Каково сопротивление кручению треугольной фермы?

Привет, если вы когда-либо тратили время на обустройство сцены для мероприятия, установку стенда на торговой выставке или даже просто думали о скелете, который держит эти тяжелые фонари или вывески, вы, вероятно, в какой-то момент наткнулись на треугольные фермы. Как человек, который годами поставляет этих плохих парней, особенно алюминиевые треугольные фермы, у меня возникает один вопрос:все времяследующий: «Каково сопротивление треугольной фермы на кручение?» Между прочим, это не просто случайный технический термин — это имеет значение, когда вы рассчитываете, что ваша ферма выдержит, а не скрутится, как мокрое полотенце, даже когда усиливается ветер или вы складываете дополнительное снаряжение на одну сторону. Давайте разберем это так, как будто я болтаю за чашкой кофе, без скучного жаргона из учебников (ну,некоторыйжаргонизм, но я объясню).

Прежде всего, давайте убедимся, что мы находимся на одной волне: сопротивление скручиванию — это то, насколько конструкция может противостоять скручивающим силам. Подумайте о том, когда вы поворачиваете дверную ручку: ваша рука прикладывает крутящий момент (поворот) к ручке, а дверная защелка сопротивляется этому повороту, чтобы открыться. В случае ферм этот крутящий момент возникает из-за неравномерного веса, ветра, дующего с одной стороны, или даже кого-то, подпрыгивающего на платформе, прикрепленной к ферме. Треугольные фермы названы в честь своего поперечного сечения — они не квадратные и не круглые, как некоторые другие типы ферм, и эта треугольная форма на самом деле во многом объясняет, почему их сопротивление кручению (обычно) довольно сильное, но оно не является универсальным.

Давайте начнем с основ того, как фермы работают конструктивно. Фермы состоят из более мелких элементов (балок, поясов, перемычек), соединенных в стыках, а треугольники являются самой прочной базовой формой, потому что они не деформируются - в отличие от квадрата, который может «сжаться» в ромбовидную форму, если вы сдвинете два противоположных угла. Эта жесткость является ключом к сопротивлению скручиванию, потому что скрученная ферма — это, по сути, треугольники, которые сгибаются или теряют форму. Но подождите, не все треугольные фермы одинаковы. Материал имеет огромное значение — вот почему я так много работаю с алюминиевыми треугольными фермами — алюминий легкий, но имеет большую прочность на разрыв (насколько хорошо он разрывается) и хорошую жесткость на скручивание, намного лучше, чем сталь для определенных работ, потому что он не добавляет тонну дополнительного веса, который мог бы ухудшить скручивание.

Теперь реальные цифры и факторы, влияющие на сопротивление скручиванию. Ненавижу, когда о технических вещах говорят «это зависит», но вот правда: этоделаетзависеть от кучи вещей. Во-первых, размер поперечного сечения — например, 12-дюймовая треугольная ферма будет сопротивляться скручиванию намного лучше, чем 6-дюймовая, потому что чем больше расстояние между внешними краями фермы, тем больше она должна скручиваться и тем большую жесткость она имеет. Затем есть размер (толщина) алюминиевой трубы — более толстая трубка = более высокое сопротивление скручиванию, но также и более тяжелая ферма, что является компромиссом, если вы оснащение для временного мероприятия, где мобильность имеет значение.

Далее конфигурация треугольной фермы. Подождите, треугольные сечения могут иметь разную планировку: некоторые представляют собой одиночные треугольники (всего три стороны), некоторые имеют внутренние распорки, что делает их больше похожими на двойной треугольник или форму пирамиды. Эта внутренняя распорка подобна добавлению дополнительных стоек для борьбы с скручиванием — думайте об этом как о «мускулах» фермы для воздействия скручивающих сил. Если у вас есть ферма, имеющая только три плоские стороны без внутренних поперечных распорок, вероятность ее скручивания гораздо выше, чем у той, у которой перемычки соединяют углы треугольника, образуя меньшие внутренние треугольники. Я всегда объясняю это клиентам, когда они спрашивают: если вам нужно повесить тяжелые сценические светильники на ветреной открытой сцене, выбирайте треугольную ферму с полным внутренним креплением, а не простую трехстороннюю ферму.

Еще есть длина фермы. Если задуматься, это имеет смысл: 10-футовая треугольная ферма более устойчива к скручиванию, чем 50-футовая, не так ли? Потому что чем длиннее пролет, тем больше шансов, что крутящий момент «сработает» на этой длине. Поэтому, если вы охватываете широкую сцену, вам, возможно, придется добавить больше промежуточных опор или выбрать ферму с более высоким сопротивлением кручению, чтобы компенсировать эту длину.

Теперь давайте перейдем к реальным вариантам использования, потому что именно здесь это действительно имеет значение. В прошлом году я работал с концертным промоутером, который устанавливал фестивальную сцену в поле — в те выходные было очень ветрено, и между фермами были пролеты 20 футов. Изначально им нужна была бюджетная треугольная ферма, но когда мы рассчитали сопротивление скручиванию (используя стандартные структурные формулы, ничего особенного), этой простой конструкции хватило только на мероприятия в помещении без ветра. Заменить ее на усиленную алюминиевыми треугольными фермами? Согласно спецификациям, это увеличило их сопротивление скручиванию на 40%, и за все выходные у них не было ни одной проблемы с перекручиванием. Поверьте мне, это стоит дополнительных нескольких долларов — никто не хочет смотреть, как их сценические огни раскачиваются, как маятник, из-за того, что ферма перевернулась.

Подождите, давайте поговорим о том, как измеряется сопротивление скручиванию, простыми словами. Для расчета инженеры-строители обычно используют значение, называемое «постоянной скручивания» (иногда называемое J-значением). Значение J для треугольной фермы зависит от момента инерции — того, как материал распределяется вокруг центра поперечного сечения. Для треугольной полой фермы (наиболее распространенного типа, особенно из алюминия) значение J увеличивается, если ферма имеет более толстые стены, большие внешние размеры и правильные внутренние связи. Более высокое значение J = лучшее сопротивление скручиванию, просто и понятно. Я всегда сообщаю значения J для наших алюминиевых треугольных ферм клиентам, которые выполняют структурные расчеты, потому что это число им нужно включить в свои собственные формулы, чтобы убедиться, что ферма выдержит.

Еще одна вещь, которую люди часто упускают из виду: связи имеют значение. Даже если ваша ферма имеет высокое сопротивление кручению, если вы соединяете секции фермы хлипкими штифтами или болтами, которые скользят, это сопротивление уходит прямо в окно. Когда я поставляю треугольные фермы, я рекомендую использовать подходящее соединительное оборудование, разработанное для конкретного размера и материала фермы — для алюминиевых ферм нужны алюминиевые соединители (или коррозионностойкая сталь), поскольку разнородные металлы могут вызвать коррозию, которая со временем ослабляет соединения. Я видел, как так много клиентов срезали углы и в конечном итоге получали на своем мероприятии искривленные фермы, что является полной катастрофой.

Давайте разберемся с распространенным мифом: «Треугольные фермы имеют такое же сопротивление скручиванию, как и квадратные фермы». Ни за что. Квадратные фермы (например, 12x12 дюймов) имеют другую форму поперечного сечения, поэтому их значение J рассчитывается по-другому. При тех же внешних размерах и материале треугольная ферма действительно имеетлучшесопротивление кручению, чем квадратное? Подождите, подождите, подождите, это только в том случае, если треугольная ферма представляет собой полый треугольник, а не плоскую треугольную раму. Позвольте мне уточнить: плоская трехсторонняя треугольная рама (например, треугольник, состоящий из трех труб, соединенных по углам) на самом деле хуже сопротивляется скручиванию, чем квадратная рама того же размера, потому что «открытые» стороны треугольника означают, что он может сильнее скручиваться. Но полая треугольная ферма — где треугольник закрыт, а внутренние распорки придают ей жесткую коробчатую форму треугольника —делаетимеют более высокое сопротивление кручению, чем квадратная полая ферма того же размера. Вот почему организаторы мероприятий любят треугольные фермы для верхнего освещения; они легче и жестче против скручивания в двух измерениях.

Следует также упомянуть, что для постоянных конструкций (например, ферм крыши здания) сопротивление кручению рассчитывается иначе, чем для временных ферм. Постоянные фермы должны прослужить десятилетия, поэтому мы учитываем такие факторы, как усталость материала, изменения температуры и длительная нагрузка. Но что касается того, что я поставляю — ферм для мероприятий, ферм для выставок, ферм для временных сцен — мы уделяем особое внимание динамическим нагрузкам: порывам ветра, движущемуся оборудованию, неравномерному весу, которые являются основными причинами кручения. Наши алюминиевые треугольные фермы рассчитаны на временное использование, и мы четко определяем допустимую нагрузку на скручивание, а также на изгиб и сдвиг, поэтому клиентам не приходится гадать.

Теперь давайте поговорим о том, когда сопротивление скручиванию не является проблемой. Если вы вешаете легкие вывески в помещении, без ветра и с равномерным весом, подойдет любая треугольная ферма. Но если вы проводите мероприятия на открытом воздухе, подвешиваете тяжелое сценическое оборудование, преодолеваете большие расстояния или складываете оборудование на одну сторону фермы? Вот тогда вам нужно обратить внимание на сопротивление скручиванию. Однажды у меня был клиент, который хотел повесить 500-фунтовый динамик на одном конце 30-футовой треугольной фермы (в помещении, без ветра) с бюджетной фермой — когда мы рассчитали крутящий момент, этот единственный динамик скручивал гораздо больше, чем могла выдержать ферма. Мы заменили более толстую алюминиевую треугольную ферму, и она работала отлично. Все дело в том, чтобы сопротивление фермы на кручение соответствовало конкретной нагрузке и условиям.

Подождите, давайте удостоверимся, что это полезно для всех, кто это читает. Если вы покупаете треугольную ферму и заботитесь о сопротивлении скручиванию, вот ваш контрольный список:

1. Выбирайте полую треугольную ферму с усиленными связями (а не плоскую трехстороннюю раму).
2. Выбирайте алюминий — легкий, прочный и обладающий отличной жесткостью на кручение для временного использования.
3. Подберите размер поперечного сечения и диаметр трубки в соответствии с вашей нагрузкой и пролетом.
4. Используйте подходящее и подходящее соединительное оборудование, чтобы сохранить сопротивление кручению.

А если вы не уверены, какой из них вам нужен? Вот для чего я здесь. Я был в этой игре достаточно долго, чтобы взглянуть на проект клиента — будь то фестивальная сцена, выставочный стенд или мероприятие на заднем дворе — и точно сказать им, какая треугольная ферма будет иметь правильное сопротивление скручиванию, не перерасходуя средства и не уделяя недостаточной подготовки.

Позвольте мне вернуться к первоначальному вопросу: каково сопротивление треугольной фермы на скручивание? Это не фиксированное число — это показатель производительности, который зависит от конструкции, материала, размера, креплений и соединений. Но если вы все сделаете правильно, треугольная ферма будет иметь действительно солидное сопротивление скручиванию, особенно по сравнению с другими типами ферм временного применения. Алюминиевые треугольные фермы, которые я поставляю, проверены на соответствие отраслевым стандартам жесткости на кручение, поэтому вы можете быть уверены, что они не перекрутятся, когда они вам больше всего нужны.

Теперь, если вы ищете треугольную ферму, будь то для предстоящего мероприятия, строительства или любого другого проекта, над которым вы работаете, не беспокойтесь о цифрах — просто протяните руку. Я могу рассказать вам о вариантах, объяснить характеристики сопротивления скручиванию на простом английском языке и помочь вам выбрать именно то, что вам нужно, чтобы вам не пришлось беспокоиться о том, что поворот испортит ваш проект.

Ссылки

1. Американский институт стальных конструкций. (2017).Спецификация для зданий из металлоконструкций. АИСК.
2. Ассоциация структурного проектирования. (2020). Сопротивление кручению полых металлических ферм. Журнал ЮВА.
3. Алюминиевая ассоциация. (2019).Руководство по проектированию алюминиевых конструкций. Алюминиевая ассоциация.
4. Совет индустрии событий. (2021). Временные стандарты такелажа для ферм. Технический отчет EIC.