КАК РАБОТАЕТ ФЕРМА?

GANG-NAIL Truss System
КАК РАБОТАЕТ ФЕРМА?
В процессе эволюции зданий было два важных этапа
развития с тех пор, как человек впервые
использовал дерево и камень, чтобы соорудить себе
кров над головой. Это были первые материалы,
используемые как простейшие балки. Римляне
изобрели арки, а фермы развились в средневековой
Европе.
Балка может выдерживать тяжести благодаря
прочности своего изгиба. Таков принцип действия
стропила, бруса, продольной балки, перемычки и
ригеля. Как правило, верхний край балки подвергнут
сжатию, а нижний — натяжению. Эти напряжения
достигают максимума в середине пролета балки; с
удвоением пролета прочность балки нужно
увеличивать в четыре раза. Нагруженные балки
имеют тенденцию прогибаться. Прогиб в большей
мере зависит от длины пролета, нежели от
увеличения прочности.
Деревянная арка
Фермы Gang-Nail основаны на этих простейших
конструкциях. Все составные части фермы сделаны
из дерева, а крепления устроены с использованием
соединительных пластин Gang-Nail.
Римляне обнаружили, что при соединении камней
между собой в форме арки они могут создавать
более длинные пролеты, чем при использовании
камней как простых перемычек и балок. В арке камни
сжаты. Арка будет держаться до тех пор, пока опоры
или контрфорсы обеспечивают сопротивляемость и
не раздвигаются каждый в своем направлении.
Деревянные балки также можно упереть по
отношению друг к другу так, чтобы сформировалась
арка. Деревянные компоненты будут взаимно сжаты
и будут действовать также как обычные балки.
Простая ферма с аркообразным стропилом и
смычкой
Характерный внешний вид фермы — это каркас,
состоящий из множества малых треугольников.
Треугольник — это естественно стабильная форма,
по сравнению с четырехугольным каркасом, если
только его сочленения не неподвижны или же он не
закреплен от угла к углу. Однако такое скрепление
превращает четырехугольник в два взаимосвязанных
треугольника в ферме. Компоненты, составляющие
периметр фермы — пояса — как правило, действуют
и как балки, и как смычки или стойки. Чем меньше
расстояние между креплениями фермы, тем меньшее
поперечное сечение пояса необходимо.
Римский арочный мост
Чтобы арка превратилась в ферму, нужно
обеспечить смычку контрфорсов так, чтобы арка не
могла их отталкивать. Арки, балки, комбинации
смычек опираются сами на себя — так мы получаем
ферму.
10
GANG-NAIL Truss System
Типичная А-образная ферма Gang-Nail
Однако чем больше в ферме соединений, тем
дороже обходится ее изготовление. Проектировщик
фермы может выбрать размещение поясов и сеток,
ему следует найти равновесие между структурной и
производственной эффективностью так, чтобы
конструкция могла выдерживать приложимые к ней
нагрузки.
11
GANG-NAIL Truss System
ОСНОВНАЯ МЕХАНИКА ФЕРМ
Рисунок 2.
Все фермы крыш проектируются для наихудших из
возможных неизменных нагрузок работы и ветра.
Отдельные составляющие ферм проектируются так,
чтобы они выдерживали соответствующие силы, то
есть натяжение, сжатие либо изгиб вместе с силой
натяжения или сжатия.
С = 1 тонна
Натяжение (протяжка). В случае этой силы, когда
компоненты растягиваются или подвергаются силе
натяжения, говорят, что они находятся в
напряженном состоянии. Способность компонентов
сопротивляться силе натяжения зависит от
устойчивости материала и поперечного сечения.
Если сила сжатия С будет
приложена к колонне такого
же поперечного сечения 100 х
38 мм, но в два раза длиннее,
она обязательно начнет
расшатываться, может быть,
даже обрушится.
1 тонна
1 тонна
Однако, если мы в предыдущем примере
поддержим колонну длиной 2400 мм посередине
неподвижным образом, она сможет выдержать вес в
1 тонну.
если 100 х 50 максимальная сила натяжения 1
тонна
1/2 тонны
С = 1 тонна
1 тонна
С=Max; Сила сжатия
Рисунок 1.
1 тонна
Рисунок 3.
1/2 тонны
Рисунок 4.
тогда 50 х 50 максимальная сила натяжения
будет 1/2 тонны
С = 1 тонна
Если середина колонны
длиной 2400 мм будет
закреплена, она сможет
выдержать такой же вес, как
и колонна длиной 1200 мм.
Из примера видно, что в том случае, если
поперечное сечение составляющей удваивается,
удваивается и ее способность выдерживать силы
натяжения.
Закрепленный против
шатания центр.
Сжатие (толкание). Если составляющая
подвергается этой силе, иногда ее называют
колонной. В отличие от напряженной
составляющей, способность колонны выдерживать
силы сжатия зависит не только от зоны
поперечного сечения, но и от устойчивости
материала, длины колонны и формы ее
поперечного сечения в целом.
1 тонна
Когда такая неподвижная опора используется в
решетчатых компонентах, ее называют решетчатой
связкой, которая используется в соединениях со
скосами (см. рисунок 5 а).
Если одна тонна — максимальная сила сжатия,
которую может выдержать деревянная колонна
длиной 1200 мм и сечением 100 х 38 мм без
продольного изгиба, то колонна 100 х 38 мм и в
два раза длиннее под воздействием такой же
силы обязательно начнет расшатываться, может
быть, даже обрушится.
Рисунок 5a.
Скосы в середине решетки
12
Упомянутая
решетчатая
связка.
Закрепляет в
середине
каждую решетку
фермы.
GANG-NAIL Truss System
Сила сгиба , а точнее, момент сгиба, - это результат
силы, которая приложена к консоли, например, к
доске трамплина или обычной балке.
Обрешетка со скосами формирует неподвижные
опоры, которые должны устранить шатание поясов
фермы вбок (см. рисунок 5b).
Рисунок 5b.
Обрешетку (или продольные
балки) нужно жестко
прикрепить к верхнему
поясу, чтобы не допустить их
шатания вбок.
Нагрузка, которую может выдержать балка, зависит
как от устойчивости материала, так и от формы
поперечного сечения балки. В отличие от колонны, в
случае балки чем глубже вгиб (при такой же зоне
поперечного сечения), тем более устойчив материал
будет к сгибанию. Как и в случае с колонной, балкам,
подверженным моменту сгиба, нужны боковые
связки.
Сила
сжатия
Чем глубже сгибается балка, тем больше связок
необходимо.
Сила сжатия
Устойчивость колонны зависит и от формы ее
поперечного сечения. Чем симметричнее форма,
тем больше устойчивость (если принять, что
поперечное сечение такое же).
Рисунок 8.
Рисунок 6.
Поперечное сечение 2500 мм 2
Более глубокий прогиб (при такой же зоне
поперечного сечения) более устойчив к сгибанию.
Поперечное сечение 2500 мм 2
Например, компонент 100 х 25 с площадью
поперечного сечения 2500 мм не будет столь же
устойчив к сжатию, как компонент 50 х 50, принимая,
что длина и устойчивость материала одинаковы.
Рисунок 7.
13
GANG-NAIL Truss System
Рисунок 10a.
Силы в составляющих
В случае многих простых ферм можно
определить, какие силы будут действовать в
каждой конкретной составляющей, не производя
никаких расчетов.
вес 1000 кг
В примере на рисунке 9 мы видим простую Аобразную краевую ферму с равномерно
распределенной нагрузкой по верхним и нижним
поясам. Нагрузка от крыши передается по
обрешетке, нагрузка потолка — по обрешетке
потолка.
Это означает, что пояса подвергаются ка силе
сгиба, так и силам сжатия и натяжения. В случае
такого распределения нагрузок верхний пояс
выдерживает силы сжатия и сгиба. Самая
короткая сетка подвергается сжатию, а самая
длинная — натяжению. Геометрия как Аобразных, так и В-образных краевых ферм
создана так, чтобы в нормальных условиях
самые длинные сетки подвергались натяжению,
а самые короткие — сжатию. Это делается для
того, чтобы сократить размеры деревянных
деталей в решетках, подверженных сжатию.
Балка Oregon 350 х 75
Если такая же нагрузка будет создана для
универсальной стальной балки (см. рисунок 10b),
краткосрочный прогиб составит примерно 1 мм.
Долгосрочный прогиб также будет 1 мм.
Рисунок 9.
Рисунок 10b.
С = сила сжатия
вес 1000 кг
Т = сила натяжения
опора
опора
Прогиб
Когда составляющая подвергается натяжению,
сжатию или сгибу (элементу сгиба), под
влиянием силы она деформируется независимо
от того, насколько устойчив материал и как
велико поперечное сечение. Величина
деформации зависит тем не менее от
устойчивости материала, формы и размера
поперечного сечения.
краткосрочный прогиб = 1мм
долгосрочный прогиб = 1 мм
Универсальная стальная балка 310 х 165 мм
Деревянная ферма (см. рисунок 10с) также
прогнется под таким же весом, однако благодаря
треугольной сетке (которая делает ее крепче) она
намного более неподвижна, чем большая стальная
балка, которая весит в три раза больше, а стоит в
пять раз больше, чем деревянная ферма.
На рисунке 10а видно, как будет прогибаться
балка Oregon на 32 мм, как только посередине
будет помещен груз весом в тонну. Если такая
нагрузка сохранится, через 20-24 месяца прогиб
увеличится в три раза. Такое увеличение прогиба
со временем, без увеличения веса называется
«прогибом в результате ползучести».Такой
прогиб характерен для деревянных конструкций,
однако его можно не учитывать для других
материалов, например, стали.
14
GANG-NAIL Truss System
Рисунок 10c.
Рисунок 11.
вес 1 тонна
форма
ненагруженной
фермы
форма
нагруженной
фермы
типичная ферма
встроенный вгиб
краткосрочный прогиб = 2мм
долгосрочный прогиб = 6 мм
Ферма выгибается так, чтобы верхний пояс
примерно через два года стал прямым.
Из этих примеров становится ясно, что
деревянные фермы — очень эффективные
конструктивные элементы.
Рисунок 12.
Идеальная
форма фермы
Изгиб
Чтобы компенсировать прогиб, который
возникает из-за нагрузки, фермы
изготавливаются с направленным вверх
выгибом. После установки ферма немного
прогнется. Она прогнется еще больше, когда на
нее начнут воздействовать нагрузки крыши и
потолка, а со временем прогиб увеличится из-за
ползучести.
панельный
вгиб
форма
ненагруженной
фермы
форма
нагруженной
фермы
выгиб фермы
Долгосрочная деформация фермы под
распределенной нагрузкой на верхний и нижний
пояс.
Так как пояса подвергаются распределенной
нагрузке, они также прогнутся между узлами
фермы дополнительно к тому, что ферма как
целое также прогибается вниз.
Анализ ферм и проектирование
составляющих
Этот прогиб пояса называется «панельным
вгибом», и его нельзя компенсировать в
процессе производства, как это можно сделать
с прогибом фермы. Все варианты стандарта
ферм проектируются так, чтобы панельный вгиб
был наиболее приемлемым.
Когда нормативные нагрузки известны и форма
фермы выбрана, можно начать анализ фермы,
чтобы определить, какие нагрузки возникнут на
каждый отдельный компонент. Это процесс
производится на компьютере, с использованием
хорошо известных методов строительной
механики. Для компьютеризированного анализа
выбираются компоненты подходящего размера и
степени напряженности и производятся расчеты
ожидаемых из-за нагрузки прогибов.
Компоненты фермы подвергаются комбинации
сгиба, сдвига и сжатия или натяжения. Эта
комбинация может меняться в период служения
конструкции из-за возникновения новых
обстоятельств, поэтому нужно предусмотреть
все возможные ситуации. Деревянные
компоненты должны соответствовать
требованиям каждой нагрузки согласно АS
1720.1 «Деревянные конструкции», часть 1 методы проектирования для каждой нагрузки.
15
GANG-NAIL Truss System
Критерии эффективности соединений
Gang-Nail
КАК РАБОТАЮТ СОЕДИНЕНИЯ
GANG-NAIL
Экономически невыгодно выбирать одноединственное соединение, эффективное в случае
любых нагрузок, используя весь широкий
ассортимент коммерческой древесины Австралии.
MiTek Australia Ltd. разработала несколько
соединительных пластин различной толщины,
расположения и профиля шипов:
Соединение Gang-Nail — это стальная пластина с
несколькими шипами, или гвоздями, с одной
стороны. Эти шипы создаются путем выбивания в
стальной пластине отверстий, причем
выштампованные шипы остаются прикрепленными к
пластине. Шипы формируются так, чтобы
располагаться под прямым углом к пластине. В этом
процессе шипам придается такая форма, чтобы
образовалась неподвижная выпуклость. Когда шипы
соединения вдавливаются в края совмещенных
деревянных деталей, пластина «сплавляет» их
вместе, формируя стык Gang-Nail. Соединения
всегда используют в идентичных парах пластин,
которые вдавлены с обеих сторон стыка.
GQ - размер 20 (толщина 1,1 мм), оцинкованная
сталь. Универсальное соединение. Много коротких,
острых шипов — 128 шипов на площади 100 мм х
100мм.
GE - размер 18 (толщина 1,2 мм), оцинкованная
сталь. Похож на GQ. Использовать, если
необходима дополнительная устойчивость стали.
G8S - размер 18 (толщина 1,2 мм), нержавеющая
сталь. Это соединение используется только в том
случае, если среда очень коррозивна. 70 шипов на
площади 100 мм х 100мм.
G8S - размер 16 (толщина 1,6 мм), оцинкованная
сталь. Суперустойчивое соединение. 144 шипа на
площади 100 мм х 190 мм.
Технические данные
Качество соединений Gang-Nail соответствует
австралийскому стандарту AS1649 «Древесина —
методы проверки механических соединений —
Основные рабочие нагрузки и типичные силы».
Дополнительно к проверкам пластин в новых
проектах, MiTek Australia Ltd. проводит регулярные
проверки уже существующих соединений и
занимается долгосрочным наблюдением за
соединениями, подверженными постоянной
нагрузке. Подразделение лесной продукции
австралийской организации научных и
промышленных исследований и подразделение
технологий леса лесничества Нового Южного
Уэльса также провели значительную
исследовательскую работу по проблеме гвоздевых
соединений металлических пластин.
Идея проста, однако, чтобы соединение Gang-Nail
было эффективным, нужно найти верное
равновесие между формой шипов и
концентрацией, толщиной пластин соединения и
гибкостью. Нынешние исследования и развитие
обеспечивают лицензированным производителям
MiTek доступность самых эффективных систем
ферм.
Всеобъемлющие программы тестирования ферм
проведены университетами Западной Австралии и
Аделаиды, Австралийским государственным
университетом и станцией тестирования циклонов
Института Каприкорна.
16