Выбор очертания ферм является первым этапом их проектирования. Очертание ферм в первую очередь зависит от назначения сооружения. Оно должно отвечать принятой конструкции сопряжений с примыкающими элементами. Так, очертание стропильной  фермы производственного здания зависит от назначения цеха, типа кровли, типа и размера фонаря, от типа соединения ферм с колоннами (шарнирное или жесткое) и т. п.

     Вместе  с тем очертание ферм должно соответствовать  их статической схеме, а также  виду нагрузок, определяющему эпюру изгибающих моментов. Например, выступающие консоли рационально проектировать треугольными, с одним скатом; однопролетныё фермы с равномерной нагрузкой - полигонального очертания.

     Фермы треугольного очертания. Треугольное очертание придается стропильным фермам, консольным навесам, а также мачтам и башням.

     Стропильные фермы треугольного очертания применяют, как правило, при значительном уклоне кровли, вызываемом или условиями эксплуатации здания, или типом кровельного материала. Стропильные фермы треугольного очертания имеют ряд конструктивных недостатков. Острый опорный узел сложен, допускает лишь шарнирное сопряжение фермы с колоннами, при котором снижается поперечная жесткость одноэтажного производственного здания в целом. Стержни решетки в средней части ферм получаются чрезмерно длинными, и их сечение приходится подбирать по предельной гибкости, что вызывает перерасход металла. Треугольное очертание в стропильных фермах не соответствует параболическому очертанию эпюры моментов.

     Однако  в ряде случаев треугольные фермы приходится применять, несмотря на заведомо нерациональное с точки зрения распределения усилий очертание, исходя из общих требований компоновки и назначения сооружения. Примером могут служить треугольные фермы шедовых покрытий, применяемые в зданиях, где необходим большой и равномерный приток дневного света с одной стороны.

     Фермы трапецеидального очертания со слабо вспарушенным верхним поясом пришли на смену треугольным фермам благодаря появлению кровельных материалов, не требующих больших уклонов кровли.

     Трапецеидальное очертание балочных ферм лучше соответствует  эпюре изгибающих моментов и имеет  конструктивные преимущества. В сопряжении с колоннами позволяет устраивать жесткие рамные узлы, что повышает жесткость здания. Решетка таких  ферм не имеет длинных стержней в середине пролета.

     Фермы полигонального очертания наиболее приемлемы для конструирования тяжелых ферм больших пролетов, так как очертания фермы соответствуют эпюре изгибающих моментов, что дает значительную экономию стали. Дополнительные конструктивные затруднения из-за переломов пояса в тяжелых фермах не так ощутимы, ибо пояса в таких фермах из условий транспортирования приходится стыковать в каждом узле.

     Для легких ферм полигональное очертание  нерационально, так как получающиеся в этом случае конструктивные усложнения не окупаются незначительной экономией стали.

     Фермы с параллельными  поясами имеют существенные конструктивные преимущества. Равные длины стержней поясов и решетки, одинаковая схема узлов и минимальное количество стыков поясов обеспечивают в таких фермах наибольшую повторяемость деталей и возможность унификации конструктивных схем, что способствует индустриализации их изготовления. Эти фермы благодаря распространению кровель с рулонным покрытием стали основным типом в покрытиях зданий.

Условие пластичности.

     Известно, что у стали после упругой  работы и небольшого переходного  участка наступает пластическое течение, что на диаграмме отмечается протяженной площадкой текучести. При работе конструкций из стали  в упругопластической области в ЦЕЛЯХ упрощения расчетных предпосылок диаграмму работы стали без большой погрешности и в сторону некоторого запаса можно уподобить работе идеального упрогопластического тела, которое совершенно упруго до предела текучести и совершенно пластично после него.

Идеализированная  диаграмма работа пластичной стали   

     В этом предположении переход в  пластическую стадию при одноосном  напряженном состоянии (простом  растяжении или сжатии) происходит при достижении нормальным напряжением  предела текучести. При многоосном напряженном состоянии переход в пластическую стадию зависит не от одного напряжения, а от функции напряжений, характеризующей так называемое условие пластичности (условие перехода в пластическое состояние). Условие пластичности записывается в зависимости от теории прочности, которая кладется в основу расчета. К работе стали и алюминиевых сплавов наиболее близки III и IV теории прочности. В СНиП П-23-81 для расчетов металлических конструкций принята IV энергетическая теория прочности.

     По  этой теории пластичность наступает тогда, когда потенциальная энергии (работа) изменения формы тела достигает наибольшей величины.

     Из  курса сопротивления материалов известно, что на основе IV теории прочности  одноосное приведенное напряжение, эквивалентное по переходу материала в пластическое состояние данному сложному напряженному состоянию, определяется в главных напряжениях по формуле:

          (3.1)

     Приведенное напряжение может быть выражено в  нормальных и касательных напряжениях:

                      (3.2)

     Отсюда  при изгибе (вдали от точек приложения нагрузки):

                                              (3.3)

     Условие пластичности:

                                      (3.4)

                                              (3.5)

                                      (3.6)

     По III теории прочности:

                                                      (3.7)

Способы монтажа МК

Технологически, монтаж металлических конструкций специфичен в силу особенностей физических свойств металла. Так как металл обладает высокой прочностью, сечения металлических конструкций, будь-то колонны, балки, мембраны или стержни ферм, характеризуются небольшой но достаточной площадью поперечного сечения. Это позволяет выполнять конструкции из металла более легкими чем из железобетона. Именно поэтому металлические конструкции применяются при изготовлении большепролетных ферм (свыше 30м), оболочек, мембран, подкрановых балок, легких профильных настилов.

Изготовление  габаритных конструкций из металла  ставит дополнительные трудности перед  монтажниками. Например, подъем и установка большепролетных конструкций возможна лишь при скоординированных действиях нескольких кранов, что само по себе является трудной задачей. Но обо всем по порядку.

Монтаж  металлических конструкций  ферм

Специфической проблемой при монтаже ферм является их повышенная гибкость. Это делает конструкцию фермы крайне уязвимой при подъеме и монтаже. Ферма состоит из тонких стержней, рассчитанных на перераспределение усилий от равномерной нагрузки верхнего пояса фермы при опорах на концах нижнего пояса. Вследствии больших габаритов, закрепление фермы стропами за опорные части невозможно. Поэтому напряжение в стержнях фермы при монтаже отличается от предусмотренного проектом. Поэтому для монтажа ферм практикуют следующие методы.

• Монтажное усиление фермы дополнительными стержнями. 
  Стержни крепят таким образом, чтобы они воспринимали вес фермы от точек закрепления строп. Стропы крепятся в двух или четырех точках верхнего пояса в зависимости от пролета ферм.
• Использование плоскостной траверсы. 
  Эта рамная конструкция фиксирует ферму по поясам, придавая ей необходимую жесткость.

Монтаж  ферм выполняют после полного  закрепления колонн со всеми предусмотренными проектом пространственными связями. Первую смонтированную ферму крепят расчалками. Каждую последующую крепят пространственными связями к предидущей. После монтажа и раскрепления ферм, выполняют покрытие ребристыми железобетонными плитами, укладывая их поперек ферм. Таким образом образуется жесткий диск по верхнему поясу ферм и их окончательная фиксация.

Монтаж  металлических колонн

Первая  трудность с которой сталкиваются при монтаже металлических колонн, это повышенные требования точности к геометрии фундаментов. Крепление металлической колонны к фундаменту осуществляется посредством анкерных болтов. Отклонение закладных от проектных положений допускается не более чем на 2мм. Если отклонение по вертикали составляет 40-50мм, опорную часть доводят до требуемого уровня с помощью металлических пластин.

Монтаж  колонн ведут с помощью кранов, на весу. Предварительно, колонны раскладывают у мест монтажа. Там же, выполняют обустройство конструкции колонн приваркой креплений для закрепления подмостей, а также приваривают закладные детали и монтажные крепления.

Так как  монтаж колонн выполняется с крана, важно чтобы колонна подвешивалась строго вертикально. Если колонна симметрична, то ее подвешивают за верхнюю точку. Если же не симметрична (например, крайняя двужветвевая колонна промышленного здания), для монтажа используют траверсы, позволяющие придать колонне вертикальное положение на весу.

Расчет  центрально-сжатых элементов

     Предельные  состояния сжатых жестких стержней определяются развитием пластических деформаций при достижении напряжениями предела текучести, а гибких стержней - потерей устойчивости.

     Расчет  на прочность. Расчет на прочность центрально сжатых элементов выполняется так же, как и центрально растянутых. Вместе с тем в этом случае могут быть учтены некоторые отличительные особенности работы материала на сжатие. Например, проверка прочности элементов с соединениями на болтах повышенной прочности может быть выполнена по сечению "брутто", т. е. без учета ослабления сечения отверстиями.

     При малой длине выступающей части  сжатого элемента (например, опорное  ребро балки) его сечение определяется расчетом на местное смятие торцевой поверхности (при наличии пригонки) по формуле (3.16) с заменой в ней расчетного сопротивления R на R_см.т=R_в.

     Проверка  устойчивости гибких стержней, сжатых осевой силой. Из курса сопротивления материалов известно, что при равенстве работы, совершаемой внешними силами при сближении концов стержня, работе деформации изгиба сжимаемого стержня сжимающая сила достигает своего критического значения. Прямой стержень при нагрузке его осевой силой до критического состояния имеет прямолинейную форму устойчивого состояния. При достижении силой критического значения его прямолинейная форма перестает быть устойчивой, стержень изгибается в плоскости, меньшей жесткости, и устойчивым состоянием у него будет новая криволинейная форма. Но уже при незначительном увеличении нагрузки искривление стержня начинает быстро нарастать и стержень теряет несущую способность.

     Для упругого стержня, сжатого осевой силой  шарнирно закрепленного по концам (основной случай), критическую силу определяют по формуле, выведенной в 1744 г. Л. Эйлером: (3.8)

     Соответственно  критические напряжения:

              (3.9)

     где   - площадь поперечного сечения без учета ослабления отверстиями для заклепок и болтов;

       - гибкость стержня, равная отношению расчетной длины стержня к радиусу инерции его сечения;   - расчетная длина стержня;  - коэффициент приведения полной длины стержня L к расчетной, принимаемые в зависимости от условий закрепления стержня и его нагруження.

     

     При средних и малых гибкостях  стержня (потеря его устойчивости происходит в упругопластической стадии заботы материала при  ). Пока стержень сохраняет прямолинейную форму, напряжения распределяются равномерно по сечению (напряжения  ). При отклонении стержня от прямолинейного состояния на эти напряжения накладываются напряжения изгиба. Со стороны дополнительного сжатия от изгиба материал работает в упругопластической стадии, со стороны растягивающих напряжений от изгиба материал работает упруго (разгрузка происходит по закону Гука).

Эпюра приращений внутренних напряжений   является самоуравновешенной. Поскольку, нейтральная ось изгиба вмещается в сторону растягивающих напряжений, и внешний момент получает приращение. Приращение момента внутренних напряжений от изгиба.В критическом состоянии приращение момента внешних сил равно приращению момента внутренних напряжений. Из этих условия можно определить величину критической силы при работе материала в упруго-пластической стадии.