугольников, чередующихся вверх и вниз.

Эта форма фермы обычно используется для коротких пролетов в промышленных зданиях и называется так потому, что позволяет получить максимальную выгоду от естественного освещения за счет остекления на более крутом северном склоне (иногда называемом зубчатая крыша). Это обычное явление на более крутом склоне ферма , чтобы иметь вторую ферму , идущую перпендикулярно плоскости северного сияния фермы , обеспечивая большое пространство без колонн.

Обычно изготавливаемые из дерева и имеющие пролет до 8 м, шкворневые фермы обычно используются при строительстве крыш жилых домов. Они имеют форму простого треугольника с вертикальным элементом между вершиной и нижним поясом.

Подобно ферме шкворня , но с диагональными элементами между центром нижнего пояса и каждым наклонным верхним поясом, фермы шкворня могут иметь пролет 10 м.

Верхний и нижний пояса параллельны, что позволяет строить полы или плоские крыши.

Ферма Белфаста представляет собой ферму , состоящую из нижнего горизонтального элемента или анкерной балки и изогнутого верхнего элемента или дуги, которая имеет меньшие пересекающиеся элементы в различных точках в виде веерной сетки или решетки.