Галузь застосування. Ферми досить широко поширені як в цивільному, так і в промисловому будівництві. Областю застосування ферм на лобовому врубками з тяжами з круглої сталі є покриття з покрівлями з листової сталі, хвилястих азбестоцементних плит, черепиці, а також горищні покриття з підвісними стелями.
До числа недоліків ферм на врубках слід віднести кустарного їх виготовлення, майже виключає можливість механізації виробничих процесів і вимагає виконавців високої кваліфікації.
Переваги та недоліки ферм на врубках. Такі ферми виготовляють на будівельному майданчику без застосування спеціального обладнання, вони можуть виконуватися з напівсухого, а в разі крайньої потреби навіть з сирого круглого лісу. При цьому можливе провисання ферм внаслідок усушки деревини та обмятія сполучень може бути усунуто в процесі експлуатації скороченням робочої довжини тяжів (підтягуванням їх шляхом додаткового загвинчування гайок).
Ферми на лобовому врубками.
Загальні відомості. Ферми, у яких сполучення основних елементів - верхнього пояса з нижнім, стислих розкосів з поясами - здійснюється врубкой одного елемента в інший без застосування інших видів робочих кріплень, звуться ферм на врубках. Ферми на врубках виконують з масивних лісоматеріалів - колод або брусів.
Обриси і схеми ферм. Основним типом кроквяних ферм на лобовому врубками є трикутні ферми для покриттів з крутим двосхилим профілем, притаманних більшості будівель. Рідше застосовують ферми з багатокутним або прямокутним контуром. Основні схеми застосовуються ферм на лобовому врубками зображені на рис.5.3.
Найпростіші трикутні ферми, утворені трьома елементами: двома похилими кроквяними ногами і горизонтальної затягуванням, застосовують при невеликих прольотах - до 6 м (ріс.5.3.а). Горищне перекриття з огляду на невелику прольоту може бути опертий безпосередньо на зовнішні стіни.
Ріс.5.3.Схеми ферм на лобовому врубками
При прольотах до 10 м і необхідності підвісити горищне перекриття до фермам застосовують найпростіші трикутні ферми з середньою стійкою - підвіскою, здійснюваної з круглої сталі або дерева (ріс5.3.б). Через підвіску навантаження від горищного перекриття передають на верхній коньковий вузол ферми.
При невеликих відстанях між фермами (1,5-3 м) навантаження від покрівлі розподіляють рівномірно по довжині верхнього пояса, внаслідок чого іноді для розвантаження пояса і зменшення його перетину ставлять, крім підвіски, ще два підкоса (ріс.5.3.в).
При необхідності перекриття більш значних польотів застосовують багатопанельних трикутні (ріс.5.3.г, д, е), трапецієподібні (ріс.5.3.ж) або прямокутні ферми (ріс.5.3.з).
Сполучення на врубках можуть працювати тільки на стиск, тому грати ферм повинна бути спрямована так, щоб розкоси завжди були стиснуті, а стійки розтягнуті. Тому в трикутної фермі розкоси - низхідні, а в трапецієподібної або прямокутної фермі - висхідні. При односторонньому завантаженні в багатокутних фермах в середніх розкосах можуть виникнути напруження розтягу, при яких ці розкоси вимикаються з роботи. Передбачаючи цю можливість, в середніх панелях можна встановити зустрічні (зворотні) розкоси (на ріс.5.3.ж, з показані пунктиром), які працюють при односторонньому завантаженні на стиск замість основних розкосів.
5.4. Підбір поперечного перерізу нижнього пояса.
Дерев'яний нижній пояс ферм будемо проектувати з брусів прямокутного поперечного перерізу bнп'hнп.
Розрахунок нижнього пояса зводиться до знаходження мінімальної площі поперечного перерізу пояса, що забезпечує надійну роботу конструкції.
Розміри перетину остаточно визначаються при розрахунку опорного вузла і стикових сполучень.
Перетин нижнього пояса робиться постійним по всій довжині ферми. Для знаходження площі перетину нижнього пояса беруть стрижні з максимальними зусиллями. Як ми вже відзначали, вони розташовані: в трикутних фермах - в опорній панелі, в полігональної - в панелях середній частині ферми.
Нижні пояси працюють на розтягнення. При правильному вирішенні вузлів ферми, і при відсутності в даній панелі перелому осі пояса в стику, що розтягує силу можна вважати прикладеною центрально.
Умова міцності нижнього пояса можна записати як
де nнп - максимальне розтяжне зусилля в елементах нижнього пояса,
Ант - площа поперечного перерізу нетто нижнього пояса (з урахуванням можливих послаблень перетину), яка приймається зазвичай:
Ант = 0,75 × АБР - якщо конструкція опорного вузла на натяжних хомутах,
Ант = 0,67 × АБР - якщо опорний вузол на лобовий врубками (тут АБР - повна площа поперечного перерізу),
Rр - розрахунковий опір деревини розтягування, що приймається за таблицею 1.2.,
mв - коефіцієнт умов роботи, що враховує умови експлуатації конструкції,
mо - коефіцієнт умов роботи, що враховує ослаблення поперечного перерізу, mо = 0,8.
Вибір конструкції опорного вузла ферми на даному етапі розрахунку здійснюється орієнтовно: при порівняно великих зусиллях в нижньому поясі (nнп ³9т) доцільно вибрати конструкцію на натяжних хомутах, при малих зусиллях - конструкцію на лобовий врубками.
Розміри поперечного перерізу, що визначаються за формулою (5.1), слід приймати відповідно до сортаментом на пиломатеріали (табл.1.1.) Так, щоб висота перетину перевищувала ширину в 1,5-1,9 рази.
Поперечні перерізи верхніх поясів трикутних і полігональних ферм робляться постійними по всій довжині ферми. Розрахунок ведеться по найбільш напруженим стержнів: в трикутної фермі - в першій панелі від опори; в полігональної - в центральних або сусідніх з центральними панелях ферми.
Центрально стислі верхні пояси розраховують на міцність за формулою
і стійкість за формулою
де Nвп - максимальне зусилля в стрижнях верхнього пояса,
Ант - площа перерізу нетто верхнього пояса (Ант = 0,75 × АБР),
Ар - розрахункова площа поперечного перерізу верхнього пояса (в більшості випадків Ар = АБР),
Rс - розрахунковий опір деревини стиску (табл.1.2.),
j - коефіцієнт поздовжнього вигину.
Послідовність розрахунку така. Спочатку з умови міцності слід визначити (призначити) мінімально можливе поперечний переріз верхнього поясу (заздалегідь відомо, що це прямокутник з BВП = bнп. Hвп ³bвп).
Потім здійснюється перевірка: чи будуть стрижні верхнього пояса з таким поперечним перерізом стійкі?
Визначимо стійкість верхнього пояса в площині ферми:
де lx - розрахункова довжина стержня в площині ферми (дорівнює відстані між вузлами верхнього пояса ферми);
rx - радіус інерції поперечного перерізу верхнього пояса відносно горизонтальної головної осі X:
Стійкість верхнього пояса в площині, перпендикулярній площині ферми, дорівнює:
де ly - відстань між суміжними прогонами; при постановці прогонів в кожному вузлі верхнього пояса ly = lx;
ry - радіус інерції поперечного перерізу верхнього пояса відносно вертикальної головної осі Y:
З двох величин lx, ly вибирають максимальну (вона не повинна перевищувати граничного значення гнучкості для даного елемента lпр - см. Табл.2.2.), Підставляючи її в залежність
визначають необхідний для формули (5.3) коефіцієнт j. Здійснюючи перевірку за формулою (5.3), роблять висновок - чи достатньо прийняте перетин в сенсі забезпечення необхідної стійкості. Якщо перевірка проходить, призначений спочатку перетин приймається. В іншому випадку необхідно збільшити висоту перетину і виконати розрахунок спочатку (перевірити міцність, а потім стійкість верхнього пояса).