Ферма - это конструкция, которая очень часто используется в гражданском строительстве., такие как мосты, стальные здания, башни и кровельные конструкции (как показано на изображении ниже). Они также используются во многих механических и аэрокосмических конструкциях, таких как краны., морские платформы, космические конструкции, и так далее.

Ферма деревянной крыши
Фермы состоят из прямых элементов, которые соединены друг с другом на двух концах каждого элемента.. Все элементы ферменной конструкции соединяются между собой штифтовыми соединениями., таким образом, что при проектировании этих конструкций мы предполагаем, что соединения не могут выдерживать или сопротивляться никаким моментам..

типично, стыковые соединения образуются путем прикручивания или сварки концевых элементов к общей пластине, называется косынкой (на фото ниже). Предполагается, что все внешние нагрузки, действующие на ферму, действуют только на стыки., и поэтому, все элементы фермы - двустенные. На отдельные элементы не действуют изгибающие моменты и силы сдвига, а действуют только осевые силы сжатия или растяжения..

Обычно, фермы из стали, дерево и очень редко из бетона и алюминия.

Косынка

Почему они так эффективны на больших расстояниях?

1. Ферменные системы передают силы в осевом направлении

Фермы гораздо более подходят для длинных пролетов, чем сплошные балки, из-за направления и типа силы, которую они содержат.. Как уже упоминалось, элементы фермы соединены штифтовыми соединениями, что означает наличие нет внутренних сил сдвига и момента, и силы прикладываются в осевом направлении к элементу.

Рассмотрим скатную крышу, с точечными нагрузками, приложенными по пролету (смоделировано с использованием бесплатного калькулятор фермы):

Эти точечные нагрузки передаются внутренним осевым силам на стержне., с небольшим или без внутреннего момента или сдвига:

Внутренние силы после линейного статического анализа, также проанализировано в SkyCiv калькулятор фермы

2. Члены более прочны в осевом направлении

Тот факт, что силы, действующие на каждый элемент фермы, являются осевыми, является ключом к эффективности фермы для длинных пролетов.. В аксиально нагруженном элементе, сила передается одинаково каждой частью элемента - материал не тратится впустую. Сравните это с лучом. Когда мы загружаем балку по центру, там напряжения намного выше, чем где бы то ни было - напряжения сосредоточены. Материал вдали от центра просто не выполняет столько работы, снижение эффективности конструкции и ее утяжеление:

Ферма эффективная
альтернативно, в ферменной конструкции силы осевые. Это означает, что каждый элемент фермы имеет одинаковую интенсивность осевого усилия по всему элементу (равномерное сжатие или растяжение). Следовательно, сила и напряжения распределяются по всему стержню. Из-за этого, элементы фермы могут быть легче, и по-прежнему будет иметь более высокую грузоподъемность и более эффективно используемые поперечные сечения.

Эффективность фермы, нагруженный осевой элемент
В общем-то, общая эффективность фермы оптимизирована за счет использования меньшего количества материала в поясах и большего количества в элементах связи. Это особенно полезно для более длинных пролетов по сравнению с такими альтернативами, как бетонные балки или предварительно напряженный бетон.. Элементы фермы могут оставаться легкими, а использование материала может быть сокращено за счет использования системы стальных элементов над одной большой бетонной секцией.. Элементы балки имеют тенденцию прогибаться под нагрузкой и более чувствительны к увеличению пролета, чем требование повышенной прочности..

Альтернативные дизайны

Предварительно напряженный бетон альтернативная конструкция для длиннопролетных конструкций. Хотя это более простая структура, это намного менее эффективно, чем ферма. Предварительно напряженные бетонные элементы должны выдерживать огромное напряжение изгиба., и только ухудшается с увеличением пролета. Так чем длиннее промежуток, тем конкретнее, что требуется.

Вантовые мосты Эффективный дизайн для длинных пролетов, однако по-прежнему требуется большое использование материала для поддержки кабелей. Кабели так же эффективны, как и элементы фермы, поскольку они передают силу в напряжение, однако внешняя структура для поддержки этой системы может быть неэффективной и тяжелой..

3. Резюме

Фермы обычно используются в качестве конструкций крыш больших пролетных строений, а также в мостах., башни, краны и мостки. У них более высокая грузоподъемность и более эффективное использование поперечного сечения..

Это связано с тем, что их шарнирные соединения передают силы в осевом направлении, и в элементах очень малы изгибающий момент и поперечные силы.. Элементы более эффективно переносят осевые нагрузки, поскольку напряжения распределяются равномерно., а не поперечные нагрузки, которые сосредоточены. Эта комбинация делает стропильные системы более эффективными, чем однослойные альтернативы. (например. предварительно напряженный бетон).

Фермы позволяют инженерам создавать большие открытые пространства с меньшим количеством материалов.. Использование меньшего количества материалов также позволяет подрядчикам строить дешево.. Не стесняйтесь приступить к моделированию или проектированию своей ферменной конструкции с помощью SkyCiv's Free Калькулятор стропил или стропил.