Ограничения по применению ферм с нисходящим опорным раскосом

Инженерам-проектировщикам хорошо знакома ситуация: нужно быстро подобрать тип фермы под конкретный пролёт, нагрузки и условия эксплуатации. При этом выбор между восходящим и нисходящим опорным раскосом — не просто вопрос геометрии. От этого зависит работа всей конструкции, её устойчивость и безопасность. Разбираемся, какие ограничения накладывают нормы и в чём разница в работе раскосов.

Опорный раскос фермы — это диагональный элемент, соединяющий верхний и нижний пояса фермы, причём один из его концов закреплён в области опоры. Если раскос направлен вверх при движении от опор к середине пролёта, его называют восходящим, а если вниз — нисходящим.

Рисунок 1 — Фермы с восходящим и нисходящим опорным раскосом

Нормативные ограничения по применению ферм с нисходящим опорным раскосом

В редакции №3 СП 16.13330.2017 (2019) появился пункт 15.2.7, ограничивающий применение ферм с нисходящим опорным раскосом. В актуальной редакции №7 (2024) формулировка этого пункта была уточнена:

Указанные ограничения согласуются с областью применения ферм «Молодечно» из гнутосварных труб (серия 1.460.3-23.98), поэтому можно предположить, что требования пункта 15.2.7 во многом основаны именно на опыте эксплуатации этой серии.

При этом встречаются и примеры применения ферм с нисходящим опорным раскосом для больших пролетов — от 36 метров (например, серия 11-2482). В таких случаях пояса выполняются из двутавров, поэтому данные конструкции уже не попадают под рассматриваемое ограничение.

Если вам интересны подобные решения, рекомендуем обратить внимание на типовые системы покрытий, в которых фермы имеют пояса из двутаврового сечения:

• Система покрытия на основе ферм с верхним поясом из двутавра пролетом 18 м, 24 м и 30 м;
• Система покрытия на основе ферм с поясами из двутавра пролетом 36 метров.

Рассматриваемое требование может оказаться критичным для нового несерийного проектирования. Однако согласно разъяснениям ЦНИИСК оно носит рекомендательный характер и не является обязательным к применению. Тем не менее, для правильного использования этого положения на практике важно разобраться в его сути и понять, чем могут быть обусловлены введённые ограничения.

Письмо ЦНИИСК Разъяснение п. 15.2.7 СП16

pdf

pdf

432.61 Kb

Работа ферм с восходящим и нисходящим опорным раскосом

При воздействии вертикальной нагрузки на ферму в восходящем опорном раскосе возникает сжимающее усилие, а в нисходящем — растягивающее. Это принципиально влияет на поведение конструкции при аварийных ситуациях:

• восходящий (сжатый) опорный раскос: сжатый раскос при увеличении усилий в случае аварийной ситуации, как правило, выходит из строя из-за потери устойчивости и может перейти в новую форму равновесия, что не всегда приводит к обрушению конструкции. А в случае отказа опорного узла фермы от растягивающего усилия, вызванного опорным моментом, поменяется статическая схема фермы с образованием опорного шарнира, но это не приведет к мгновенному обрушению (так как при жестком прикреплении стропильных ферм к колоннам они рассчитываются чаще всего как разрезные);
• нисходящий (растянутый) опорный раскос: при увеличении растягивающего усилия в опорном раскосе в случае аварийной ситуации возможно хрупкое разрушение сварного соединения между опорным раскосом и верхним поясом фермы, что создает высокий риск полного обрушения конструкции.

Для зданий класса КС-3 (ответственные и массово посещаемые объекты) это различие имеет принципиальное значение: согласно ГОСТ 27751-2014 конструкции таких зданий должны быть устойчивы к прогрессирующему обрушению. В этом контексте фермы с восходящим опорным раскосом обеспечивают большую надёжность и резерв прочности.

Опыт эксплуатации и анализ аварий

Практика эксплуатации подтверждает уязвимость ферм с нисходящим опорным раскосом:

• Магнитогорский металлургический комбинат: обрушение стропильной фермы произошло без превышения расчётных нагрузок вследствие отказа нисходящего опорного раскоса. Причиной стали дефекты сварных швов и недостаточная надёжность крепления опорного узла. Сварные соединения не осматривались и не ремонтировались, что привело к накоплению дефектов. [1]

  Рисунок 2 — Стропильная ферма Магнитогорского металлургического комбината

• Случаи аварий ферм типа «Молодечно»: в докладе компании «Эркон» описаны три аварии, вызванные непроварами в стыковых сварных швах растянутых раскосов фермы. Во всех случаях нагрузки не превышали расчётные. [2]

  Рисунок 3 — Отказ опорного раскоса фермы типа «Молодечно»

Выводы

• Фермы с нисходящим опорным раскосом имеют нормативные ограничения по области применения, однако эти ограничения носят рекомендательный характер и не являются обязательными.
• Основное отличие ферм с разными типами опорных раскосов заключается в их работе и конструктивных особенностях:
  • фермы с восходящим опорным раскосом, как правило, жёстко закрепляются на опорах, а сам раскос работает на сжатие и не подвержен хрупкому разрушению, что обеспечивает большую устойчивость к прогрессирующему обрушению в аварийных ситуациях;
  • нисходящий опорный раскос работает на растяжение, что повышает риск хрупкого разрушения сварных соединений и, как следствие, обрушения конструкции, что особенно критично для зданий класса КС-3.
• Опыт эксплуатации показывает, что дефекты сварных соединений в растянутых стержнях фермы могут привести к внезапному обрушению даже при нормальных нагрузках.

Источники