Стропильные фермы покрытия типа «Молодечно» давно зарекомендовали себя в строительстве в странах СНГ. Название фермы получили благодаря городу Молодечно в Минской области Республики Беларусь, где их начали впервые производить.
В статье будут рассмотрены современные альтернативы стропильным фермам покрытия типа «Молодечно».
Фермы типа «Молодечно» производились по серии 1.460.3-14 1982 г., позже замененной на серию 1.460.3-23.98 2000 г. Конструкция покрытия представляет собой двухскатные стропильные фермы с уклоном верхнего пояса 10%, горизонтальным нижним поясом и равномерной треугольной решеткой с нисходящими опорными раскосами. Фермы могут быть пролетом 18, 24 и 30 м. Монтажные соединения - фланцевые. Соединение элементов решетки с поясами ферм бесфасоночное.
Рисунок 1 — Стропильная ферма покрытия типа «Молодечно»
Несмотря на то, что стропильные фермы «Молодечно» имеют много преимуществ, у них также есть серьезные недостатки. Наиболее опасный из них — узлы, которые требуют пристального внимания проектировщика. Обычно стержни фермы имеют большой запас прочности, но узлы при этом не выдерживают.
Наряду с фермами типа «Молодечно», для перекрытия эквивалентных пролетов, можно применять шпренгельные конструкции.
Что такое шпренгельные фермы?
«Шпренгельными называются стержневые системы, которые состоят из основных элементов, способных работать самостоятельно, и дополнительных, которые предназначены для уменьшения изгибающих моментов в основных элементах, для повышения жесткости конструкции в целом (уменьшения прогиба) или для усиления ферм и балок. Дополнительные элементы еще называют шпренгелем.» [«Металлические конструкции. Материалы и основы проектирования». Источник — АРСС]
В шпренгельных фермах покрытия, в отличие от классических ферм, в верхнем поясе возникает значительный изгибающий момент. Поэтому логично для верхнего пояса использовать сечение, развитое в плоскости изгиба — двутавр.
Однако шпренгельные фермы покрытия чувствительны к неравномерным нагрузкам. Связано это с тем, что в балках возникает неравномерный изгибающий момент.
Примеры конструкций шпренгельных ферм
Рассмотрим наиболее распространенные решения стропильных ферм покрытия с использованием шпренгельных конструкций и конструкций с затяжками, для различных уклонов кровли, нагрузок и длины перекрываемого пролета.
Для малоуклонных покрытий применяются шпренгельные фермы с уклоном верхнего пояса 3%
Верхний пояс фермы выполняется из прокатного двутавра, решетка из парных уголков, подвес из круглой стали. Затяжка может быть из парных уголков или швеллеров.
Рисунок 2 — Шпренгельная ферма покрытия с уклоном верхнего пояса 3%
Уклон верхнего пояса в 2-3% незначительно влияет на форму потери устойчивости и распределение усилий. Расчетная схема эквивалента ригелю с верхним поясом без уклона.
Рисунок 3 — Эпюра моментов в верхнем поясе для малоуклонной (2-3%) шпренгельной фермы
Узлы сопряжения элементов решетки между собой и с поясами выполняются на болтовых соединениях. Сопряжение верхнего пояса в коньке — жесткое.
В середине пролета ригеля предусматривается подвес — тяж из прутка, который ограничивает провисание нижнего пояса.
Рисунок 4 — Типовые узлы крепления для малоуклонной (2-3%) шпренгельной фермы
Для покрытий с бóльшим уклоном применяются шпренгельные фермы с уклоном верхнего пояса 12%
Уклон пояса увеличивается до 12%. В целом, узлы и элементы остаются похожими на предыдущий вариант.
Рисунок 5 — Шпренгельная ферма покрытия с уклоном верхнего пояса 12%
Рисунок 6 — Эпюра моментов в верхнем поясе для среднеуклонной (12%) шпренгельной фермы
Рисунок 7 — Типовые узлы крепления для среднеуклонной (12%) шпренгельной фермы
Пример конструкции крутоуклонного ригеля с затяжкой
Для значительных уклонов кровли применяется крутоуклонный ригель с затяжкой, уклон верхнего пояса 30%
Стропильные фермы с таким уклоном широко применяются в сельском хозяйстве: коровники, свинарники, птичники и пр.
Ригель принимается из прокатного двутавра, подвес — из круглой стали. Затяжка может быть из парных прокатных уголков, мелкого швеллера, круглой стали или полосы.
Рисунок 8 — Крутоуклонный ригель с затяжкой, уклон верхнего пояса 30%
В коньковом узле и в узле сопряжения ригеля с горизонтальной затяжкой заданы эксцентриситеты для уменьшения изгибающего момента в балке. Изменение узлового эксцентриситета существенно влияет на несущую способность — до 55-65% увеличения несущей способности ригеля при введении эксцентриситетов. При этом уклон 30% позволяет снизить значения оптимальных узловых эксцентриситетов.
Рисунок 9 — Эпюра моментов в верхнем поясе для крутоуклонного (30%) ригеля
Узлы сопряжения элементов ригеля между собой выполняются на болтовых соединениях. В середине пролета предусматривается подвес для ограничения прогиба затяжки. Коньковый узел сопряжения верхнего пояса — шарнирный, с эксцентриситетом.
Для узла сопряжения ригеля с горизонтальной затяжкой и в коньковом узле принимается одинаковое значение эксцентриситета. Исследования показали, что минимальный изгибающий момент в верхнем поясе конструкции достигается при узловом эксцентриситете 0,0193L, где L — длина фактического пролета конструкции.
Рисунок 10 — Типовые узлы крепления для крутоуклонного (30%) ригеля
Подведём итоги
Значительную часть в стоимости конструкций стропильных ферм занимает их транспортировка. Фермы покрытия типа «Молодечно» состоят из крупногабаритных отправочных марок. Тогда как шпренгельные ригели покрытия состоят из стержневых отправочных марок, что обеспечивает более компактное размещение в автотранспорте при доставке готовых конструкций с завода на строительную площадку, что ощутимо снижает транспортные расходы.
Монтажные соединения отправочных марок для ферм типа «Молодечно» фланцевые, что увеличивает трудозатраты на производстве для подготовки поверхности. В ригелях покрытия, состоящих из шпренгельных ферм, для нижних поясов и затяжек применяются узлы на накладках. Это решение дешевле в изготовлении и проще на монтаже.
Также, шпренгельные фермы позволяют при относительно небольших пролетах 18 и 24 м применять сталь С390, снижая массу и итоговую стоимость конструкций.
В итоге, ригели на основе шпренгельных ферм имеют ряд определенных преимуществ перед традиционными металлическими стропильными фермами из профильных труб.
Преимущества использования двутавра в верхнем поясе фермы для беспрогонных систем описаны в статье «Особенности применения ферм с поясами из горячекатаного двутавра».
Применение шпренгельной фермы с уклоном верхнего пояса 12% эффективнее в сравнении с малоуклонной шпренгельной фермой (уклон до 3%) — при пролете 18 м, металлоемкость ниже на 20%, а при пролете 24 м — на 30-35%. Применение крутоуклонного ригеля с затяжкой наиболее эффективно при пролете до 24 м.
Для выбора оптимальных решений в зависимости от длины пролета, представлен график (рисунок 11), на котором указаны типы конструкций, наиболее целесообразные для различных пролетов.
Рисунок 11 — График рациональной области применения различных решений ригеля в зависимости от пролета