МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

«САРАТОВСКИЙ КОЛЛЕДЖ СТРОИТЕЛЬСТВА МОСТОВ И ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ»

ТВОРЧЕСКИЙ ПРОЕКТ

ФЕРМЫ

по дисциплине «Мир профессий в законах физики»

                                        Выполнил: Бояркин Никита,

                               студент группы 11 СМ,

специальность 08.02.02«Строительство и эксплуатация инженерных сооружений»

Руководитель: Тамбовцева Н.В.,

                                                   преподаватель высшей

                                                   категории  ГАПОУ СО СКСМГС

Саратов, 2017 г.

Оглавление

Введение.        3

Глава 1. Физические явления        5

Глава 2. Фермы        10

2.1.  Железобетонные фе́рмы.        10

2.2.  Прочие виды ферм.        12

Заключение        15

Список литературы        17

Введение.

1. Инженерные конструкции – неотъемлемая часть жизни современного человека. Даже сами того не замечая, мы регулярно сталкиваемся с объектами инженерной инфраструктуры. Жилые, общественные (спортивные, коммерческие, развлекательные, зрелищные и т.д.), промышленные, рекреационные здания и сооружения, системы коммуникаций, информационные объекты – важная составляющая в жизни любого человека. И, несмотря на широкое повсеместное развитие инновационных технологий в конструкциях, разработке строительных материалов и строительстве, базовые принципы основных конструктивных систем, используемых в строительстве, остаются, по сути, практически неизменными на протяжении последних 2-х веков. И одним из наиболее востребованных направлений в современном инженерном строительстве является стержневая система ферм.

Достаточно широкое применение данная конструктивная система получила в строительстве мостов благодаря способности перекрывать большие пролеты при минимальных затратах материалов и стойкости к внешним и внутренним нагрузкам. Не зря впервые эта система была использована именно при строительстве мостов, а конкретно – при строительстве Николаевской железной дороги в 1840-1850гг. И, пройдя долгий путь от математических инженерных расчетов в первой половине XIX в. до сложнейших систем компьютерного моделирования настоящего времени, данная стержневая система не потеряла своей актуальности в строительстве.

2.Именно по этой причине объектом исследования данной работы стали фермы, а именно – железобетонные фермы, как получившие наибольшее распространение в системе модульной стандартизации строительных материалов.

3. Целью данной работы является демонстрация актуальности железобетонных стержневых систем в современном строительстве мостов.

При написании данной работы мы ставим перед собой ряд основных задач:

1. Показать исторический путь эволюции конструкции ферм.
2. Систематизировать типологию железобетонных ферм.
3. Проанализировать области применения ферм в промышленном, гражданском и инженерном строительстве.

4. В процессе написания данной работы использовались следующие методы исследования темы:

1. Был изучен исторический материал по разработке конструкций из ферм и их эволюции со времени появления и до настоящего времени.
2. Проанализирована специальная литература по строительной механике и физике сопротивления материалов на предмет изучения распределения внутренних и внешних нагрузок в элементах ферм. Изучено обоснование эффективности этой стержневой системы с точки зрения распределения усилий от нагрузок в ходе эксплуатации.
3. Изучена классификация ферм с целью понимания сферы применения данной конструкции в строительстве.
4. Проведен анализ основных исторических и современных сооружений такого рода, выделяющихся своими габаритами, оригинальностью конструкции и визуально-эстетическими качествами, что позволяет нам использовать в качестве иллюстративных элементов нашей работы наиболее выдающиеся работы архитектурно-инженерной мысли в данной сфере.

5. Фермы остаются одним из наиболее часто используемых типов конструкций при возведении мостов и за свою долгую историю они не потеряли актуальности. Особенностью железобетонных ферм является возможность выдерживать большие нагрузки на перекрытия, а также возможность типизации сортамента продукции на производстве и упрощение производства и монтажа на месте.

Глава 1. Физические явления

Деформация

Под деформацией понимают изменение объёма или формы тела под действием внешней нагрузки.

Упругой называется деформация, при которой тело восстанавливает свои первоначальные размеры и форму, как только прекращается действие силы, вызвавшей эту деформацию.

Закон Гука.

При упругой деформации растяжения или сжатия модуль силы упругости прямо пропорционален модулю изменения длины тела:

F = k|Δl| = k|x|,

где Δl = l - l0 = х – изменение длины тела,

 k -  коэффициент пропорциональности называют коэффициентом упругости или жёсткостью.

Виды деформации твердых тел

Деформация растяжения — вид деформации, при которой нагрузка прикладывается продольно от тела, то есть соосно или параллельно точкам крепления тела.  

Схема растяжения образца

 Растяжение имеет значение при строительстве сложных подвесных систем со свободными рабочими элементами.

Деформация изгиба — вид деформации, при котором нарушается прямолинейность главной оси тела. Деформации изгиба испытывают все тела подвешенные на одной или нескольких опорах.  

            Схема изгиба образца

 Значение деформации изгиба важно для проектирования упругих тел, таких, как мост с опорами, перекрытия зданий.

Деформация кручения – вид деформации, при котором к телу приложен крутящий момент, вызванный парой сил, действующих в перпендикулярной плоскости оси тела. На кручение работают валы машин, шнеки буровых установок и пружины.

    Схема кручения образца

Отношение абсолютного удлинения Δl к первоначальной длине l образца называется относительным удлинением или относительной деформацией ε: 

Отношение модуля внешней силы F к площади S сечения тела называется механическим напряжением σ: 

За единицу механического напряжения в СИ принят паскаль (Па). Механическое напряжение измеряется в единицах давления.

Зависимость между ε и σ является одной из важнейших характеристик механических свойств твердых тел. Графическое изображение этой зависимости называется диаграммой растяжения. По оси абсцисс откладывается относительное удлинение ε, а по оси ординат – механическое напряжение σ. Типичный пример диаграммы растяжения для металлов (таких как медь или мягкое железо) представлен на рис.1

При малых деформациях (обычно существенно меньших 1 %) связь между σ и ε оказывается линейной (участок Oa на диаграмме). При этом при снятии напряжения деформация исчезает. Такая деформация называется упругой. Максимальное значение σ = σпр, при котором сохраняется линейная связь между σ и ε, называется пределом пропорциональности (точка a). На линейном участке выполняется закон Гука: 

Влажность воздуха

Абсолютная влажность   – это количество граммов водяного пара, содержащееся в кубическом метре воздуха при данных условиях

Относительной влажностью называется отношение абсолютной влажности к плотности насыщенного водяного пара  при той же температуре. Относительную влажность выражают в процентах: 

Точкой росы называется такая температура, при которой насыщенный пар начинает конденсироваться (выпадает роса).

Резонанс

Механическим резонансом называют явление резкого возрастания амплитуды колебаний, когда круговая частота вынужденных колебаний совпадает с собственной круговой частотой физической системы. Резонанс в технике может приносить и вред, например, разрушение деталей механизма при увеличении амплитуды колебаний выше допустимого.

Рис. 2 Диаграмма резонанса.

Резонанс возникает тогда, когда частота собственных колебаний совпадает с частотой вынужденных колебаний V=V0

Коррозия

Ржавчина появляется из-за самопроизвольного разрушения металлов и сплавов в результате химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Коррозия может быть вызвана как химическим, так и электрохимическим процессом. Соответственно, различают химическую и электрохимическую коррозию металлов.

Рис. 3

Глава 2. Фермы

2.1.  Железобетонные фе́рмы.

Фе́рма (фр. ferme, от лат. firmus ‘прочный’) — представляет собой стержневую систему в строительной механике, остающаяся геометрически неизменяемой после замены её жёстких узлов шарнирными. Фермы образуются из прямолинейных стержней, соединённых в узлах в геометрически неизменяемую систему, к которой нагрузка прикладывается только в узлах.

Железобетонные фермы – это готовые решетчатые несущие конструкции, предназначенные для перекрытий широких пролетов. Железобетонные фермы являются основным составным элементом сооружения и могут выдерживать большие нагрузки на покрытия. Они отличаются высокой  прочностью, морозостойкостью устойчивостью к образованию трещин и жесткостью.

Рис. 1 Элементы фермы

С их помощью можно перекрывать достаточно большие пролеты. Для балки из железобетона этот предельный рациональный пролет составляет примерно 18м, а для фермы он может достигать 48м при определенной конструкции. Это осуществимо потому, что материал у ферм сосредоточен только в верхнем и нижнем поясах, в стойках и раскосах, которые эти пояса соединяют. Поэтому все элементы решетки фермы работают только на сжатие и растяжение, т.е. материал используется полнее, чем у балки.

Минимальная высота ферм при современных высокопрочных материалах ограничивается не столько несущей способностью конструкции, сколько ее допускаемыми прогибами под максимальными нагрузками.

При выполнении расчетов фермы рассматривают как конструкции, стержни которых соединены шарнирами, хотя в реальных сооружениях в фермах стрежни соединяют жестко (например, сваркой). Поскольку результаты расчетов практически не отличаются, однако с шарнирами в узлах они выполняются значительно проще. В фермах с шарнирами в узлах в качестве внутренних усилий рассчитывают только продольные силы, поскольку поперечные силы и изгибающие моменты в стержнях равны нулю.

Железобетонные фермы обычно изготовляют сегментарной прямоугольной (рис.2) или трапецевидной двускатной формы (рис. 3). Если длина фермы превышает 24м, тогда ее обычно проектируют из двух одинаковых частей, которые на строительстве соединяют в одно целое. В последнее время чаще применяют типовые сегментные безраскосные фермы (рис. 2). Вес данного типа железобетонных изделий может составлять от шести до пятидесяти тонн, это напрямую зависит от габаритов ферм и ее конструкционных особенностей.

Рис. 2

Рис. 3

        Рис. 4 Основные виды ферм

2.2.  Прочие виды ферм.

Стальные фермы обычно применяют при пролетах 12…18 м и выше. Их очертание может быть довольно разнообразным, однако чаще всего применяются трапецевидные двускатные фермы (рис. 4), с параллельными поясами и др. Они обладают большой жесткостью в своей плоскости, но имеют совершенно недостаточную жесткость из этой плоскости, поэтому фермы должны быть надежно раскреплены в нормальных направлениях к их плоскостям.

Так же, помимо стали, фермы могут быть выполнены из сплавов алюминия. Такие фермы имеют сравнительно небольшой вес, 472кг для пролета в 9м.,  (рис .5), 2400кг для пролета в 24м.(рис. 6), кроме того, такие сплавы обладают коррозиестойкостью и при температурах ниже -50º не становятся хрупкими(это наибольший недостаток стальных конструкций при их применении на Севере). Но прочность алюминиевых сплавов в 2-3 раза ниже, чем у стали, а цена выше. Поэтому целесообразно их использование только при больших пролетах или в северных районах с низкими температурами.

                                                Рис. 5

                                                Рис. 6

Деревянные фермы из брусьев и досок применяют для пролетов в 15м. и более. Их наибольшей проблемой является подверженность гниению и пожароопасность. От этих явлений избавляются при помощи специальных пропиток, а также возможно покрыть их специальной штукатуркой.

Классификация ферм происходит по следующим характерным признакам:

1) По характеру очертания

2) По типу решетки

3) По типу опирания

4) В зависимости от назначения

5) По методу расчета

Каждый тип конструкции предназначен для поределенных видов эксплуатации и нагрузок. Наиболее часто используемый вид ферм при конструировании мостов – трапецевидная мостовая ферма с треугольной решеткой (рис. 7).

Рис. 7

Так же при строительстве мостов часто используются арочные фермы с раскосной решеткой (рис. 8)

Рис. 8

Заключение

Трудно переоценить значение ферм в современной теории и практике строительства. Являясь одним из самых идеальных по соотношению длины пролета и толщины сечения основных узлов для перекрытия большепролетных зданий и сооружений, они не только не теряют своей актуальности, но и завоевывают новые горизонты инженерной мысли, беря на вооружение компьютерные технологии расчета нагрузок.

В процессе изучения данной конструкций, были выявлены ее основные виды, используемые в настоящее время в строительстве. Мы рассмотрели дифференциацию ферм по материалу изготовления (деревянные, железобетонные, стальные и тд.), по типу решетки (раскосные, треугольные), по характеру очертания (арочная, трапециевидная), а также в зависимости от их назначения(мостовые, крановые и т.д). В результате чего был сделан вывод о широком спектре применения таковых в строительстве, а также специализации использования определенных видов ферм в конкретных сферах инженерного проектирования.

Практика показала, что наиболее востребованы в коммерческом промышленном строительстве сборные металлические фермы из уголков и швеллеров пролетом  9…18м. Они выгодны в конструктивном и экономическом плане, так как легки в транспортировке, монтируются на месте, не требуют сложной техники для монтажа, выдерживают большие нагрузки покрытий и перекрытий. В сфере перекрытия больших пролетов прочно заняли свою нишу мостовые консоли железобетонной или металлической конструкции, используемые как в инженерных сооружениях(пролеты мостов), так и в жилых, общественных зданиях, где они являются частью архитектурно-худоджественного облика здания, создавая выразительные консоли с сильным выносом. Баланс эстетического и конструктивного компонента при воздвижении мостов был достигнут с использованием конструкций арочного типа с раскосной решеткой. Ярким примером тому является мост Саратов-Энгельс.

Современные технологии компьютерного инженерного модулирования дали возможность расширить типологию и конструктив используемых в проектировании ферм, создавая все более причудливые и уникальные объекты.

Будучи уже более 150 лет на службе у инженеров и строителей, фермы не теряют своей актуальности и поныне. Использование инновационных сплавов, новых типов бетонов, создание уникальных шарнирных и узловых соединений, –  все это дает нам право называть их краеугольным камнем инноваций и современного строительства.

Список литературы

1. Физика (для нетехнических специальностей) [Текст]: учебник для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования / П. И. Самойленко, А. В. Сергеев. - 12-е изд., стер. - Москва: Академия, 2014. - 391, [1] с. : ил.; 22 см. - (Учебник) (Среднее профессиональное образование. Общеобразовательные дисциплины).
2. Шерешевский И.А. Конструирование промышленных зданий и сооружений. Учеб. пособие для студентов строительных специальностей. [Текст]: «Архитектура-С», 2005. 168 с, ил.
   ISBN 5-9647-0037-3, Шерешевский, Учеб. пособие, Архитектура-С, 2005, строительство. Формат djvu.
3. ГОСТ 23118-78, (СНиП III-18-75) [Текст]: Госстрой  России -М.  ГУП ЦПП, 2001
4. СП 64.13330.2011 (СНиП 3.03.01): Госстрой России –М. ГУП ЦПП, 2011
5. Общие сведения о металлических мостах со сквозными фермами [Текст]:Статья, Учебно-образовательный портал "Все лекции"/ Скобелев Алексей
6. Схемы ферм и поперечные сечения их элементов [Текст]: «Металлические мосты», Протасов К. Г., Изд-во «Транспорт», 1973