Балки и Фермы

Балки и фермы представляют собой несущие пролетные конструкции. Они располагаются обычно параллельно друг другу, поддерживая жесткий диск покрытия, и передают нагрузки на несущие стены или колонны, а через них на фундаменты и основания. Стены в местах опирания балок, ферм и других видов плоскостных несущих элементов при пролетах более 12-15 м обычно усиливают пилястрами. Устойчивость здания с покрытием, опертым на колонны, обеспечивают введением продольных и поперечных связей в виде стен жесткости, диагональных растяжек между колоннами (через 2-3 шага), жестких рам, включенных в общую конструктивную схему. Кроме того, в одноэтажных зданиях высотой до 10-12 м устойчивость может быть еще достигнута жесткой заделкой колонн в фундаменты, которые в этом случае должны быть рассчитаны и на восприятие ветровых нагрузок.

Балки изготовляют с двухскатным верхним поясом и с параллельными поясами; фермы - двухскатные; с параллельными поясами и сегментного очертания (рисунок 74).

Высота балок и ферм и других плоскостных конструкций определяется обычно как отношение к пролету и зависит от жесткости и прочности материала, от нагрузок, воспринимаемых конструкцией, и от допускаемых прогибов, которые определяются строительными нормами и правилами для разных систем покрытий (обычно в границах от 1/200 до 1/300 пролета). Для современных высокопрочных материалов последнее условие - основное; поэтому принимать конструктивную высоту ниже указанных в учебнике границ без принятия соответствующих мер недопустимо. В качестве мер, применяемых для некоторого уменьшения конструктивной высоты плоскостных элементов, следует упомянуть жесткую заделку опор балочных элементов, устройство разгружающих консолей с, внешних сторон опор, предварительное напряжение, создающее в конструкции обратный выги. Деревянные большепролетные балки и фермы применяют в зданиях 111 класса, возводимых главным образом в сельских местностях и в местностях, богатых, лесом. Клееные балки изготовляют из досок, уложенных плашмя на клею и зажатых до полного отвердевания клея струбцинами. Клееные балка длиной до 12 м имеют прямоугольное сечение, а более длинные -двутавровое. Высота их-1/10-1/12 пролета (рисунок 75 б, в). Гвоздевые балки имеют сшитую на гвоздях стенку из двух слоев досок, наклоненных в разные стороны под углом 45. Верхний и нижний пояс гвоздевых балок образуется за счет нашитых с обеих сторон продольных брусьев, скрепленных, кроме того, вертикальными накладками (с зазором) перед двухслойной стенкой балки. Высота гвоздевых балок 1/6-1/8 пролета (рисунок 75,а). К деревянным фермам можно причислить бревенчатые и брусчатые висячие стропила плотницкой работы, рассмотренные в главе Х.

Деревянные фермы применяют для пролетов более 18 м и при условии соблюдения профилактических противопожарных мероприятий. Схема деревянных ферм приведена на рисунке 75. Верхний и нижний пояс их изготовляют из брусьев квадратного сечения со стороной, равной пролета; сжатые элементы выполняют из брусьев прямоугольного сечения, растянутых из парных досок, или стальных затяжек с винтовыми нарезками на концах для натяжения их с помощью гаек с подкладными шайбами. Устойчивость деревянных ферм обеспечивают деревянными раскосами, связями, установленными по краям и в середине фермы нормально их плоскости, и кровельными настилами, образующими жесткий диск покрытия.

При шаге до 3 м по деревянным балкам и фермам укладывают деревоплиту, составленную из сплошных щитов, сшитых гвоздями (или на клею) из досок на ребро толщиной 120 мм и длиной 6 м. Щиты укладывают в перевязку для получения неразрезности и повышения жесткости покрытия. По деревоплите нашивают двойной перекрестный настил - нижний слой поперек досок деревоплиты из брусьев сечением 40 x 30 мм с интервалами 200 мм, верхний из древесностружечных плит или досок толщиной 19 мм, что служит основанием под рулонную кровлю. При шаге балок или ферм более 3 м по ним укладывают прогоны из брусьев (рисунок 75,г). По фермам прогоны укладывают над конструктивными узлами верхнего пояса, а по балкам через 1-1,5 м. На прогоны устанавливают облегченные кровельные щиты холодные из двойного перекрестного дощатого настила или утепленные. Утепленные щиты имеют обвязку из древесностружечных плит или досок - снизу одинарных, а сверху двойных перекрестных под рулонную кровлю с заложенным между ними утеплением из плит фибролита и подобных ему материалов с пароизоляцией под утеплителем.

I, II, V— фермы со скатными поясами; III — с верхним поясом, в виде

ломаной линии; IV — с криволинейным верхним поясом:

V — с перекрестной решеткой: I, II, III, VI — с треугольной решеткой;

VII— шпренгельная с затяжкой; ж,-б, м. дер — характерные формы

соответственно для железобетонных, металлических п деревянных ферм;

I — верхний пояс; 2—нижний пояс; 3 —стойки и подкосы решетки

Рисунок 74 - Основные схемы ферм

а — балка из досок на гвоздях; б, в — балка клееная; г — деревянная

ферма; I — металлический элемент для крепления балки к опоре болтами;

2 — выравнивающий клин; 3 — слой толь-кожи наверху балки;

4 — верхний пояс деревянной фермы; 5 — чиж-пиа пояс; 6 — подкосы;

7 — металлические подвески; 8 — деревянные прогоны и щиты;

9 — колонна; 10 — самонесущая стена

Рисунок 75 - Деревянные балки к фермы

а — скатная с параллельными поясами; б — скатная с ломаным нижним поясом;

в — горизонтальная с параллельным поясом; г — двускатная; д — половина железобетонной сборной фермы с предварительно напряженным нижним

поясом; I— металлическая пластинка для крепления к опоре болтами; 2 — закладные детали для приварки настилов; 3 — железобетонная подушка под балкой;

4 — карнизный элемент; 5 — железобетонные плиты настила; 6 — пароизоляция, утеплитель, стяжка и гидроизоляционный ковер; 7 — верхний пояс фермы;

8 — нижний пояс фермы; 9-стойки; 10 — подкосы; II — канал для закладки при монтаже предварительно напряженной стержневой арматуры; 12— натяжная муфта; 13 — опорная шайба, закрывающая канал; 14-трубка для нагревания цементного раствора в канал

Рисунок 76- Железобетонные балки и фермы

Железобетонные фермы изготовляют для пролета 18 м цельные, а для пролета 24 м и более — составные из двух полуферм или из более мелких частей (рисунок 76 д). Высоту железобетонных ферм принимают от 1/6 до 1/10 пролета. Ширина верхнего сжатого пояса железобетонных ферм составляет обычно 400 мм, а высота — 1/100—1/70 пролета. Железобетонные фермы изготовляют из бетона марок 300— 400. При монтаже составных ферм верхний по­яс соединяют на сварке закладных деталей. В элементы нижних поясов, в которых предусмотрены продольные каналы, вводят сквозные стержни арматуры и напрягают их с заполнением канала раствором так же, как в предварительно напряженных балках. Фермы, в которых сжатые элементы выполнены из железо­бетона, а растянутые — из напряженных стальных стержней, называют металложелезобетонными.

Стальные балки имеют двутавровое сечение и проектируются как прокатные или составные для пролетов до 12 м (реже до 18 м). Высота их принимается 1/10—1/15 пролета, ширина полок от 1/3 до- 1/5 высоты балки, ширина вертикальной стенки 1/100—1/140 той же высоты, но не менее 8 мм. В балках длиной более 6 м следует устраивать ребра жесткости с шагом, равным примерно 1,5 высоты балки. Ребра жесткости должны быть расположены под ребрами настила, уложенного на балку (рисунок 77 а).

а — составная двутавровая балка; б —ферма; в —. горизонтальные и вертикальные связи жесткости; 1 — верхний пояс двутавровой балки;

2 — нижний пояс; 3 —верти­кальная стенка; 4—уголки жесткости над опорой;^;5—пластинки жесткости;6— места сварки элементов пояса и стенки:

7 — возможное усиление пояса из полосовой стали; 8— верхний пояс фермы;

9 — нижний пояс фермы; 10 — стойки;11 — подкосы; 12 — фасонки;

13 —- соединительные вкладыши; 14 — элемент крепления фермы к опоре;

15 — опорная колонна; 16 — самонесущая стена; 17 — настил с пароизоляцией, утеплителем, стяжкой и гидроизоляционным слоем;

18 — фермы; 19- горизонтальные связи; 20—вертикальные связи между фермами; 21 — вертикальные связи между колоннами; 22 — распорка

Рисунок 77 - Металлические балки и фермы

Стальные балки, так же как и другие металлические конструкции: фермы, колонны, рамы, должны быть надежно защищены в случае возникновения пожара от непосредственного соприкосновения с огнем, так как металл под воздействием огня очень быстро теряет несущую способность, а это может вызвать обрушение всего покрытия. В этих целях стальную конструкцию в зданиях либо обетонивают, либо ограждают специальными бетонными плитами, несгораемыми подвесными потолками и т. п.

Стальные фермы применяют при пролете более 24 м. Очертания стальных ферм принимают двухскатные, с параллельными поясами и сегментные (рисунок 77). Высота металлических ферм составляет обычно 1/6-1/40 пролета. Стальные фермы изготовляют в заводских условиях из прокатных профилей (уголков или швеллеров), соединенных обычно при помощи металлических листов (косынок) на сварке. В сжатых элементах уголки располагают так, чтобы получить наиболее жесткое крестообразование или Т-образное сечение. Для пролетов более 30 м фермы выполняют из стальных профилей трубчатого или коробчатого сечения, что сокращает расход стали до 20-30% по сравнению с фермами из прокатных профилей. Недостатки стальных ферм - необходимость их периодической окраски и применения противопожарных мероприятий.

В ходе быстрого технического прогресса в нашей стране за последнее время широко освоено производство крупноразмерных сварных балок и ферм из алюминиевых сплавов, т. е. из алюминия с добавлением магния, меди, кремния и других составных частей. Основное преимущество таких конструкций в их сравнительно небольшом весе (2,7 т/м3 против веса стали 7,85 т/M~, а также коррозиестойкости и незначительном изменении прочности при больших падениях температуры. (Как известно, многие сорта стали при понижении температуры ниже 500 С уже не могут быть использованы в конструкциях из-за повышенной хрупкости.)

По сравнению со стальными, алюминиевые конструкции имеют и недостатки. Это - меньшая прочность коррозиеустойчивых алюминиевых сплавов сравнительно с прочностью стали обычных марок (1-2 тыс. кгс/см2 против 2000-3400 кгс/см2), меньшая жесткость алюминиевых конструкций вследствие меньшего модуля упругости (400 000 кгс/см2 против 2 100000 кгс/см2 у стали) и их примерно в 5- 6 раз большая стоимость по сравнению с ценой стальных конструкций. Меньшая прочность и меньшая жесткость алюминиевых сплавов вынуждают несколько завышать высоту сечений у конструкций из этих материалов по сравнению с такими же конструкциями из стали.

Что касается стоимости алюминиевых сплавов, то в связи с расширением и совершенствованием алюминиевой промышленности и удешевлением электроэнергии, необходимой для производства алюминия, можно предполагать, что цена алюминиевых сплавов будет падать, а объем производства этого прогрессивного материала - увеличиваться.

В настоящее время конструкции покрытий из алюминиевых сплавов выгодно применять при использовании легких плит покрытий в большепролетных конструкциях, так как уменьшение их веса дает экономию в расходе материала на опорные элементы и фундаменты. Кроме того, расходы по содержанию алюминиевых конструкций значительно меньше, чем расходы по содержанию стальных конструкций, которые надо периодически окрашивать. Поэтому алюминиевые сварные балки выгодно применять над пролетами от 12 до 18 м, а фермы - с З0 м и выше. Особенно удобно использовать эти конструкции в северных малодоступных районах нашей страны, где в связи с малым весом и морозостойкостью конструкции из алюминиевых сплавов часто представляют единственное технически и экономически оправданное решение. При проектировании конструкций покрытий из алюминиевых сплавов следует иметь в виду, что непосредственное соприкасание их с другим металлом, деревом, бетоном и иными строительными материалами не допускается: возможна коррозия алюминия в этих местах. Изоляцию разнородных материалов в местах соприкасания выполняют специальными прокладками из полиизобутилена и тиоколовок ленты, а помимо этого еще оцинкованием или кадмированием стальных поверхностей, пропиткой антипиреном деревянных деталей, соприкасающихся с алюминием, и покрытием щелочеупорным битумным лаком частей конструкций, опирающихся на бетон.

Железобетонные, стальные и алюминиевые фермы больших пролетов обладают недостаточной жесткостью в поперечном направлении, ввиду чего для обеспечения их устойчивости устанавливают связи и принимают следующие меры:

а) жестко приваривают железобетонные плиты I покрытия к верхнему поясу фермы, вследствие чего все фермы соединяются между собой жестким диском по верхнему поясу;

б) узлы нижних поясов край, них и средних пар ферм соединяют между собой распорками, установленными параллельно продольной оси покрытия и диагональными растяжками (из уголков небольшого профиля), создающими жесткие диски в плоскости нижнего пояса;

в) верхние и нижние узлы крайних и средних пар ферм соединяют между собой диагональными растяжками, которые вместе с рас порками, соединяющими нижние пояса ферм, и плитами, приваренными к верхним поясам, создают жесткие диски в вертикальных плоскостях, проходящих через одноименные узлы нижних и верхних поясов;

г) в тех случаях, когда поверх ферм укладывают легкие, недостаточно жесткие плиты, все верхние пояса между собой дополнительно соединяются распорками и диагональными растяжками.