Статьи по филателии  
Словарь терминов  
Почтовый календарь  
Знакомство с филателией  
Филателистическая география  
Виртуальные выставки  
Форум  
Контакты  
Филателистические сайты  
Журнал "Мир марок"  
Выпуски СССР и России (USSR and Russia)  
"Земство" Каталог Чучина (ZEMSTVO)  
Каталог "Космос в картинках" (Space)  



   
Статьи » | » По категориям » | » По авторам » | » По годам
Поиск публикацийЧто искать:  

 

Разное /

Строительные конструкции_4

180.JPG  
000.JPG



4. ФЕРМЫ

В универсальных энциклопедиях фермой называют геометрически неизменяемую стержневую систему, в которой все узлы принимаются при расчете шарнирными. Такое определение не позволяет судить, можно ли называть данную конкретную конструкцию  фермой или как-то иначе, например, рамой, если не известно, как она рассчитывалась. В строительной механике, науке о прочности, жесткости и устойчивости строительных конструкций, фермой называют  стержневую конструкцию, которая сохраняет геометрическую неизменяемость в случае, если во всех местах соединения ее стержней (узлах фермы) врезать шарниры. Это определение позволяет однозначно считать конструкцию фермой, но требует знания не простых критериев геометрической неизменяемости. Поэтому в данном разделе статьи рассмотрим те решетчатые конструкции, которые  в технической литературе традиционно принять называть фермами, независимо от типа соединения стержней в узлах и использованного метода ее расчета. К ним относятся плоские пролетные конструкции  (стропильные, подстропильные, крановые, мостовые и тому подобные фермы) и пространственные раскосные  конструкции, используемые в различных вышках (мачтах радио- и радиорелейных линий, телевизионных башнях, опорах линий электропередачи, бурильных установках и других). Остальные  виды решетчатых конструкций (сетчатые оболочки, фахверковые и связевые конструкции и другие) будут рассмотрены в следующем разделе статьи.

Стропильные фермы

Стропильными фермами называются плоские фермы, используемые для перекрытия помещений. Простейшая стропильная ферма состоит из двух наклонных деревянных брусьев, соединенных между собой вверху. Эти наклонные брусья называются  стропильными ногами или, просто, стропилами.

Прообразом стропильной конструкции является призматический шалаш, который строил еще первобытный человек. Такой шалаш состоит их легкого каркаса и обшивки. Каркас  образуют плоские элементы  из вбитых в землю под углом  и связанных между собой вверху жердей (тонких стволов деревьев, прямых веток). Плоские треугольные  элементы шалаша соединяются в шалаше деревянными жердями, которые одновременно создают дополнительные опоры для обшивки. Для обеспечения устойчивости шалаша используют  дополнительные подкосы, располагаемые под углом к плоскостям  треугольных элементов каркаса.  Наклонные стержни каркаса шалаша практически ничем не отличаются от простейшей стропильной фермы скатной крыши, состоящей  из двух наклонных стропил.  Различие  только в том,  что стропила опираются на стены или колонны, а в шалаше  наклонные стержни закреплены от смещений в земле. Практически такие же, как в древности, шалаши в настоящее время используются на сенокосах, их часто  возводят туристы и рыбаки, когда они вынуждены ночевать на природе без палаток.

z77_51_3.jpg z77_51_4.jpg
Двухскатные крыши – аналоги первобытного шалаша


Шалаш, полностью повторяющий конструкцию первобытного шалаша из жердей и веток, удостоился  чести быть увековеченным в камне. Речь идет о  шалаше в Разливе, где в 1917 г. под видом финнов-косцов несколько месяцев скрывались от преследования Временного правительства В.И. Ленин и Г.Е. Зиновьев. Двухскатная крыша традиционного жилища многих народов до сих пор имеет такую же форму и конструкцию как призматический шалаш древности.

z77_51_1.jpg z77_51_2.jpg
Двухскатный шалаш  древности Современный  шалаш  в Разливе

От веса кровли  и собственного веса в стропилах возникают усилия распора, которые могут восприниматься либо наружными стенами, на которые опирается стропильная ферма, либо горизонтальной затяжкой, препятствующей стропильным ногам расходиться и распирать стены здания. Затяжка выполняется из деревянных брусьев или металлических стержней. Для предотвращения провисания затяжки ее подвешивают к вершине стропильной фермы. Эту подвеску называют бабкой. Стропильные ноги в их середине могут подпираться подкосами, которые внизу соединяются с бабкой. При необходимости устраивают дополнительные вертикальные элементы и дополнительные подкосы. Описанную конструкцию стропильной фермы можно рассмотреть на аксонометрии базилики св. Петра в Риме, приведенной на марке Ватикана. Базилика была построена на месте казни апостола Петра. Когда базилика обветшала, на ее месте римский папа решил возвести  новый величественный храм, известный всем как собор св. Петра. Перед разрушением базилики были выполнены детальные обмеры ее конструкций, которые позволяют достоверно судить о ее конструктивном решении.

Многочисленные конструкции стропильных ферм систематизировал и разработал Андрео Палладио (1518-1580). В его трудах приводятся многочисленные варианты стропильных и мостовых ферм, которые в дальнейшем послужили основой для создания новых конструктивных систем ферм. Односкатные фермы Палладио  применил в вилле Ротонда, одном из выдающихся сооружений эпохи Возрождения. Разрез, на котором видны эти фермы, приведен на почтовой марке, посвященной юбилею Палладио.

z77_52_1.jpg z77_52_2.jpg
Двухскатная стропильная ферма базилики св. Петра в Риме Односкатные стропильные фермы виллы Ротонда, арх. А. Палладио

Со временем стропильные деревянные фермы стали применять для перекрытия весьма больших пролетов. В 1817 г. в ознаменование пятой годовщины изгнания Наполеона из Москвы император Александр I распорядился построить огромное здание экзерциргауза, крытого плаца для проведения военных смотров (ныне — Манеж), размеры которого должны были позволять маршировать в нем целому полку солдат.

z77_53_1.jpg
Здание Манежа в Москве

Проектирование здания было поручено испанскому инженеру, строителю и механику Августину Бетанкуру (1758-1824), который до приезда в Россию в 1808 г. проявил себя как крупный инженер-строитель, механик и  организатор в Испании Корпуса инженеров путей сообщения. Бетанкур запроектировал здание  Манежа без внутренних опор с крышей, опертой  на деревянные стропильные фермы пролетом около 45 м. 

z77_53_2.jpg z77_53_2_2.jpg
Ферма  Манежа по чертежу Бетанкура

Строительством  здания Манежа руководил инженер Карбоне. В процессе строительства было допущено несколько ошибок: Для изготовления ферм использовался сырой лесоматериал. Был увеличен, по сравнению с первоначальным проектом, шаг  ферм.  В результате в двух фермах появились трещины. В 1823 г. выполнили ремонт поврежденных ферм,  а общее количество ферм увеличили в 1,5 раза. Но эти исправления, к  сожалению, не полностью устранили все недостатки. Из-за частичного разрушения врубок в местах соединения брусьев ферм  прогиб некоторых ферм достиг почти 1 м. Поэтому в 1939 г. фермы подперли двумя рядами металлических стоек.

z77_53_3.jpg
Металлические стропильные фермы  промышленного здания
Новая беда настигла Манеж в  2004 г., когда  по не выясненным до сих пор причинам в здании возник пожар, полностью уничтоживший все фермы. Благодаря сохранившемуся макету здания Манежа удалось воссоздать первоначальный общий вид конструкций. Но  в новых стропильных фермах использовали клеевые соединения элементов. Поэтому эти фермы отличаются от оригинальных конструкций Бетанкура,  хотя полностью повторяют их общий вид. Теперь фермы доступны для обозрения посетителям Манежа, так как не стали устраивать подвесной потолок, которого в Манеже не было первоначально. Такова сложная судьба ферм Манежа, замечательного памятника инженерного искусства, созданного во времена, когда еще не были известны методы расчета прочности и жесткости конструкций.


В настоящее время деревянные стропильные   фермы треугольного очертания применяют в основном в гражданском строительстве для скатных крыш над относительно небольшими помещениями. В одноэтажном промышленном  строительстве стропильные фермы имеют параллельные пояса  или верхний пояс ферм выполняют с небольшим двухсторонним уклоном. Фермы промышленных зданий изготавливают чаще всего из металла. Реже применяют сборные железобетонные стропильные фермы. В каркасных зданиях стропильные фермы опираются на колонны каркаса непосредственно или через дополнительные подстропильные фермы. В промышленных зданиях фермы используются также в качестве крановых балок.

   



Мостовые фермы

Ферменные мосты начали строить в первой половине XIX века в связи с интенсивным развитием железнодорожного транспорта.  Возведение применявшихся до этого каменных арочных мостов требовало много времени для их возведения, а балочными мостами, с учетом увеличенных нагрузок от железнодорожного транспорта, было затруднительно перекрывать пролеты более 50 м. К тому же ферменные железнодорожные мосты  требовали значительно меньше материалов, чем балочные.

Первые железнодорожные мосты с пролетными конструкциями из ферм были деревянными. Их конструктивное решение было естественным развитием деревянных мостовых балок двутаврового поперечного сечения. Высокую сплошную  стенку балок в фермах заменили расположенными с зазорами наклонными досками, которые образовывали перекрестную решетку. Многораскосную ферму с перекрестными рядами брусков или досок впервые предложил еще в 1820 г. американский инженер  Таун (Tawn).  Такая ферма была применена в мостах впервые  в 1837 г.  Важным преимуществом фермы Тауна было то, что они были просты по конструкции и  могли изготавливаться на месте из обычных пиломатериалов. Однако  многочисленные пересечения раскосов создавали неблагоприятные условия для высыхания древесины моста, которая подвергалась постоянному увлажнению дождем и снегом, что неизбежно снижало долговечность пролетных конструкций моста. Поэтому  велся поиск решений с более редким расположением раскосов.

Американский военный строитель, полковник Лонг (Lоng) в 1930 г. получил патент на деревянные фермы со сжатыми подкосами и растянутыми стойками, которые чередовались друг с другом. Ферма Лонга очень похожа на мостовые фермы Палладио, приведенне в его труде «Четыре книги по архитектуре», который был опубликован  еще в XVI веке. Однако фермы Палладио долго не применялись на практике из-за несовершенства узловых соединений и отсутствия методов расчета таких ферм. 

В 1940 г. Гау (Gau) использовал при строительстве моста  новою систему фермы, в которой вместо деревянных стоек были применены вертикальные металлические  тяжи.  Между ними располагалось два перекрестно расположенных деревянных раскоса. Использование двух материалов было новшеством и позволило значительно повысить прочность и долговечность мостовых конструкций без увеличения их веса.

z76_54_1.jpg
Дерево-металлическая  ферма системы Гау  


Пратт (Pratt) в 1844 г.  разработал ферму, в которой вместо двух перекрестных раскосов в каждой панели фермы располагался только один нисходящий деревянный раскос,   работающий на растяжение. После 1850 г. ферму стали выполнять  цельнометаллической, причем сначала для сжатых элементов применяли чугун, а впоследствии всю ферму стали делать из сварочного железа.

z76_54_2.jpg
Мостовая ферма системы Пратта
      
Американские системы мостовых ферм были с успехом применены в России при строительстве Николаевской железной дороги между Санкт-Петербургом и Москвой, где за 10 лет построили 184 моста и 19 путепроводов. Эти  системы были существенно усовершенствованы Д. И. Журавским (1821-1891), русским инженером-мостостроителем и ученым, который  теоретически перепроверил и усовершенствовал систему Гау.

Предложенный им  метод расчета - одно из первых теоретических методов расчета ферм. Наиболее полно предложения Д.И. Журавского были реализованы при проектировании им 9-ти пролетного моста через овраг и реку вблизи станции Веребья. Длина каждого из пролетов составляла 46 м. В 1851 г., когда было завершено строительство, мост был самым высоким и длинным железнодорожным мостом в России. В основу конструкции Веребьинского моста была положена система Гау с металлическими вертикальными тяжами, но в  отличие от этой системы  в нем   была применена многораскосная стенка (как в фермах Тауна). Д.И. Журавский на основе разработанного им метода расчета установил, что раскосы фермы моста напряжены по-разному в зависимости от их расположения по длине пролета. Поэтому предложил делать элементы решетки фермы разной толщины.

Американский инженер Дж. Уистлер, который руководил  проектированием мостов Николаевской железной дороги,  первоначально возражал против предложений Д.И. Журавского. Чтобы доказать свою правоту,  Д.И. Журавский построил испытал модель моста, в которой вертикальные металлические связи заменил струнами. Когда струны загруженной модели по очереди приводились в колебания, то они издавали звуки разной тональности, что убедительно доказало их разную напряженность в ферме. Уистлер согласился с результатами опытов, и предложение  Д.И. Журавского было реализовано на практике.

Веребьинский мост изображен на постаменте памятника императору Николаю I, который был инициатором строительства железной дороги между Санкт-Петербургом и Москвой.

z76_54_3.jpg

На советской марке 1978 г. из серии «История отечественного паровозостроения» имеется схематическое изображение 8-ми пролетного  многораскосного моста, который весьма похож на  Веребьинский мост   (Веребьинский мост имел  9 пролетов).
 
z76_54_4.jpg

         
Деревянные фермы мостов, не защищенные от атмосферных воздействий, были недолговечными. Поэтому через 25-30 лет такие мосты стали заменять цельнометаллическими. Их конструкции первоначально во многом повторяли  системы деревянных и деревометаллических мостов. Основой для многорешетчатых металлических ферм явилась ферма Тауна. Первая такая мостовая ферма пролетом 42,7 м была сооружена в 1845 г. в Ирландии. Мост с многораскосными  металлическими фермами, построенный в 1884 г. в городе Туй на границе Испании и Португалии, изображен в блоке, посвященном Бетанкуру. Дизайн моста выполнил инженер Пелайо Мансебо, выпускник Корпуса инженеров путей сообщения в Мадриде, основанного Бетанкуром. Фермы моста внешне повторяют рисунок Веребьинского моста Д.И. Журавского.

z76_54_5.jpg
Многораскосный металлический мост в городе Туй


Металлические мосты, в которых схема расположения раскосов совпадает с системой Гау, приведены на марках Лесото и  Шри-Ланки.  Вторая из марок  интересна тем, что содержит две ошибки. В подписи на марке мост назван арочным. Судя по схеме раскосов, пролеты моста перекрыты балочными фермами. В арочных мостах пролетное строение подвешивают к арке вертикальными тягами, а не наклонными раскосами, как это показано  на приводимой ниже марке с изображением арочного  моста. Другая ошибка в том, что  художник марки неправдоподобно изобразил места пересечении раскосов между собой. На  рисунке марки раскосы прикреплены к поясам фермы в одной плоскости, а в месте их пересечения они расположены в разных плоскостях, что невозможно.
z76_54_7.jpg z76_54_8.jpg
Металлические  фермы системы Гау
z76_54_9.jpg
Арочный мост

z75_55_1.jpg
Фермы  системы Элерса
Со временем появились новые системы металлических мостовых ферм. В мостовых фермах Элерса (Ehlers), в отличие от фермы Пратта, раскосы пересекают несколько часто расположенных стоек, что упрощает подвеску проезжей части моста. Во  второй половине XIX века в мостостроении  получили распространение  консольно-балочные фермы, состоящие из центральной части  и двух консолей по сторонам. Консольные части моста использовались для въезда на мост с береговых подъездных путей. Такой мост,  опирающийся всего на две опоры, перекрывает сразу три пролета. Характерным примером консольно-балочного моста является мост Свободы в Будапеште, построенный в 1894-1896 гг. (прежнее название – мост императора Франца Иосифа). Мост «Свободы»,  ставший одним из символов Будапешта, изображен на многих марках, выпущенных в Венгрии и СССР.

z75_55_5.jpg
Трехпролетная консольно-балочная мостовая ферма   (мост «Свободы» в Будапеште) 

Вариантом консольно-балочного моста является многопролетный мост, состоящий из нескольких ферм, на консоли которых опираются  промежуточные фермы или балки (называемые по имени немецкого инженера балками Гербера, предложившего такую конструкцию).

Введение балок Гербера позволяет значительно увеличить пролет моста. Так, например,  в 1882 - 1890 гг. в устье реки Форт в Шотландии был построен мост, главный пролет которого имел ширину 521 м. Мост в течение 27 лет держал рекорд по размеру  пролета. Достоинствами моста с балками  Гербера являются его статическая определимость и нечувствительность к неравномерным осадкам мостовых опор, а недостатками системы - сложность устройства шарнирных соединений  балок Гербера с консолями основных ферм моста и некомфортность проезда в зоне шарниров. С увеличением интенсивности движения последний недостаток стал особенно существенным. Поэтому в настоящее время  такие мосты сооружаются весьма редко.

z75_55_6.jpg
Многопролетный консольно-балочный мост  с балками Гербера

В современной практике мостостроения  наибольшее распространение получила система  Уоррена (Warren) с решёткой из равносторонних треугольников . Фермы с треугольной решеткой выполняются как по разрезной, так и по неразрезной  схеме. Первоначально в узлах ферм Уоррена использовались болтовые шарнирные соединения. Из-за быстрого износа болтов-шарниров, вызываемого действием знакопеременных усилий, эта система долго не находила широкого применения для мостов. Когда были усовершенствованы методы клепки, в металлических мостовых фермах стали применять заклепочные соединения. Со временем  вместо заклепок стали применять сварные соединения элементов мостовых ферм.

z75_55_2.jpg z75_55_3.jpg
Треугольные  фермы   Уоррена Заклепочное соединение в узле фермы

Треугольная решетка оказалась наиболее выгодной по затратам материала, и ее положили в основу конструкции мостовых ферм. В треугольной ферме часто предусматривают также вертикальные элементы (стойки и подвески), которые работают на местную нагрузку от проезжей части моста.

z75_55_4.jpg
Мост с треугольными фермами  и  дополнительными стойкам

В каждом пролете моста устанавливают не менее двух ферм, которые для обеспечения устойчивости объединяют между собой связевыми фермами, благодаря которым пролетное строение моста превращается в пространственную конструкцию, способную воспринимать нагрузки любого направления. В виде пространственных металлических ферм часто выполняют порталы висячих и вантовых мостов. В висячих мостах  на пилоны опираются провисающие нити из кабелей, а в  вантовых мостах – наклонные ванты. Проезжая часть таких мостов также может усиливаться по бокам фермами.          Порталы и боковые фермы проезжей части висячего моста, изображенного на приводимой ниже марке государства Лесото,   имеют схему ферм Гау.

z75_55_9.jpg z75_55_10.jpg
Связевые фермы плоских пролетных ферм моста Фермы портала и опоры проезжей части висячего моста

 
Башенные фермы

Пространственные фермы наиболее часто применяются для башен, не имеющих внутреннего объема. Башенные фермы служат опорами воздушных линий электропередач (ЛЭП), радио- и телевизионных антенн, бурильных установок и др. Самой распространенной пространственной фермой является опора ЛЭП.. На прямых участках трассы устанавливаются промежуточные опоры, которые  предназначены только для поддержания проводов и тросов. Промежуточные опоры составляют 80—90 % всех опор ЛЭП. В местах изменения направления ЛЭП устанавливаются угловые опоры, которые, кроме вертикальной нагрузки от веса проводов и тросов,  испытывают горизонтальные нагрузки от одностороннего натяжения проводов и тросов. Для перехода через инженерные сооружения или естественные преграды, устанавливают анкерные опоры, конструкция которых отличается жесткостью и прочностью.

z74_56_1.jpg z74_56_2.jpg
Промежуточная опора ЛЭП Радио вышки
 
Другими распространенными решетчатыми башенными конструкциями являются радио и радиорелейная вышки. Радиорелейная связь основана на многократной ретрансляции радио сигналов между вышками, располагаемыми в пределах прямой видимости. Башни, подобные радиорелейным вышкам, используются для обеспечения сотовой связи. 

z74_56_3.jpg z74_56_4.jpg
Радиорелейные вышки

Особую конструкцию имеют башенные буровые вышки, возводимые над устьем нефтяных, газовых, геологоразведочных и др. скважин для спуска и подъема бурильного инструмента, забойного двигателя, обсадных труб. Обычно буровые вышки имеют четыре несущих ноги, связанные решеткой в единую пространственную конструкцию в виде усеченной четырехгранной пирамиды. 

z74_57_1.jpg z74_57_2.jpg
Буровая вышка
Нефтедобывающая вышка


Пространственные металлические фермы применяются не только для зданий и сооружений. Они являются конструктивной основой башенных и портальных монтажных кранов, рабочих органов экскаваторов и многих других машин.

z74_58_1.jpg z74_58_2.jpg
Фермы башенных монтажных кранов Портальный монтажный кран

z74_58_3.jpg
Экскаватор с рабочим органом в виде фермы
Кроме башенных ферм технического назначения, особую группу высоких пространственных ферм составляют обзорные  вышки и ориентиры. Наиболее ярким примером таких вышек является парижская Эйфелева башня, построенная инженером Эйфелем в 1889 г. в связи с открытием Всемирной  выставки.

Строительство башни в центре Парижа вызвало ожесточенную критику творческой интеллигенции Франции, которые опасались, что металлические конструкции подавят архитектуру города и нарушат неповторимый стиль столицы. Предполагалось, что через 20 лет башня будет демонтирована, а ее конструкции будут использованы при строительстве мостов. Эти намерения не были осуществлены. Эйфелева башня стала символом современного Парижа.

Первоначально Эйфелева башня имела высоту 300,65 м и была в течение 40 лет самым высоким сооружением в мире.  В 1930 г. ее высоту на 20 м превзошёл  возведенный в Нью-Йорке. небоскреб Крайслер Билдинг. В 2010 г. на Эйфелевой башне установили новую антенну. Ее высота достигла 324 м, что выше Крайслер Билдинг, но к этому времени уже были построены здания вдвое большей высоты. Поэтому рекорд высоты не вернулся к башне.
z74_58_4.jpg

z74_59_4.jpg
Развитие телевидения потребовало строительства в крупных городах  телевизионных башен. Многие такие башни стали современными символами городов. На телебашнях, как правило, устраиваются обзорные площадки и рестораны, привлекающие туристов. Первые телебашни выполнялись, как правило, в виде пространственных ферм. Со временем металлические ферменные конструкции сменили железобетонные телевизионные башни. В последнее время снова стали возводить решетчатые конструкции телебашен.

В 1973 г. в Киеве построили металлическую  телебашню высотой 385 м. Башня выполнена в виде пространственной фермы из трубчатых стержней. Киевская телебашня долгое время была самым высоким решетчатым сооружением в мире.

В 2011 г. ее высоту всего на 3м превысила телебашня в  Чжанчжоу, КНР. В следующем, 2012 г. этот рекорд был перекрыт телебашней, возведенной в Токио в связи с переходом на  цифровое телевидение. Старая телебашня высотой 332,6 м не позволяла передавать телевизионный сигнал на верхние этажи некоторых новых небоскребов в Токио. Высота новой телебашни, названной «Небесное дерево», составила 634 м. Башня имеет сетчатую конструкцию из труб. В башне предусмотрена  специальная система сейсмической защиты, которая, по мнению авторов, может компенсировать  до половины усилия от подземных толчков при землетрясении. На конец 2015 г. токийская телебашня - самая высокая телебашня и второе по высоте сооружение в мире после «Бурдж-Халифа» («Башня Халифа»)  в Дубае, ОАЭ. Но гонка за предельную высоту продолжается.

z74_59_2.jpg z74_59_3.jpg
Старая  телебашня  в Токио Новая телебашня «Небесное дерево»   в  Токио

              

180.JPG
000.JPG


Разработка «Наш ГОРОД»