Як спроектувати стабільну сталеву ферму для дахів?

Визначення навантажень — початкова точка забезпечення стійкості ферм

А стальовий прогон ідеально спроектована для постійних і корисних навантажень, але не для вітрового підйому — при проходженні шторму сила всмоктування з підвітряного боку перевищує постійне навантаження, нижній пояс переходить у стиск, і ферма вигинається вгору. Визначення навантажень — це умова, що визначає всі наступні рішення щодо проектування.

Постійне навантаження, корисне навантаження, вітрове навантаження та снігове навантаження за ASCE 7 та Єврокодом

Контролюють чотири випадки навантаження стальовий прогон проектування. Постійне навантаження — власна вага ферми (0,10–0,25 кН/м²), а також прогони, обшивка, теплоізоляція та підлога — є постійним. Корисне навантаження — 0,6–1,0 кН/м² згідно з ASCE 7 — враховує навантаження під час будівництва та технічного обслуговування. Вітрове навантаження згідно з розділом 27 ASCE 7 або Єврокодом 1, частина 1-4, є найскладнішим: додатний тиск на навітряну стіну, присмоктування на даху та коефіцієнти внутрішнього тиску, що залежать від розміру й розташування отворів. А стальовий прогон без аналізу підйомної сили може мати достатню міцність нижнього пояса на розтяг, але недостатню міцність на стиск у разі зміни напрямку вітрового навантаження. Снігове навантаження — 0,5–4,0+ кН/м², залежно від снігового покриву на землі, експозиції, теплового коефіцієнта та нахилу даху — є визначальним у холодних кліматичних умовах. Накопичення снігових заносів біля парапетів та на рівні зміни висоти даху концентрує навантаження на частині ферми, яку рівномірне навантаження при проектуванні не передбачало.

Практичний приклад — повторне проектування дахової ферми складського приміщення після накопичення снігу

Складське приміщення з прольотом 30 метрів у регіоні з навантаженням від снігу на ґрунт 1,5 кН/м² зазнало часткового прогину покрівлі — не обвалу, але помітного провисання. Дослідження показало, що в оригінальному стальовий прогон проекті передбачалася рівномірна снігова навантаження. Будівля мала парапет, що спричинив утворення снігових заносів — положення ASCE 7 щодо заносів передбачають навантаження 2,2 кН/м² на перших 6 метрах поблизу парапета. Компанія zeyongsteel (Zhejiang Zeyong Steel Structure Engineering), яка має кваліфікацію першого класу у будівництві сталевих конструкцій, рейтинг кредитоспроможності AAA та співпрацює з China Railway Construction і China Railway Group, модифікувала ферму, посиливши верхні пояса в зоні заносів і додавши додаткові решітчасті елементи. Склад працює впродовж двох наступних зим із сильними снігопадами без жодного прогину.

Вибір конфігурації ферми за прольотом та профілем покрівлі

Ферми типу Пратт, Воррен, Гау та Фінк

Конфігурація стелажів стальовий прогон визначає, які елементи працюють на стиск і розтяг — що визначає ефективність використання матеріалу. Ферма типу Пратта (вертикальні елементи працюють на стиск, діагональні — на розтяг) ефективна для прольотів 10–30 метрів: коротші вертикальні елементи краще опираються втраті стійкості, ніж довші діагональні. Ферма типу Воррен (чергуючі діагональні елементи у рівносторонніх або рівнобедрених трикутниках) використовує меншу кількість елементів, що зменшує витрати на виготовлення, і є стандартною для прольотів 15–40 метрів. Ферма типу Хоу (діагональні елементи працюють на стиск) застосовується там, де навантаження на нижній пояс стелі змінюють напрямок напружень у діагоналях. Ферма типу Фінк (радіальні решітки у формі віяла, що виходять із центрального гребеня) є стандартною для скатних житлових дахів при прольотах 8–15 метрів. Конфігурація ферми — це рішення, спрямоване на досягнення максимальної ефективності використання матеріалу: довші елементи, що працюють на стиск, потребують більших перерізів для запобігання втраті стійкості.

Проектування елементів — пояси, решітки та з’єднання

Вибір перерізу, обмеження гнучкості та проектування кріпильних плит

Поясні елементи ферми стальовий прогон спроектовані для сприйняття осьової сили — розтягу в нижньому пояси та стиску в верхньому пояси, а також для зміни напруження під дією підіймальної сили вітру. Підбір перерізу збалансовує площу (осьову несучу здатність) і радіус інерції (стійкість до втрати стійкості). Порожнисті конструкційні профілі (HSS) забезпечують однакову ефективність при стиску — у порожнистого профілю 100×100×5 мм радіус інерції r ≈ 39 мм у обох осях, тоді як у порівняльному двотавровому перерізі r = 45 мм щодо сильної осі й r = 25 мм щодо слабкої осі. Гнучкість стиснутих елементів не повинна перевищувати 200 згідно з розділом E2 стандарту AISC 360. Косинки у вузлах з’єднання решітки з поясами — зазвичай товщиною 8–12 мм для прольотів 20–30 м — передають осьову силу від елементів решітки в пояси за допомогою зварних з’єднань, виконаних згідно з розділом J стандарту AISC 360 або EN 1993-1-8. Недостатньо розмірні з’єднання є найпоширенішою точкою початку руйнування.

Системи розпорок та вторинної стійкості

Розпорки покрівлі, розпорки нижнього пояса та діафрагма «прогон–обшивка»

А стальовий прогон є стабільним у своїй площині — трикутна схема чинить опір зусиллям у площині. Поза площиною ферма є тонким стовпом, який втрачає стійкість поперечно без підпор. Підпори даху — діагональні стрижні або кутники на верхньому пояси, що з’єднують суміжні ферми, забезпечують обмеження через кожні 6–8 метрів. Підпори нижнього пояса виконують аналогічну функцію для нижнього пояса під час вітрового відштовхування. Діафрагмова дія прогонів і обшивки — металевий настил, прикручений до прогонів, які прикріплені болтами до верхнього пояса — створює жорстку діафрагму, що передає поперечні вітрові навантаження на бічні підпори. Ферма, спроектована без урахування вкладу підпор, є важчою й дорожчою, ніж необхідно; ферма, що розрахована на наявність відсутніх підпор, є небезпечною.

Поширені запитання

Яка конфігурація сталевої ферми є найстабільнішою?

Ферма Варрена забезпечує найкраще співвідношення стабільності до матеріалу для стальовий прогон прольотів 15–40 метрів. Ферми Пратта ефективні для прольотів 10–30 метрів. zeyongsteel проектує та виготовляє всі основні типи ферм.

Як вітрове відштовхування впливає на проектування сталевих ферм?

Вітрове відштовхування на стальовий прогон змінює напрямок зусиль у елементах — нижній пояс переходить від розтягу до стиску, а верхній пояс — від стиску до розтягу. Підпори нижнього пояса є обов’язковими для запобігання бічному втраті стійкості при дії підйомних навантажень.

Який максимальний прольот для сталевої ферми покрівлі?

А стальовий прогон може мати прольоти понад 50 метрів для комерційних і промислових покрівель із глибокими фермами (співвідношення глибини до прольоту — від 1/10 до 1/15). Прольоти житлових ферм зазвичай становлять від 8 до 15 метрів. Компанія zeyongsteel реалізувала ряд орієнтирних проектів сталевих конструкцій у сфері інфраструктури та спорудження об’єктів для проведення заходів.

Як враховуються снігові заноси при проектуванні сталевих ферм?

Снігові заноси на стальовий прогон у районі парапетів та місць зміни рівня покрівлі можуть концентрувати навантаження на частині прольоту на 50–100 % вище за нормативне значення згідно з положеннями ASCE 7 щодо снігових заносів. У зоні заносів необхідне локальне пісилання окремих елементів.

Які підпори потрібні сталевій фермі покрівлі?

А стальовий прогон вимагає підпори верхнього пояса через кожні 6–8 метрів, підпори нижнього пояса в зонах вітрового підйому та розподільної діафрагми даху, утвореної металевою настилкою, з’єднаною з прогонами. Підпори запобігають випинанню поза площиною.

Як проектуються з’єднання сталевих ферм?

Стальовий прогон з’єднання використовують косинки товщиною 8–12 мм із кутовими швами, розміри яких визначають згідно з AISC 360 або EN 1993-1-8. Недостатньо розмірені з’єднання є найпоширенішою точкою початку руйнування — розміри швів мають відповідати осьовій несучій здатності стоякових елементів.