Стропильные фермы покрытия типа «Молодечно» получили широкое распространение в строительстве в странах СНГ. Интересный факт: своё название фермы получили в честь города, где их стали изготавливать впервые - г. Молодечно в Минской области Республики Беларусь.
В статье будут рассмотрены современные альтернативы стропильным фермам покрытия типа «Молодечно».
Фермы типа «Молодечно» производились по серии 1.460.3-14 1982г., позже замененной на серию 1.460.3-23.98 2000г. 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 м и 30 м. Монтажные соединения - фланцевые. Соединение элементов решетки с поясами ферм бесфасоночное.
Рисунок 1 - Стропильная ферма покрытия типа «Молодечно»
При всех плюсах стропильных ферм типа «Молодечно» у них есть и серьезные минусы. Самый опасный из них - узлы, которые требуют особого внимания проектировщика. Как правило, стержни фермы получаются с большим запасом, 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. В связи с этим логично для верхнего пояса использовать сечение, развитое в плоскости изгиба - двутавр.
Следует отметить, что шпренгельные фермы покрытия чувствительные 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 длине перекрываемого пролета.
Для малоуклонных покрытий применяются шпренгельные фермы с уклоном верхнего пояса 3%.
Верхний пояс фермы выполнен 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%.
Верхний пояс фермы выполнен из прокатного двутавра, решетка из парных уголков, подвес из круглой стали. Затяжка может быть из парных уголков или швеллеров.
Рисунок 5 - Шпренгельная ферма покрытия с уклоном верхнего пояса 12%
Сопряжение верхнего пояса в коньке как правило жесткое.
Рисунок 6 - Эпюра моментов в верхнем поясе для среднеуклонной (12%) шпренгельной фермы
Узлы крепления схожи с узлами для малоуклонной шпренгельной фермы. Узлы сопряжения элементов решетки между собой и с поясами - на болтовых соединениях. В середине пролета ригеля так же предусматривается подвес - тяж из прутка.
Рисунок 7 - Типовые узлы крепления для среднеуклонной (12%) шпренгельной фермы
Пример конструкции крутоуклонного ригеля с затяжкой
Для значительных уклонов кровли применяет крутоуклонный ригель с затяжкой, уклон верхнего пояса 30%.
Ригель выполнен из прокатного двутавра, подвес - из круглой стали. Затяжка может быть из парных прокатных уголков, мелкого швеллера, круглой стали или полосы.
Стропильные фермы с таким уклоном широко применяются в сельскохозяйственной отрасли: коровники, свинарники, птичники и пр.
Рисунок 8 - Крутоуклонный ригель с затяжкой, уклон верхнего пояса 30%
В узле сопряжения ригеля с горизонтальной затяжкой и в коньковом узле 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 эксценриситете 0,0193L, где L - фактический пролет 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. В то же время шпренгельные ригели покрытия состоят из стержневых отправочных марок, что обеспечивает более плотную упаковку в автотранспорт при доставке готовых конструкций с завода металлоконструкций на строительную площадку, это снижает транспортные расходы.
Монтажные соединения отправочных марок для ферм типа «Молодечно» фланцевые. Такой узел требует больших трудозатрат на производстве для подготовки поверхности фланцев. В ригелях покрытия, состоящих из шпренгельных ферм, для нижних поясов и затяжек применяются узлы на накладках. Это решение дешевле в производстве и проще в монтаже.
Также, рассматриваемые конструкции позволяют при относительно небольших пролетах 18м и 24м применять сталь С390, снижая массу и итоговую стоимость конструкций.
В итоге, можно сказать, ригели на основе шпренгельных ферм имеют некоторые преимущества в сравнении с традиционными металлическими стропильными фермами из профильных труб.
Применение шпренгельной фермы с уклоном верхнего пояса 12% эффективнее в сравнении с малоуклонной шпренгельной фермой (уклон до 3%) - при пролете 18м, металлоемкость ниже на 20%, а при пролете 24м - на 30-35%. Применение крутоуклонного ригеля с затяжкой наиболее эффективно при пролете до 24 м.
Для того, чтобы понять, при каком пролете целесообразно использовать то или иное решение, ниже приведём график, на котором указаны типы конструкций, которые мы считаем рационально применять для различных диапазонов пролёта.
Рисунок 11 - График рациональной области применения различных решений ригеля в зависимости от пролета