Шпренгельная ферма
Владельцы патента RU 2668624:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I" (RU)
Изобретение относится к строительству, а именно к фермам покрытий и перекрытий зданий и сооружений, к подкрановым фермам и другим элементам, работающим преимущественно в условиях изгиба. Шпренгельная ферма состоит из балки-распорки, основного шпренгеля, включающего несущую затяжку и стойки с направляющими для ее свободного перемещения, дополнительных парных шпренгелей, включающих стабилизирующие затяжки, свободно пропущенные через направляющие в стойках основного шпренгеля. При этом стабилизирующие затяжки на одной части пролета фермы прикреплены к балке-распорке в ее приопорных зонах, а на другой - к несущей затяжке, и имеют форму ломаных линий, вписанных в кривые переменной кривизны, очертания которых направлены в зоне крепления к несущей затяжке выпуклостью вниз с наименьшим радиусом кривизны в точках наибольших поперечных деформаций балки-распорки, а в зоне крепления к балке-распорке - выпуклостью вверх в пределах внешнего габарита основного шпренгеля. Технический результат состоит в снижении материалоемкости шпренгельной фермы при действии преимущественно односторонних нагрузок. 8 ил.
Изобретение относится к строительству, а именно к фермам покрытий и перекрытий зданий и сооружений, к подкрановым фермам и другим элементам, работающим преимущественно в условиях изгиба.
Известна шпренгельная ферма, состоящая из верхнего прямолинейного пояса и нижнего криволинейного пояса, соединенного с верхним поясом стойками, к которой присоединен дополнительный прямолинейный пояс, прикрепленный одними концами к криволинейному поясу в средине его, а другими - к стенам или иным элементам сооружения, причем дополнительный прямолинейный пояс присоединен к нижним концам стоек, опущенным ниже криволинейного пояса (SU N 58347, Е04С 3/04, 1937).
Недостатком такого конструктивного решения является повышенная материалоемкость шпренгельной фермы, связанная с установкой дополнительного прямолинейного пояса, увеличением длины стоек для его крепления и необходимостью передачи усилий на другие элементы сооружения. В верхнем поясе и стойках шпренгельной фермы кроме осевых усилий в узлах их примыкания возникают изгибающие моменты, что снижает эффективность использования прочностных свойств материала в поперечных сечениях пояса и стоек и, как следствие приводит к дополнительным затратам материала.
Известна комбинированная ферма, включающая прямолинейный пояс и криволинейный несущий элемент, соединенные между собой стойками, при этом стойки выполнены парными, а между ними расположен криволинейный несущий элемент, при этом прямолинейный пояс и стойки объединены между собой малыми подкосами, концы которых находятся на расстоянии 0,25h - 0,3h от точки пересечения стоек с верхним поясом, где h - высота фермы, с двух сторон от середины криволинейного несущего элемента расположены нижние пояса, каждый из которых одним своим концом крепится к несущему элементу и ко второй стойке от центра пролета, где первой стойкой является центральная, а другим концом - к стойке опорного узла (RU 94025633, Е04С 3/04, 20.05.1996).
Недостатком данного технического решения является повышенная материалоемкость, обусловленная неэффективной работой при односторонних нагрузках, часто являющихся для шпренгельных систем определяющими расход материалов, и большая трудоемкость изготовления. Повышенная материалоемкость обусловлена тем, что в конструкции присутствуют дополнительные нижние пояса и стойки с подкосами в виде жестких прямолинейных элементов, включающихся в работу при односторонних загружениях, они имеют избыточные длины и размеры поперечного сечения, определяющие увеличенный расход материалов. Повышенная трудоемкость изготовления обусловлена большим количеством дополнительных элементов и узлов, включающихся в работу только при односторонних нагрузках.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является предварительно напряженная шпренгельная ферма, включающая балку-распорку и основной шпренгель, состоящий из верхних и нижних гибких затяжек с натяжными устройствами, стоек с направляющими для пропуска гибких затяжек и связевых элементов, объединяющих стойки, в пределах внешних габаритов шпренгельной фермы установлены дополнительные парные шпренгели, включающие дополнительные затяжки с натяжными устройствами и стопорными элементами, пропущенные через направляющие в стойках основного шпренгеля и закрепленные у опор фермы и в точках наибольших поперечных деформаций фермы-распорки (RU №2169243, Е04С 3/10, 20.06.2001).
Недостатком данного технического решения является повышенная материалоемкость, обусловленная тем, что дополнительные парные шпренгели и основные верхние и нижние затяжки должны иметь предварительное напряжение, что создает в балке-распорке дополнительную продольную силу и, как следствие, увеличивает расход материалов на предварительно напряженную шпренгельную ферму в целом. Гибкие затяжки парных шпренгелей не связаны между собой и не объединены с гибкими затяжками основного шпренгеля, что не позволяет выравнивать между ними усилия при действии односторонних нагрузок и приводит к увеличенным значениям изгибающих моментов в балке-распорке и повышенному расходу материала на балку-распорку и шпренгельную ферму в целом. Кроме того, наличие верхних и нижних затяжек парных шпренгелей также приводит к дополнительному расходу материала. Очертания гибких затяжек дополнительных парных шпренгелей не соотносятся с эпюрой изгибающих моментов в балке-распорке при действии односторонних нагрузок, что не позволяет эффективно снизить в ней максимумы значений изгибающих моментов, что также приводит к увеличению материалоемкости фермы-распорки и предварительно напряженной шпренгельной фермы в целом.
Задача изобретения - снижение материалоемкости шпренгельной фермы при действии преимущественно односторонних нагрузок.
Технический результат достигается тем, что шпренгельная ферма включает балку-распорку, основной шпренгель, состоящий из несущей затяжки и стоек с направляющими для ее свободного пропуска, дополнительные парные шпренгели, включающие стабилизирующие затяжки, свободно пропущенные через направляющие в стойках основного шпренгеля, на одной части пролета фермы прикрепленные к балке-распорке в ее приопорных зонах, а на другой - к несущей затяжке, имеют форму ломаных линий, вписанных в кривые переменной кривизны, очертания которых направлены в зоне крепления к несущей затяжке выпуклостью вниз с наименьшим радиусом кривизны в точках наибольших поперечных деформаций балки-распорки, а в зоне крепления к балке-распорке - выпуклостью вверх в пределах внешнего габарита основного шпренгеля.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг. 1 - общий вид шпренгельной фермы;
фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1;
фиг. 3-сечение Б-Б на фиг. 2;
фиг. 4 - очертания несущих и стабилизирующих затяжек, где R1(x) - переменный радиус кривизны стабилизирующих затяжек, R2(x) - радиус кривизны несущей затяжки;
фиг. 5 - схема одностороннего загружения шпренгельной фермы;
фиг. 6 - эпюры изгибающих моментов в шпренгельной ферме;
фиг. 7 - узел 1 на фиг. 1;
фиг. 8 - узел 2 на фиг. 1.
Шпренгельная ферма включает балку-распорку 1, например, из стальной профильной трубы, прокатного двутавра и т.п., основной шпренгель, состоящий из несущей затяжки 2 и стоек 3 с направляющими 4 для ее свободного перемещения, дополнительные парные шпренгели, включающие стабилизирующие затяжки 5, 6, свободно пропущенные через направляющие в стойках 3 основного шпренгеля, причем стабилизирующие затяжки 5, 6 на одной части пролета фермы прикреплены к балке-распорке 1 в ее приопорных зонах, а на другой - к несущей затяжке 2, и имеют форму ломаных линий 7, вписанных в кривые переменной кривизны 8, очертания которых направлены в зоне крепления к несущей затяжке 2 выпуклостью вниз с наименьшим радиусом кривизны R1min(x) в точках наибольших поперечных деформаций балки-распорки 1 при одностороннем загружении шпренгельной фермы, а в зоне крепления к балке-распорке 1 - выпуклостью вверх в пределах внешнего габарита стоек 3 основного шпренгеля, в точках взаимного пересечения стабилизирующих затяжек 5, 6 установлены, например, вилочные элементы 9 с возможностью взаимного независимого перемещения затяжек 5, 6, а в точке крепления стабилизирующих затяжек 5, 6 к несущей затяжке 2 установлены, например, крепежные фиксаторы 10, с возможностью совместного перемещения несущей затяжки 2 со стабилизирующими затяжками 5, 6.
Направляющие 4 обеспечивают проектное положение в поперечном направлении и свободное перемещение в продольном направлении несущей 2 и стабилизирующих 5, 6 затяжек, что позволяет выравнивать усилия по их длине.
Вилочные элементы 9 обеспечивают независимость усилий и свободное взаимное перемещение стабилизирующих затяжек 5, 6 (фиг. 7).
Крепежные фиксаторы 10 обеспечивают передачу усилий от несущей затяжки 2 на стабилизирующие затяжки 5, 6 и их совместное деформирование (фиг. 8).
Несущая затяжка 2 и стабилизирующие затяжки 5, 6 крепятся у опор шпренгельной фермы, например, с помощью анкерных устройств 11, 12, включающих высокопрочные болты, упоры с гайками и т.п.
При одностороннем приложении нагрузки на части пролета (фиг. 5) шпренгельной фермы максимальные изгибающие моменты возникают на загруженной части пролета, эпюра изгибающих моментов в основной балочной системе и форма очертания несущей затяжки 2 не подобны друг другу, что приводит к снижению в ней усилий, уменьшению ее упругого отпора и деформированию балки-распорки 1 по S-образной форме и, как следствие, к увеличению значений изгибающих моментов в балке-распорке 1 (фиг. 6), что в итоге повышает материалоемкость балки-распорки 1 и шпренгельной фермы в целом.
При одностороннем загружении шпренгельной фермы со стабилизирующими затяжками 5, 6 за счет их объединения с несущей затяжкой 2, например, крепежными фиксаторами 10 возникает силовая цепь затяжек 13, 14 (фиг. 1), включающая несущую затяжку 2 на участке от ее крепления к анкерному устройству 11 со стороны односторонней внешней нагрузки (фиг. 5) до ближайшей точки крепления со стабилизирующей затяжкой 5 и далее стабилизирующую затяжку 5 до ее крепления к балке-распорке 1 (фиг. 1). Силовая цепь затяжек 13 создает значительный упругий отпор, который через стойки 3 передается на балку-распорку 1, за счет чего в балке-распорке значительно снижаются величины изгибающих моментов.
На загруженной части пролета шпренгельной фермы силовая цепь затяжек 13, направленная выпуклостью вниз, за счет изменения направления кривизны стабилизирующей затяжки 5 позволяет уменьшить в этой части пролета радиус кривизны ее очертания R1min(x) (фиг. 4), в сравнении с радиусом кривизны несущей затяжки 2 R2max(x), что создает в балке-распорке 1 больший упругий отпор и соответственно в большей степени в сравнении с аналогами уменьшает в ней изгибающие моменты и приводит к снижению расхода материала на балку-распорку 1 и шпренгельную ферму в целом.
Назначение минимального радиуса кривизны очертания стабилизирующих затяжек 5 R1min(x) (фиг. 4) в точках наибольших поперечных деформаций балки-распорки 1, где, как правило, возникают наибольшие изгибающие моменты, обеспечивает в этих точках наибольший упругий отпор, а следовательно, наибольшее снижение максимума величин изгибающих моментов в балке-распорке 1, что приводит к уменьшению ее массы и шпренгельной фермы в целом.
На незагруженной части пролета силовая цепь затяжек 13, состоящая из стабилизирующей затяжки 5, вписанной в кривую, очертание которой направлено выпуклостью вверх, за счет упругого отпора, передаваемого через стойки 3, догружает балку-распорку 1 и тем самым выравнивает изгибающие моменты в ней по длине пролета шпренгельной фермы, снижая при этом его максимумы (фиг. 6).
В стабилизирующей затяжке 6, вписанной в кривую, направленную в зоне нагруженной половины пролета шпренгельной фермы выпуклостью вверх, а на незагруженной части пролета выпуклостью вниз, от внешней нагрузки должны возникать, как правило, сжимающие усилия, которые стабилизирующая затяжка 6, как гибкий элемент, не способна воспринимать. Результирующие усилия в ней равны или близки к нулю, следовательно, стабилизирующая затяжка 6 практически не догружает балку-распорку 1.
Таким образом, силовая цепь затяжек 13 на нагруженной части пролета шпренгельной фермы в большей степени снижает результирующий изгибающий момент в балке-распорке 1, а на незагруженной части пролета догружает балку-распорку 1, что в результате приводит к выравниванию по длине пролета максимумов изгибающего момента и, как следствие, к снижению их абсолютных величин (фиг. 6).
При загружении противоположной части пролета шпренгельной фермы усилия в стабилизирующих затяжках 5, 6 и их функции симметрично меняются.
Несущая способность шпренгельной фермы со стабилизирующими затяжками обеспечивается расчетом, в том числе и с учетом односторонних загружений, сечения элементов подбираются при условии обеспечения их прочности и устойчивости. Очертания стабилизирующих затяжек формируются по критерию выравнивания максимумов изгибающих моментов по длине шпренгельной фермы.
Шпренгельная ферма, включающая балку-распорку, основной шпренгель, состоящий из несущей затяжки и стоек с направляющими для ее свободного пропуска, дополнительные парные шпренгели, включающие стабилизирующие затяжки, свободно пропущенные через направляющие в стойках основного шпренгеля, отличающаяся тем, что стабилизирующие затяжки на одной части пролета фермы прикреплены к балке-распорке в ее приопорных зонах, а на другой - к несущей затяжке, и имеют форму ломаных линий, вписанных в кривые переменной кривизны, очертания которых направлены в зоне крепления к несущей затяжке выпуклостью вниз с наименьшим радиусом кривизны в точках наибольших поперечных деформаций балки-распорки, а в зоне крепления к балке-распорке - выпуклостью вверх в пределах внешнего габарита основного шпренгеля.
