Рис. 1.

Таблица 1.

Рис. 2.

Расчетная схема стержневой системы для ПВК формируется поэлементно. Поэтому, для учета габаритов фасонок в узлы были введены дополнительные элементы(рис. 3,а), размеры которых соответствуют размерам фасонок. В данном примере размер элемента моделирующего фасонку был принят равным 1/6 длины панели.
Анализ конструктивных решений ферм из уголков показывает, что жесткость (EI) элементов в зоне фасонки повышается не менее чем в 20 раз. Поэтому жесткости элементов, моделирующих фасонки были приняты увеличенными в 20 раз, по сравнению с основными элементами фермы.

Результаты расчета данной системы и сравнение с результатами, полученными без учета габаритов фасонок представлены в таблице 2.

Критическая нагрузка					Расхождение, %
	176.56		195.35		10.65
Углы поворота узлов
Nузла	1	2		3		4	5
Z	0.3	0.7		1		0.7	0.3

Строительные нормы влияние жесткости узлов на значение N_кр для элементов ферм учитывают усреднено и приближенно с использованием расчетных длин: для сжатых раскосов l₀ = 0.8l и для элементов верхнего пояса l₀ = l. Учет габаритов фасонок, как показывает пример, позволяет увеличить значение критической нагрузки на 10-15%.

Для этого были изготовлены две модели фермы пролетом 18 м в масштабе 1:10. Элементами фермы являются металлические стержни прямоугольного сечения размерами 40х1 мм и 40х0.8 мм. Жесткость узлов моделировалась защемлением стержней в металлические круглые барабаны диаметром 50 мм. Опирание моделей в крайних узлах принималось шарнирным.

На первом этапе испытания проводились на исходных (без усиления) моделях. В результате были получены значения критических узловых нагрузок для испытываемых моделей, а также схемы деформаций их, определяемые углами поворота узлов верхнего пояса. По выявленным схемам деформаций фермы при потере устойчивости был сделан вывод, что наиболее слабыми элементами являются средние элементы верхнего пояса.

Для усиления данных моделей были приняты три способа (схемы):

1. Увеличение сечений средних элементов верхнего пояса.

2. Установка дополнительных вертикальных элементов(стоек) в каждую панель, уменьшающих расчетную длину сжатых стержней верхнего пояса.

3. Постановка напрягаемой затяжки ломаного очертания, концы которой были закреплены в опорных узлах.

При увеличении размеров сечений средних стержней в плоскости фермы в два раза критическая узловая нагрузка возросла на 30 %. При этом в критическом состоянии наиболее слабыми оказались опорные раскосы.

Установка дополнительных стоек (2-я схема усиления) повысила критическую нагрузку на 29.6 %. Особенно эффективна такая схема усиления в тех (средних) панелях, где в верхнем поясе сжимающие продольные усилия имеют наибольшие значения.

Установка напрягаемой затяжки проводилась двумя способами:

1. Закрепление троса затяжки в крайних узлах верхнего пояса.

2. Закрепление троса в опорных узлах(нижнего пояса).

Усилие в тросе затяжки контролировалось перемещением специального устройства в механизме натяжения.

При установке затяжки по первому способу критическая нагрузка возросла на 11.1 %, по второму способу натяжения критическая нагрузка возросла на 37 %. При этом усилие в затяжке составило 2 значения предполагаемой критической нагрузки.

При расчете на ПЭВМ данных моделей ферм без учета конечных размеров узловых закреплений было выявлено расхождение с экспериментальными значениями критической нагрузки порядка 10 – 12 %. При расчете же с учетом жесткости узлов, которые имитировали габариты узловых фасонок процент расхождения составил 2 – 3 %. Это говорит о том, что учет жесткости узлов в виде конечных элементов большой жесткости значительно влияет на значение критической нагрузки. Таким образом, экспериментально и численно (с применением ПЭВМ) показано, что учет габаритов узловых фасонок приводит к повышению несущей способности металлических ферм примерно на 10 – 12 %. На основе такого (уточненного расчета) можно получить экономию металла такого же порядка.

Кроме описанных трех схем усиления моделей ферм было выполнено усиление опорных узлов, которое имитировало жесткое защемление их в составе поперечной рамы промышленного здания. В первом усиленном варианте (верхнего пояса) при защемлении опорных узлов критическая нагрузка для модели фермы повысилась на 66 %. Такой результат объясняется тем, что в этом варианте усиления наиболее слабыми элементами в критическом состоянии оказались опорные раскосы. В реальных же случаях, как правило, опорные раскосы оказываются наиболее жесткими и неподатливыми к потере устойчивости. Испытания исходных моделей подтвердили этот вывод.