Из чего состоит ферма металлическая

Фермы

Фермой называется система стержней соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию. При узловой нагрузке жесткость узлов несущественно влияет на работу конструкции, и в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные. В этом случае все стержни ферм испытывают только растягивающие или сжимающие осевые усилия.

Фермы экономичнее балок по расходу стали, но более трудоемки в изготовлении. Эффективность ферм по сравнению со сплошностенчатыми балками тем больше, чем больше пролет и меньше нагрузка.

Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными.

Плоские фермы воспринимают нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении их связями. Пространственные фермы образуют жесткий пространственный брус, воспринимающий нагрузку в любом направлении (рис.9.1).

Рекомендуемые материалы

Рис. 9.1. Плоская (а) и пространственная (б) фермы

Основными элементами ферм являются пояса, образующие контур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек (рис. 9.2). Соединение элементов в узлах осуществляется путем непосредственного примыкания одних элементов к другим (рис 9.3,а) или с помощью узловых фасонок (рис. 9.3,б). Элементы ферм центрируются по осям центра тяжести для снижения узловых моментов и обеспечения работы стержней на осевые усилия.

Рис. 9.2. Элементы ферм

1 – верхний пояс; 2 – нижний пояс; 3 – раскосы; 4 — стойки

Рис. 9.3. Узлы ферм

а – с непосредственным примыканием элементов; б – на фасонках

Расстояние между соседними узлами поясов называется панелью

(d_в – панель верхнего пояса, d_н – нижнего), а расстояние между опорами

– пролетом (l).

Пояса ферм работают на продольные усилия и момент (аналогично поясам

сплошных балок); решетка ферм воспринимает в основном поперечную силу, выполняя функции стенки балки.

Знак усилия (минус – сжатие, плюс – растяжение) в элементах решетки ферм с параллельными поясами можно определить, если воспользоваться “балочной аналогией”.

Стальные фермы широко применяются во многих областях строительства; в покрытиях и перекрытиях промышленных и гражданских зданий, мостах, опорах линий электропередачи, объектах связи, телевидения и радиовещания (башни, мачты), транспортных эстакадах, гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах и т. д.

Фермы имеют разную конструкцию в зависимости от назначения, нагрузок и классифицируются по различным признакам:

по статической схеме – балочные (разрезные, неразрезные, консольные); арочные, рамные, комбинированные (рис. 9 4);

Рис.9.4. Системы ферм

а – балочная разрезная; б – неразрезная; в,е – консольная; г – арочная; д – рамная;

ж — комбинированная

по очертанию поясов – с параллельными поясами, трапециевидные, треугольные, полигональные, сегментные (рис. 9.5);

по системе решетки – треугольная, раскосная, крестовая, ромбическая

по способу соединения элементов в узлах – сварные, клепанные, болтовые;

Рис. 9.5. Очертания поясов ферм

а – сегментное; б – полигональное; в – трапецеидальное; г – с параллельными поясами;

д-и — треугольное

по величине максимального усилия – легкие – одностенчатые с сечениями из прокатных профилей (усилие N кН) и тяжелые – двухступенчатые с элементами составного сечения ( N > 300кН).

Промежуточными между фермой и балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами либо аркой (сверху). Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающий момент в балке и повышают жесткость системы (рис.9.4,ж). Комбинированные системы просты в изготовлении (имеют меньшее число элементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижными нагрузками.

Эффективность ферм м комбинированных систем можно повысить, создав в них предварительное напряжение.

В фермах подвижных крановых конструкций и покрытий больших пролетов, где уменьшение веса конструкции дает большой экономический эффект, применяют алюминиевые сплавы.

Рис. 9.6. Системы решетки ферм

а – треугольная; б – треугольная с дополнительными стойками; в – раскосная

с восходящими раскосами; г – раскосная с нисходящими раскосами;

д – шпренгельная; е – крестовая; ж – перекрестная; и – ромбическая;

к — полу раскосная

9.2. Компоновка конструкций ферм

Выбор статической схемы и очертания фермы – первый этап проектирования конструкций, зависящий от назначения и архитектурно – конструктивного решения сооружения и производится на основании сравнения возможных вариантов.

В покрытиях зданий, мостах, транспортных галереях и других сооружениях нашли применение балочные разрезные системы. Они просты в изготовлении и монтаже, не требуют устройства сложных узлов, но весьма металлоемки. При пролетах балок 40м разрезные фермы получаются негабаритными, и их собирают при монтаже.

Для двух и более перекрываемых пролетов применяют неразрезные фермы. Они экономичнее по расходу металла и обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту. Применение неразрезных ферм при слабых грунтах не рекомендуется, так как при осадке опор возникают дополнительные усилия. Кроме того, неразрезность усложняет монтаж.

Рамные фермы экономичнее по расходу стали, имеют меньшие габариты, но более сложны в монтаже. Их рационально применять для большепролетных зданий. Арочные системы, дают экономию стали, но приводят к увеличению объема помещения и поверхности ограждающих конструкций. Применение их диктуется архитектурными требованиями. Консольные фермы используют для навесов, башен, опор ЛЭП.

Очертания ферм должны соответствовать их статической схеме и виду нагрузок, определяющих эпюру изгибаемых моментов. Для ферм покрытий необходимо учитывать материал кровли и требуемый уклон для обеспечения водоотвода, тип узла сопряжения с колоннами (жесткий или шарнирный) и другие технологические требования.

Очертания поясов ферм определяет их экономичность. Наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов. Для однопролетной балочной системы с равномерно распределенной нагрузкой будет сегментная ферма с параболическим поясом (см.рис.9.5,а). Однако криволинейные пояса очень трудоемки в изготовлении, поэтому такие фермы применяют крайне редко. Более применяемыми являются полигональные фермы (см.рис.9.5,б). В тяжелых большепролетных фермах дополнительные конструктивные затруднения из – за перелома поясов в узлах не так ощутимы, так как из условия транспортировки пояса в таких фермах приходится стыковать в каждом узле.

Для легких ферм полигональное очертание нерационально, поскольку усложнение узлов не окупается экономией стали.

Фермы трапецеидальные (см.рис.9.5,в), хотя не совсем соответствуют эпюре моментов, имеют конструктивные преимущества, за счет упрощения узлов. Кроме того, применение таких ферм в покрытии позволяет устроить жесткий рамный узел, что повышает жесткость здания.

Фермы с параллельными поясами (рис.9 5,г) по своему очертанию далеки от эпюры моментов и неэкономичны по расходу стали. Однако равные длины элементов решетки, одинаковая схема узлов, повторяемость элементов и деталей, возможность их унификации способствуют индустриализации их изготовления. Поэтому фермы с параллельными поясами стали основными для покрытия производственных зданий.

Фермы треугольного очертания (см.рис.9.5,д-ж,и) рациональны для консольных систем и для балочных при сосредоточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы). Недостатком этих ферм является повышенный расход металла при распределенной нагрузке; острый опорный узел сложен и допускает только шарнирное сопряжение с колоннами, Средние раскосы очень длинные и их приходится подбирать по предельной гибкости, что ведет к перерасходу металла. Однако иногда их используют для стропильных конструкций, когда необходимо обеспечить большой уклон кровли (свыше 20%) или для создания одностороннего равномерного освещения (шедовые покрытия).

Пролет или длина ферм определяется эксплуатационными требованиями и обще компоновочным решением соружения и рекомендуется конструктором.

Там где пролет не диктуется технологическими требованиями (например, эстакады поддерживающие трубопроводы и т.п.), его назначают на основе экономических соображений, по наименьшей суммарной стоимости ферм и опор.

Высота треугольных ферм (см.рис.9.5,д) является функцией пролета и уклона фермы (25-45 0 ), что дает высоту ферм h . Высота обычно бывает выше требуемой, поэтому треугольные фермы не экономичны. Высоту фермы можно уменьшить, придав нижнему поясу приподнятое очертание (см.рис.9.5,г), но опорный узел не должен быть очень острым.

Для высоты трапецеидальных ферм и ферм с параллельными поясами

нет конструктивных ограничений, высоту фермы принимают из условия наименьшего веса фермы. Вес фермы складывается из веса поясов и решетки. Вес поясов уменьшается с увеличением высоты фермы, так как усилия в поясах обратно пропорциональны высоте h

Вес решетки наоборот, с увеличением высоты фермы возрастает, так как увеличивается длина раскосов и стоек, поэтому оптимальная высота ферм составляет 1/4 — 1/5 пролета. Это приводит к тому, что при пролете 20м высота фермы больше предельно (3,85м) допустимой по условию транспортировки. Поэтому с учетом требований транспортировки, монтажа, унификации высоту ферм принимают в пределах 1/7 – 1/12 пролета (для легких ферм еще меньше).

Наименьшая возможная высота фермы определяется допустимым прогибом. В обычных кровельных покрытиях жесткость ферм превосходит требуемую. В конструкциях работающих на подвижную нагрузку (фермы подкрановых эстакад, мостовых кранов и т. п.) требования жесткости настолько высоки

(f/l = 1/750 — 1/1000), что они диктуют высоту фермы.

Прогиб фермы определяют аналитически по формуле Мора

F = Σ (9.1)

где Ni – усилие в стержне фермы от заданной нагрузки; — усилие в том же стержне от силы, равной единице, приложенной в точке определения прогиба по направлению прогиба.

Размеры панели должны соответствовать расстояниям между элементами, передающими нагрузку на ферму, и отвечать оптимальному углу наклона раскосов, который в треугольной решетке составляет примерно 45 0 , а в раскосной решетке — 35 0 . Из конструктивных соображений – рационального очертания фасонки в узле и удобства прикрепления раскосов – желателен угол близкий к 45 0 .

В стропильных фермах размеры панелей принимаются в зависимости от системы кровельного покрытия.

Желательно для исключения работы пояса на изгиб обеспечить передачу нагрузки от кровли на узлы фермы. Поэтому в покрытиях из крупноразмерных железобетонных или металлических плит расстояние между узлами принимается равным ширине плиты (1,5м или 3м), а в покрытиях по прогонам

– шагу прогонов (от 1,5м до 4м). Иногда для уменьшения размеров панели пояса принимается шпренгельная решетка ( см. рис. 9.6,д).

Унификация и модулирование геометрических размеров ферм позволяет стандартизировать как сами фермы, так и примыкающие к ним элементы (прогоны, связи и т. д.). Это приводит к сокращению числа типоразмеров деталей и дает возможность при массовом изготовлении конструкций применять специализированное оборудование и перейти на поточное производство.

В настоящее время унифицированы геометрические схемы стропильных ферм производственных зданий, мостов, радиомачт, радио башен, опор линий электропередачи.

Строительный подъем. В фермах больших пролетов (более 36м), а также в фермах из алюминиевых сплавов или высокопрочных сталей возникают большие прогибы, которые ухудшают внешний вид конструкции и недопустимы по условиям эксплуатации.

Провисание ферм предотвращается устройством стропильного подъема, т. е.

изготовление ферм с обратным выгибом, который под действием нагрузки погашается, и ферма принимает проектное положение. Строительный подъем назначают равным прогибу от постоянной плюс половину временных нагрузок. При плоских кровлях и пролетах больше 36м строительный подъем следует принимать независимо от величины пролета равным прогибу от суммарной нормативной нагрузки плюс 1/200 пролета.

Строительный подъем обеспечивается путем устройства перегиба в монтажных узлах (рис.9.7).

Системы решеток ферм и их характеристика. Решетка ферм работает на поперечную силу, выполняя функции стенки сплошной балки.

От системы решетки зависит вес фермы, трудоемкость ее изготовления, внешний вид. Поскольку нагрузка на ферму передается в узлах, то решетка должна соответствовать схеме приложения нагрузки.

Треугольная система решетки. В фермах трапецеидального очертания или с параллельными поясами рациональной является треугольная система решетки

(см. рис.9.6,а), дающая наименьшую суммарную длину решетки и наименьшее число узлов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры. В фермах, поддерживающих прогоны кровли или балки настила, к треугольной решетке часто добавляют дополнительные стойки (рис.9.6,б), а иногда и подвески, позволяющие уменьшить расстояние между узлами фермы. Дополнительные стойки уменьшают также расчетную длину сжатого пояса. Работают дополнительные стойки только на местную нагрузку и не участвуют в передаче на опору поперечной силы.

Рис. 9.7. Схемы строительного подъема при одном (а) и нескольких

(б) укрупнительных стыках

Недостатком треугольной системы – наличие длинных сжатых раскосов (восходящих в фермах с параллельными поясами и нисходящих в треугольных фермах).

Раскосная система решеток, применяется при малой высоте ферм, а также тогда, когда по стойкам передаются большие усилия (при большой узловой нагрузке).

Раскосная решетка более трудоемка, чем треугольная, требует большого расхода металла, так как при равном числе панелей в ферме общая длина раскосной решетки больше, и в ней больше узлов. Путь усилия от узла до опоры в раскосной решетке длиннее; он идет через все стержни решетки и узлы.

Специальные системы решеток, применяют при большой высоте ферм (примерно 4 – 5м). Чтобы уменьшить размер панели, сохранив нормальный угол наклона раскосов, применяют шпренгельную решетку (см.рис.9.6,д). Устройство шпренгельной решетки более трудоемко и требует дополнительного расхода металла; однако такая решетка позволяет получить рациональное расстояние между элементами поперечной конструкции при рациональном угле наклона раскосов и уменьшить расчетную длину сжатых стержней.

Шпренгельная решетка применяется при крутых кровлях и сравнительно больших пролетах (l = 20 – 24м) для треугольной фермы (см.рис.9.5,е).

В фермах, работающих на двустороннюю нагрузку устраивают крестовую

решетку (см.рис.9.6,е). К таким фермам относятся горизонтальные связевые фермы покрытий производственных зданий, мостов и других конструкций, вертикальные фермы башен, мачт и высоких зданий.

Ромбическая и полу раскосная решетки (см.рис.9.6,и,к) благодаря двум системам раскосов обладают большой жесткостью; эти системы применяются в мостах, башнях, мачтах, связях для уменьшения расчетной длины стержней и особенно рациональны при работе конструкций на большие поперечные силы.

Обеспечение устойчивости ферм. Плоская ферма неустойчива из своей плоскости, поэтому ее необходимо присоединить к более жесткой конструкции или соединить связями с другой фермой, в результате чего образуется устойчивый пространственный брус (рис.9.8,а). Поскольку этот

Рис. 9.8. Завязка ферм в пространственные системы

1 — диафрагма

пространственный брус в поперечном сечении замкнут, он обладает большой жесткостью при кручении и изгибе в поперечном направлении, поэтому потеря его общей устойчивости невозможна. Конструкции мостов, кранов, башен, мачт и т.п. представляют собой также пространственные брусья, состоящие из ферм (рис.9.8,б).

В покрытиях зданий из-за большого числа поставленных рядом плоских стропильных ферм решение усложняется, поэтому фермы, связанные между собой только прогонами могут потерять устойчивость.

Их устойчивость обеспечивается тем, что две соседние фермы скрепляются связями в плоскости верхнего и нижнего пояса и вертикальными поперечными связями (рис.9.9, б). К этим жестким блокам другие фермы прикрепляются

горизонтальными элементами, препятствующими горизонтальному перемещению поясов ферм и обеспечивающими их устойчивость (прогонами и распорками, расположенными в узлах ферм). Чтобы прогон мог закрепить узел фермы в горизонтальном направлении, он сам должен быть прикреплен к

неподвижной точке – узлу горизонтальных связей.

Рис. 9.9. Связи обеспечивающие устойчивость стропильных ферм

1 – прогоны; 2 – фермы; 3 – горизонтальные связи; 4 – вертикальные связи;

5 – пространственный блок

9.3. Типы сечений стержней ферм

Наиболее распространенные типы сечений элементов легких ферм, показаны на рис.9.10.

По расходу стали наиболее эффективным является трубчатое сечение (рис.9.10,а). Труба обладает хорошей обтекаемостью, поэтому ветровое давление меньше, что важно для высоких сооружений (башен, мачт, кранов). На трубах мало задерживается иней и влага, поэтому они стойки к коррозии; их легко очищать и окрашивать. Это повышает долговечность трубчатых конструкций.

Для предотвращения коррозии внутренних плоскостей трубчатые элементы следует герметизировать. Однако определенные конструктивные трудности сопряжения трубчатых элементов и высокая стоимость труб ограничивают их применение.

Рис. 9.10. Типы сечений стержней легких ферм

Прямоугольные гнуто замкнутые сечения (рис.9.10,б) обладают почти теми же преимуществами, что и трубчатые, позволяют упростить узлы сопряжения элементов и нашли широкое применение. Однако, фермы из гнуто замкнутых профилей с бесфасоночными узлами требуют высокой точности изготовления.

Технологические трудности не позволяют изготавливать гнутые профили толщиной более 10-12 мм. Это ограничивает возможность их использования.

Кроме того, большие пластические деформации в углах гиба снижают хрупкую прочность стали.

Часто сечения элементов ферм принимаются из разного вида профилей: пояса из двутавров, решетка из гнутозамкнутых профилей или пояса из тавров, решетка из парных или одиночных уголков. Такое решение оказывается более рациональным.

В пространственных фермах (башнях, мачтах, стрелах кранов и т.п.), где пояс является общим для двух ферм, его сечение должно обеспечивать удобное сопряжение элементов в разных плоскостях. Этому требованию лучше всего отвечает трубчатое сечение.

В четырехгранных фермах при небольших усилиях, простейшим типом сечения пояса является одиночный уголок или крестовое сечение из двух уголков. При больших усилиях применяются также двутавры.

Сжатые элементы ферм следует проектировать равноустойчивыми в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

В каждом конкретном случае выбор типа сечения элементов ферм определяется условиями работы конструкции (степень агрессивности среды, характер и место приложения нагрузок и т.д.), возможностью изготовления, наличием сортамента и экономическими соображениями.

Стержни тяжелых ферм отличаются от легких более мощными и развитыми сечениями, составленными из нескольких элементов. Сечения таких стержней обычно проектируют двухстенчатыми (рис.9.11), а узловые сопряжения выполняются с помощью фасонок, расположенных в двух плоскостях. Стержни тяжелых ферм (раскосы, стойки и пояса) имеют разные сечения, но для удобства сопряжения в узлах ширина элементов “в” должна быть одинаковой.

Для поясов ферм желательно применять сечения имеющие две оси симметрии, что облегчает стык в узле двух сечений соседних панелей разной площади и не создает дополнительного момента вследствие несовпадения центров тяжести этих сечений.

Тяжелые фермы, работающие на динамические нагрузки (железнодорожные мосты, краны и т.п.), иногда еще проектируют клепанными, но в основном, как правило, проектируют из сварных стрежней с монтажными узлами на высокопрочных болтах.

Применяются следующие типы сечений стержней тяжелых стальных ферм:

Н-образное (рис.9.11,б) – два вертикальных листа, связаны горизонтальным листом, а также клепанные из четырех не равнополочных уголков, связанных горизонтальным листом (рис.9.11,в). Развитие таких сечений в смежных панелях производят креплением дополнительных вертикальных листов (рис.9.11,г). Такие сечения малотрудоемкие. Если конструкция не защищена от

попадания атмосферных осадков, то в горизонтальных элементах необходимо оставлять отверстия для стока воды диаметром 50 мм. Н-образные сечения применяют для поясов и раскосов.

Швеллерное сечение состоит из двух швеллеров, поставленных полками внутрь (рис.9.11,д); используются как прокатные, так и составные швеллеры. Такое сечение целесообразно для сжатых элементов, особенно при большой их длине. Недостатком швеллерного сечения является наличие двух ветвей, которые приходится соединять планками или решетками (аналогично центрально сжатым колоннам).

Коробчатое сечение состоит из двух вертикальных элементов, соединенных горизонтальным листом сверху (рис.9.11,е,ж). Применяется в

Рис.9.11. Типы сечений стержней тяжелых ферм

основном для верхних поясов тяжелых мостовых ферм. Жесткость сечения повышается, если снизу вертикальные листы соединить решеткой (рис.9.11,ж) или перфорированным листом.

Одностенчатое двутавровое сечение состоит из сварного или широкополочного прокатного двутавра, поставленного вертикально (рис.9.11,и).

Трубчатые стержни применяются в тяжелых сварных фермах, имеют те же преимущества, что и в легких фермах.

Замкнутое коробчатое сечение (рис.9.11,к,л,м) обладает повышенной изгибной и крутильной жесткостью, поэтому применяют его для длинных сжатых элементов тяжелых ферм. Сечение может быть выполнено как из гнутых элементов, так и сварных, составленных из четырех листов.

9.4. Расчет ферм

Определение расчетной нагрузки. Вся нагрузка, действующая

на ферму прикладывается обычно в узлах фермы, к которым прикрепляются элементы поперечной конструкции (прогоны кровли или подвесные потолки), передающие нагрузку на ферму. Если нагрузка приложена непосредственно в панели, то в основной расчетной схеме она также распределяется между ближайшими узлами, но дополнительно учитывается местный изгиб пояса от расположенной на нем нагрузки. Пояс фермы при этом рассматривается как неразрезная балка с опорами в узлах.

Рекомендуется определять усилия в стержнях ферм отдельно для каждого вида нагрузки, т.е. для постоянной и временной;

постоянной, в которую входит собственный вес фермы и всей поддерживаемой конструкции (кровли с утеплением, фонарей и т.п.).

временной – нагрузки от подвесного подземно-транспортного оборудования, полезной нагрузки, действующей на подвешенное к ферме чердачное перекрытие, и т.п.

кратковременной, например, атмосферной – снег, ветер.

Расчетная постоянная нагрузка, действующая на любой узел стропильной зависит от грузовой площади, с которой она собирается (рис.9.12) и определяется по формуле

(9.2)

где — собственный вес фермы и связей, кН/м² горизонтальной проекции кровли; — вес кровли, кН/м²; — угол наклона верхнего пояса к горизонту; — расстояние между фермами; и — примыкающие к узлу панели; — коэффициент надежности для постоянной нагрузки.

В отдельных узлах к нагрузке, получаемой по формуле (9.2), прибавляется нагрузка от веса фонаря.

Снег – нагрузка временная и может загружать ферму лишь частично; загружение снегом одной половины фермы, может оказаться невыгодным для средних раскосов.

Расчетную узловую нагрузку от снега определяют по формуле:

, (9.3)

где — вес снегового покрова на 1 м² горизонтальной проекции кровли; — коэффициент надежности для снеговой нагрузки.

Значение “S” должно определяться с учетом возможного неравномерного распределения снегового покрова около фонаря или перепадов высот.

Давление ветра учитывается только на вертикальные поверхности, а также на поверхности с углом наклона к горизонту более 30 0 , что бывает в башнях, мачтах, эстакадах, а также в крутых треугольных стропильных фермах и фонарях. Ветровая нагрузка приводится к узловой. Горизонтальная нагрузка от ветра на фонарь при расчете стропильной фермы не учитывается, так как ее влияние на работу фермы не значительно.

Рис. 9.12. Расчетная схема фермы

9.5. Определение усилий в стержнях ферм

При расчете ферм со стержнями из уголков или тавров предполагается, что в узлах системы – идеальные шарниры, оси всех стержней прямолинейны, расположены в одной плоскости и пересекаются в центрах узлов (см. рис.9.12). Стержни такой системы работают только не осевые усилия: напряжения, найденные по этим усилиям, являются основными.

В фермах со стержнями, имеющими повышенную жесткость, влияние жесткости соединений в узлах более значительно. Моменты, возникающие в узлах, приводят к более раннему возникновению пластических деформаций и снижают хрупкую прочность стали. Поэтому для двутавровых, трубчатых и Н-образных сечений расчет ферм по шарнирной системе допускается при отношении высоты сечения к длине не более для конструкций, эксплуатируемых при расчетной температуре не ниже – 40 0 С. При повышении этих отношений следует учитывать дополнительные изгибающие моменты в стержнях от жесткости узлов.

В верхних поясах ферм при непрерывном опирании на них настилов (равномерное распределение нагрузки на пояса фермы) допускается вычислять моменты по следующим формулам:

пролетный момент в крайней панели

;

пролетный момент промежуточных панелей

;

момент в узле (опорный)

,

где — распределенная нагрузка по ферме; — длина панели.

Кроме того, в стержнях возникают напряжения от моментов в результате неполного центрирования стержней в узлах. Эти напряжения не являющиеся основными расчетом не учитываются, так как допускаемые эксцентриситеты в фермах малы.

Смещение оси поясов ферм при изменении сечений не учитывается, если оно не превышает 1,5% высоты пояса.

Расчет ферм следует выполнять на ЭВМ, что позволяет рассчитать любую схему фермы на статические и динамические нагрузки.

Использование ЭВМ позволяет получать расчетные усилия в стержнях с учетом требуемых сочетаний нагрузок, оптимизировать конструкцию, т.е. найти оптимальную схему фермы, материал стержней, тип сечений и т.п., получить наиболее экономичное проектное решение.

При отсутствии ЭВМ усилия в стержнях ферм определяют графическим методом, т.е. построением диаграмм Максвелла-Кремоны, или аналитическим (методом вырезания узлов). Причем для каждого вида нагрузок (нагрузки от покрытия, подвесного транспорта и т.п.) строят свою диаграмму. Для ферм с несложными схемами (например, с параллельными поясами) и небольшим числом стержней более простым является аналитическое определение усилий.

Если ферма работает на подвижную нагрузку, то максимальное усилие в стержнях фермы определяют по линии влияния.

В соответствии с классификацией сочетаний нагрузок (основные и особые) усилия определяют отдельно для каждого вида сочетаний и несущую способность стержней определяют по окончательному расчетному наибольшему усилию.

Рекомендуется результаты статического расчета записывать в таблицу, в которой должны быть приведены значения усилий от постоянной нагрузки, от возможных комбинаций временных нагрузок (например, от одностороннего нагружения снегом), а также расчетные усилия как результат суммирования усилий при не выгоднейшем нагружении для всех возможных сочетаний нагрузок.

9.6. Определение расчетной длины стержней

В момент потери устойчивости сжатый стержень выпучивается, поворачивается вокруг центров соответствующих узлов и вследствие жесткости фасонок заставляет поворачиваться и изгибаться в плоскости фермы остальные стержни.

Примыкающие стержни сопротивляются изгибу и повороту узла и

Препятствуют свободному изгибу стержня, теряющего устойчивость.

Наибольшее сопротивление повороту узла оказывают растянутые стержни. Сжатые стержни слабо сопротивляются изгибу.

Таким образом, чем больше растянутых стержней примыкает к сжатому стержню и чем они мощнее (больше их погонная жесткость), тем выше степень защемления стержня и меньше его расчетная длина; влиянием сжатых стержней на защемление можно пренебречь.

Сжатый пояс оказывается слабо защемленным в узлах, так как с каждой стороны к нему примыкает только по одному растянутому раскосу, погонная жесткость которых значительно меньше погонной жесткости пояса. Поэтому защемлением сжатого пояса в запас устойчивости можно пренебречь и принимать его расчетную длину равной расстоянию между смежными узлами.

Таким образом, при большей степени защемления меньше расчетная длина стержня фермы

, (9.4)

где — коэффициент приведения длины, зависящий от степени защемления;

— расстояние между центрами узлов.

По нормам коэффициент приведения длины “” элементов решетки из

уголков в плоскости фермы равен 0,8. Тогда расчетная длина в плоскости фермы определяется с некоторым запасом, в особенности для средних раскосов, жесткость которых по сравнению с примыкающими стержнями невелика.

Исключение составляет опорный восходящий раскос, условия работы которого в плоскости фермы такие же, как и у верхнего пояса, поэтому расчетная длина опорного раскоса в плоскости фермы принимается равной расстоянию между центрами узлов.

Расчетная длина пояса в плоскости, перпендикулярной плоскости фермы, принимается равной расстоянию между узлами, закрепленными связями от смещения из плоскости фермы.

В беспрогонных покрытиях верхний пояс стропильных ферм закреплен в плоскости кровли плитами или панелями настила, прикрепленными к поясам ферм в каждом узле. В этом случае за расчетную длину пояса из плоскости фермы принимают ширину одной плиты.

Расчетная длина стержней решетки при выгибе их из плоскости фермы принимается равной расстоянию между геометрическими центрами узлов, так как фасонки очень гибки и рассматриваются как листовые шарниры.

В трубчатых фермах с бесфасонными узлами расчетная длина раскоса, как в плоскости фермы, так и из нее, с учетом повышенной крутильной жесткости замкнутых сечений применятся равной 0,9.

В других случаях расчетная длина элементов ферм принимается по нормали.

9.7. Предельные гибкости стержней

Элементы конструкций должны проектироваться из жестких стержней. Особенно существенное значение имеет гибкость “” для сжатых стержней теряющих устойчивость при продольном изгибе.

Даже при незначительных сжимающих усилиях гибкость сжатых стержней не должна быть слишком большой, так как гибкие стержни легко искривляются от случайных воздействий, провисают, вибрируют при динамических нагрузках. Поэтому для сжатых стержней устанавливается предельная гибкость, зависящая от назначения стержня и степени его нагружения

, где — расчетное усилие, — несущая способность стержня:

сжатые пояса, а также опорные стойки и раскосы,

передающие опорные реакции……………………………………………… 180-60

прочие сжатые стержни фермы………………………………………………… 210-60

При этом принимается не менее 0,5.

Растянутые стержни конструкций так же не должны быть слишком гибкими, так как могут прогнуться при транспортировании и монтаже.

Стержни должны иметь достаточную жесткость особенно в конструкциях подверженных динамическим воздействиям.

Для растянутых стержней ферм, подвергающихся действию динамической нагрузки, установлены следующие значения предельной гибкости:

растянутые пояса и опорные раскосы………………………………………250

прочие растянутые стержни ферм………………………………………….350

растянутые стержни связей………………………………………………….400

В конструкциях, не подвергающихся динамическим воздействиям, гибкость растянутых стержней ограничивают только в вертикальной плоскости (чтобы предотвратить чрезмерное провисание), установив для всех растянутых стержней предельную гибкость .

9.8. Подбор сечений элементов ферм

В фермах из прокатных и гнутых профилей для удобства комплектования металла принимают не более 5-6 калибров профилей.

Из условия обеспечения качества сварки и повышения коррозионной стойкости толщину профилей (труб, гнутых сечений) не следует принимать менее 3 мм, а для уголков – менее 4 мм. Для предотвращения повреждения стержней при транспортировке и монтаже не следует применять профили менее 50 мм.

Профильный прокат поставляется длиной до 12 м, поэтому при изготовлении ферм пролетом 24 м (включительно) элементы пояса принимают постоянного сечения.

Для снижения расхода стали, целесообразно, особенно при больших усилиях и нагрузках, элементы ферм (пояса, опорные раскосы) проектировать из стали повышенной прочности, а остальные элементы – из обычной стали.

Выбор стали для ферм производится в соответствии с нормами. Так как стержни ферм работают в относительно благоприятных условиях (одноосное напряженное состояние, незначительная концентрация напряжений и т.п.), то для них применяют стали полуспокойной выплавки. Фасонки ферм работают в сложных условиях (плоское поле растягивающих напряжений, наличие сварочных напряжений, концентрация напряжений вблизи швов), что повышает опасность хрупкого разрушения, поэтому требуется более качественная сталь – -спокойная.

Подбор сечений элементов ферм удобно оформлять в табличной форме (табл. 9.1).

9.9. Подбор сечений сжатых элементов

Предельное состояние сжатых элементов ферм определяется их устойчивостью, поэтому проверка несущей способности элементов выполняется по формуле

(9.5)

где — коэффициент условий работы (по прил.14).

Т а б л и ц а 9.1. Подбор сечений стержней легких ферм

Коэффициент “”, является функцией гибкости и типа сечения (см. прил.8).

Для подбора сечения необходимо наметить тип сечения, задаться гибкостью стержня, определить коэффициент “” по прил.8 и найти требуемую площадь сечения

(9.6)

При предварительном подборе можно принять для поясов легких ферм , а для решетки . Большие значения гибкости применяются при меньших усилиях.

По требуемой площади подбирается по сортаменту подходящий профиль, определяются его фактические геометрические характеристики А, , , находятся ; . При большей гибкости уточняется коэффициент “” и проводится проверка устойчивости по формуле (9.5). Если гибкость стержня предварительно была задана неправильно и проверка показала перенапряжение или значительное (больше 5-10%) недонапряжение, то проводят корректировку сечения, принимая промежуточное значение между предварительно заданным и фактическим значениями гибкости. Второе приближение, обычно, достигает цели.

Местную устойчивость сжатых элементов можно считать обеспеченной, если толщина полок и стенок профилей больше, чем требуется из условия устойчивости.

Для составных сечений предельные гибкости полок и стенок определяются в соответствии с нормами (см.гл.2).

Пример 9.1. Требуется подобрать сечение верхнего пояса фермы по расчетному усилию

Расчетные длины стержня l_x = 2.58; l_y = 5.16м. Материал – сталь С245; R_y = 24кН/см2. Коэффициент условий работы γ_с = 0,95; толщина фасонки 12мм. Поскольку l_y = 2l_x, принимаем тавровое сечение из двух не равнополочных уголков, расположенных узкими полками вместе. Задаемся гибкостью в пределах, рекомендуемых для поясов: λ= 80. Принимаемому сечению соответствует тип кривой устойчивости с и, следовательно, при = 80 = 2,73, φ = 0,611.

Требуемая площадь сечения А_тр = N/(φR_yγ_c) = 535/(0.611 = 38.4см2.

Принимаем сечение из двух уголков 125x80x10, поставленных вместе меньшими полками; А = 19,7×2 = 39,4; i_x = 2.26см; i_y = 6,19см (следует обратить внимание, что индексы расчетных осей и осей по сортаменту для не равнополочных уголков могут не совпадать);

λ_x = 258/2.26 = 114; λ_y = 516/6,19 = 83; = 3,89; φ = 0,417;

N/(φA) = 535/(39.4 = 32.6кН/см2 >R_yφ_c = 22.8кН/см 2

Сечение подобрано неудачно и имеет большое перенапряжение. Принимаем гибкость (между предварительно заданной и фактической) λ= 100;

А_тр = 535/(0,49

Принимаем два уголка: 160x100x9; А = 22,9= 45,8см 2 ; i_x = 2.85см (i_y не лимитирует сечение); λ_x = 258/2.85 = 90.5;

φ= 0,546;

N/(φA) = 535/(0.546 = 21.4кН/см 2 < R_yγ_c = 22.8кН/см 2

Оставляем принятое сечение из двух уголков размером 160x100x9.

9.10. Подбор сечения растянутых элементов

Предельное состояние растянутых элементов определяется их разрывом , где — временное сопротивление стали, или развитием чрезмерных пластических деформаций , где — предел текучести стали.

Стали с нормативным пределом текучести кН/см² имеют развитую площадку текучести (см. гл.1), поэтому несущая способность элементов из таких сталей проверяется по формуле

(9.7)

где — площадь сечения нетто.

Для элементов, выполненных из сталей, не имеющих площадку текучести (условный предел текучести Ơ₀₂ > 44кН/см²), а также, если эксплуатация конструкции возможна и после развития пластических деформаций, несущая способность проверяется по формуле:

(9.8)

где — расчетное сопротивление, определенное по временному сопротивлению;

— коэффициент надежности при расчете по временному сопротивлению.

В практике проектирования расчет растянутых элементов проводится по формуле (9.7).

При проверке растянутого элемента, когда несущая способность определяется напряжениями, возникающими в наиболее ослабленном сечении (например, отверстиями для болтов), необходимо учитывать возможные ослабления и принимать площадь нетто.

Требуемая площадь нетто растянутого элемента определяется по формуле

(9.9)

Затем по сортаменту выбирают профиль, имеющий ближайшее большее значение площади.

Пример 9.2. Требуется подобрать сечение растянутого раскоса фермы по расчетному усилию N =535кН. Материал сталь – сталь С245; R_y = 24кН/см 2 ; γ_с = 0,95

Требуемая площадь сечения А_тр = 535/(24. Сечение не ослаблено отверстиями.

Принимаем два равнополочных уголка 90×7; А = 12,3 = 24,6см2 > А_тр.

9.11. Подбор сечения элементов ферм, работающих на действие продольной силы и изгиб (внецентренное растяжение и сжатие)

Предельное состояние внецентренно растянутых элементов определяется чрезмерным развитием пластических деформаций в наиболее нагруженном состоянии. Их несущая способность определяется по формуле (см. гл.2).

(9.10)

Пример 9.3. Подобрать сечение растянутого нижнего пояса при действии на него внеузловой нагрузки в середине длины панели (рис.9.13,а) F=10кН. Осевое усилие в поясе N=800кН. Расстояние между центрами узлов d=3м. Материал конструкции – сталь С245;R_y=24кН/см 2 . Коэффициент условий работы γ_с=0,95.

Рис. 9.13. К примеру 9.3 и 9.4

Подбираем сечение элемента из условия его работы на растяжение по формуле (9.9); A_тр=800/( 24 = 35,1см 2 .

Принимаем сечение из двух уголков 125х9; А=22=44см 2 ; моменты сопротивления для обушка W об _x и пера W п _x равны:

W об _x = 327 />/3,4 = 192,4 см2; W п _x =327 />/(12,5 – 3,4) = 72 см2

Момент с учетом неразрезности пояса М = ( Fd / 4)0.9 = ( 10 /4 )0.9 = 675 кН см.

Проверка несущей способности пояса: по табл.5 приложения для сечения из двух уголков n = 1, c = 1.6.

Пол формуле (9.10) для растянутого волокна (по обушку)

800 / (44= 0,893 < 1;

для сжатого волокна (по перу)

800 / (44 = 0,54 < 1

Принятое сечение удовлетворяет условию прочности.

9.12. Подбор сечения стержней по предельной гибкости

Ряд стержней легких ферм имеет незначительные усилия и, следовательно, небольшие напряжения. Сечения этих стержней подбирают по предельной гибкости (см. п.9.4.4). К таким стержням обычно относятся дополнительные стойки в треугольной решетке, раскосы в средних панелях ферм, элементы связей и т.п.

Зная расчетную длину стержня и значение предельной гибкости , определяют требуемый радиус инерции , а затем по сортаменту выбирают сечение и проверяют несущую способность подобранного сечения.

9.13. Особенности расчета и подбора сечений элементов

тяжелых ферм

Стержни тяжелых ферм проектируются, как правило, составного сечения – сплошного или сквозного (см. рис.9.11).

Если высота сечения превысит длины элемента, необходимо учитывать моменты, возникающие от жесткости узлов, и подбирать сечения внецентренно сжатые или растянутые.

Узлы тяжелых ферм при больших усилиях делают двухстенчатыми, т.е. размещают фасонки по двум наружным граням поясов (рис.9.14). Для удобства крепления элементов ширину всех стержней “b” следует сохранять постоянной. Обычно мм.

В необходимых случаях между фасонкой и гранью элемента устанавливают прокладки.

Рис.9.14. Размещение фасонок в тяжелых фермах

Пояса тяжелых ферм имеют в разных панелях разные сечения, связанные общностью типа и условиями сопряжения стержней в узлах. Пред началом

подбора устанавливают тип сечения (Н-образное, швеллерное, коробчатое) и намечают места изменения сечения. В сварных Н-образных сечениях обычно

изменяется высота вертикалов; в крайнем случае, может меняться и их толщина при сохранении постоянства расстояния между наружными гранями сечения. Горизонталь из условия устойчивости и жесткости сечения должена иметь толщину не менее расстояния между вертикалями и не менее 12 мм.

Основой швеллерных сечений являются два швеллера, которые проходят через все сечения (см. рис. 9.11,д).

Швеллерное сечение развивают путем добавления вертикальных листов.

После подбора сечений производят их проверку. Проверка сечений сжатых стержней ферм выполняется так же, как центрально-сжатых колонн (см. гл.8). Н-образных – как сплошных, швеллерных – как сквозных, с той разницей, что ширина “b” сечений здесь является заданной, а не определяемой из условия равно устойчивости.

При учете жесткости узлов подбор сечений ферм выполняют как внецентренно сжатых или внецентренно растянутых элементов.

Раскосы ферм обычно принимают швеллерного (см. рис.9.11,д) или

Н-образного сечения (см. рис.9.11,а или 9.11,в). Швеллерные сечения более выгодны при работе на продольный изгиб и поэтому часто применяются для длинных гибких раскосов, но они более трудоемки, по сравнению с

Ширину раскосов для простоты сопряжений на монтаже принимают на 2 мм меньше расстояние между гранями фасонок.

9.14. Конструкция легких ферм

Общие требования к конструированию. Чтобы избежать дополнительных напряжений от расцентровки осей стержней в узлах, их необходимо центрировать в узлах по осям, проходящим через центр тяжести (с округлением до 5 мм).

Угловые моменты, определяются как произведение нормальных усилий стержней и внешних узловых сил на их плечи до точки пересечения двух раскосов (рис.9.15).

Момент ₁, распределяется между элементами фермы, сходящимися в узле пропорционально их погонным жесткостям. Если жесткость элементов решетки по сравнению с поясом мала, то момент

воспринимается в основном поясом фермы. При постоянном сечении пояса и одинаковых панелях момент в поясе .

Резку стержней решетки производят, нормально к оси стержня, для крупных стержней допускают косую резку с целью уменьшения размеров фасонки.

Рис. 9.15. К определению дополнительных моментов от расцентровки узлов

Чтобы уменьшить сварочные напряжения в фасонках, стержни решетки не

доводятся до поясов на расстояние мм, но не более 80 мм (здесь — толщина фасонки в мм). Между торцами стыкуемых элементов поясов ферм, перекрываемых накладками, оставляют зазор не менее 50 мм.

Толщину фасонок выбирают в зависимости от действующих усилий (табл.9.2) и принятой толщины сварных швов. При значительной разнице усилий в стержнях решетки можно принимать две толщины в пределах отправочного элемента. Разница толщин фасонок в смежных узлах не должна превышать 2 мм.

Размеры фасонок определяются необходимой длиной швов крепления элементов. Фасонки должны быть простого очертания, чтобы упростить их изготовление и уменьшить количество обрезков. Целесообразно унифицировать размеры фасонок и иметь на ферму один – два типоразмера. Стропильные фермы пролетом 18-24 м разбивают на два отправочных элемента с укрупнительными стыками в средних узлах. Стыки следует проектировать так, чтобы правая и левая полуфермы были взаимозаменяемыми.

При проектировании ферм со стержнями из широкополочных двутавров и тавров, из замкнутых гнуто сварных профилей или из круглых труб надо пользоваться специальными руководствами.

Металлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовления

Надежные и прочные металлические фермы – это одно из разновидностей современной продукции металлопроката. Это целостная форма, которая никогда не меняет своих геометрических параметров, даже если жесткие узлы заменены шарнирными. Из них получаются долговечные и надежные конструкции, как навесы, беседки, павильоны и даже целые крыши жилых домов. Но насколько такие конструкции целесообразнее, чем более привычные деревянные?

В этой статье мы расскажем вам о видах, особенностях и преимуществах металлических ферм. Надеемся, вы совершенно по-другому посмотрите на вопрос прочности стропильной системы, особенно, если вы хотите забыть про занозы, точащих древесину жучков и постоянных переживаниях об обработке элементов крыши.

Содержание

Преимущества и недостатки для частного строительства

Прочные металлические фермы сегодня активно применяются в строительстве частных домов и промышленных зданий. И совсем не обойтись без такой надежной строительной системы в возведении складских помещений, спортивных сооружений, торговых комплексов и павильонов для выставок, а еще для строительства офисных многоэтажных зданий. Что неудивительно, ведь металлические фермы особенно хороши, когда нужно перекрывать большие пролеты.

Фермы из металлической трубы имеют массу ценных преимуществ перед другими:

• Устойчивость к деформациям при нагрузках.
• Небольшой вес благодаря полым конструкциям.
• Доступная стоимость для частного строительства.
• Возможность возведения безопасных сложных конструкций без потери прочности.
• Высокая пожаробезопасность.
• Долговечность, прочность и надежность.

С конструктивной точки зрения использование ферм даже более предпочтительно, чем балки. Ведь при меньшем весе те выдерживают куда серьезнее нагрузки, чем при использовании обычных двутавров и швеллеров. При этом фермы еще и менее металлоемкие.

В какой-то мере металлические фермы служат аналогом стальных балок, но куда более экономичны в плане расхода материала. При этом их эффективность сравнима. А отличие металлической фермы от просто собранных вместе стропил в том, что готовая ферма отлично работает на растяжение и сжатие.

А, в отличие от деревянных стропил, металлические не гниют, не плесневеют, не разрушаются грибками или насекомыми. Их намного сложнее сломать тонной снега. Кроме того, собирают такие стропила быстрее, чем из других материалов.

Виды ферм для разных задач

Вы удивитесь, насколько много видов металлических ферм:

Давайте рассмотрим внимательные самые популярных формы металлических ферм, которые чаще всего производят на российских заводах:

• Параллельные – самые простые и экономичные, для изготовления которых используются одинаковые детали.
• Классические арочные, в которых нижний и верхний пояс имеют вид дуги, а пояса соединены между собой ребрами жесткости. Разные виды такой арки отличаются между собой радиусом. А сам радиус определяют такими внешними ограничителями, как размеры стропильной системы, запланированный вами дизайн крыши и сложность ее конструкции.
• Треугольные односкатные, которые чаще всего используются для устройства крыши с крутыми скатами.
• Треугольные двускатные, более подходящие для крыш с крутыми скатами, но оставляющие после производства немалую долю отходов.
• Полигональные, которые хорошо подходят для кровли из тяжелого настила, но отличаются сложностью в монтаже.
• Трапецеидальные, подобные полигональным, но с более упрощенной конструкцией.
• Сегментные, подходящие для зданий со светопропускающей кровлей, но самые сложные в производстве. Чтобы их изготовить, делают дугообразные элементы с точной геометрией, которая позволяет равномерно распределять нагрузку.

А вот популярные и малоизвестные виды ферм для навеса из металла:

Архитектура металлической фермы: элементы, узлы и напряжение

Итак, металлическая ферма – это сварная или сборная система труб и жестких крепежных узлов. Состоит такая конструкция из определенных элементов:

• Пояса, верхний и нижний, которые служат каркасом.
• Решетки, которая связывает оба уровня.
• Стоек, которые смонтированы перпендикулярно к поясу.
• Раскосов, которые присоединены под углом к нижнему и верхнему уровню.
• Шпренгеля – вспомогательного раскоса.
• Узел – это точка, в которой сходится сразу несколько стержней. Здесь трубы соединяют при помощи фасонки – специального металлического листа.
• Панель – это расстояние между соседними узлами, а пролет – расстояние между опорами стропильных систем.

Верхний пояс металлической фермы изготавливают из профильной трубы или двутавровых балок, с применением фланцевого соединения. Нижний – из этих же материалов.

Только, если ферма станет подвергаться нагрузке на уровне панелей, тогда дополнительно необходимо установить парные швеллеры. А внутренние стойки и раскосы изготавливают из круглой трубы, уголка или профильной трубы.

Решетки внутри фермы располагают по самым разным схемам, и все они продиктованы исключительно практическими соображениями. Чем больше поперечных элементов, тем прочнее сама конструкция, и тем дороже она обходится (материала-то уходит больше!). Например, вот в каких вариантах изготавливают треугольную ферму:

Внутренний рисунок металлической фермы подбирают в зависимости от конструктивных требований и планируемого уровня нагрузок. И выбранный тип обрешетки влияет на вес конструкции, ее внешний вид, трудоемкость и бюджет на изготовление самой металлической фермы .

Давайте рассмотрим стандартные виды внутренних решеток металлических ферм:

• Меньше всего узлов в треугольной решетке, которая чаще всего встречается в параллельной и трапециевидной ферме. Причем такая решетка считается наиболее экономной, т.к. у нее минимальная суммарная длина стержней.
• Шпренгельная решетка нужна там, где основная нагрузка приходится на верхний пояс. А потому ее используют, когда нужно сохранить расстояние между прогонами.
• Раскосную ферму делают, когда стойкам приходится противостоять большим усилиям.
• Крестовая разновидность нужна для каркасов, в которых расчетная нагрузка идет сразу в обоих направлениях.
• Перекрестная решетка нужна для ферм, которые делают из тавров.
• Полураскосная и ромбическая решетка нужна для ферм с такой большой высотой, как при создании мостов и мачт. Такие рамы получаются с высокой жесткостью благодаря двум системам раскосов.

В жизни выглядят все эти фермы так:

Вот, например, как выглядит не так часто встречающаяся шпренгельная ферма:

Кровельные металлические фермы, в свою очередь, бывают двускатные, односкатные и прямые. За счет ребер жесткости металлические фермы не деформируются даже на больших пролетах, хотя с виду довольно хрупкие.

Также металлические фермы делят на виды по количеству поясов. Это плоские фермы, где узлы и стержни находятся в одной плоскости, и пространственные, более сложные, в которых пояса находятся в параллельных плоскостях.

Проектирование ферм для крыши дома

Итак, давайте рассмотрим: как точно рассчитать ферму для навеса или более солидной постройки так, чтобы вы не закупили слишком много материала и правильно просчитали прочность.

Мы советуем вам взять готовые типовые проекты, которые уже практикуют, и которые проверенные временем. Идеально, если вы сможете проконсультироваться насчет выбранной схемы с опытным мастером, а затем уже перейдете к реализации.

Если вы решили справиться самостоятельно, тогда первым делом составьте схему будущей металлической фермы. Определите, какие контуры у нее будут, необходимо ли пространство под потолком, какое будет кровельное покрытие.

Высота металлической фермы зависит от типа кровельного материала, ее веса, угла наклона и возможности перемещения самой фермы.

Нормативные документы

Итак, фермы должны соответствовать таким государственным стандартам:

• ГОСТ 23118-99 (об общих ТУ для конструкций из стали).
• ГОСТ 23119-78 (о требованиях к производству ферм, когда нужна сварка уголков).
• ГОСТ 23119-78 (о ТУ на производство металлических ферм, сварка профильных труб).

А, чтобы правильно спроектировать металлическую ферму, вам понадобится информация из таких источников:
СНиП, П-23-81 (о стальных конструкциях), и СНиП 2.01.07-85 (о нагрузках и воздействиях).

Ферму для навеса или гаража вы можете сделать «на глаз», не особо заморачиваясь. В любом случае, вы по наитию задействуете больше материала, чем нужно, и тем самым добьетесь нужной прочности. А вот для дома такие фермы нужно рассчитывать максимально точно, чтобы тем смогли выдержать все силы стихий и сами по себе не создавали ненужной нагрузки на фундамент.

Для этого учитывают такие факторы:

• Постоянные нагрузки, как вес кровельного покрытия.
• Периодические нагрузки, как переменчивая погода, ураганы и даже смерч.
• Дополнительные нагрузки, как снеговые и ветровые, а также вес человека, который может находиться на кровле во время ремонтных работ.

Чем больше высота фермы, тем выше ее несущая способность. Также на несущую способность влияют ребра жесткости – чем их больше, тем крепче сама ферма. Но тем она тяжелее и дороже обходится.

К слову, самые легкие металлические фермы получаются, когда их высота равна 1/7 или 1/9 длины пролета. Дополнительно их облегчают специальной решеткой, в которой усилие по сжатию принимается короткими стойками.

Расчет высоты и длины фермы

При проектировании изготовлении металлических ферм важно необходимо выполнить некоторые пункты расчета металлической фермы :

• Шаг 1. Определите ширину пролета в постройке, выберите форму крыши и угол ската.
• Шаг 2. Выберите контур пояса с учетом предполагаемого уровня нагрузки на ферму.
• Шаг 3. Рассчитайте размер каркаса и то, будете ли собирать его или варить самостоятельно, или же закажете.
• Шаг 4. Чтобы рассчитать оптимальную высоту металлических ферм, примените такие формулы (L – длина фермы):

Н=1/4×L либо Н=1/5×L, если рама треугольной формы
Н=1/8×L, если параллельная, трапецеидальная или полигональная. При этом сам уклон верхнего пояса должен быть 1/8×L или 1/12×L.

Теперь определяем размеры панелей. Напомним, что панель – это расстояние между стойками, которую передают всю нагрузку. Причем угол раскоса у разных ферм – разный, и панели им отвечают. Например, в ферме с решеткой треугольной формы такой угол составляет 45 градусов, а с раскосной решеткой – 35 градусов.

И, наконец, определяем угол расстановки раскосов, который должен составлять от 35 до 50 градусов, идеально, если 45.

Проверить полученное вами значение вы сможете при помощи специальных программ, которых сегодня немало:

Подбор параметров фермы

Подбирают нужную конструкцию фермы исходя из формы чердачного перекрытия, угла наклона крыши и нужная длина пролета.

Так, наиболее практичной для кровли жилого дома считается ферма треугольной формы, которая будет иметь высоту около пятой части длины пролета:

Если же длина пролета будет значительной, от 14 до 20 метров, отдайте предпочтение конструкции с идущими вниз раскосами. При этом верхняя часть фермы должна иметь панель длиной от 1,5 до 2,5 метров. Так, оба пояса конструкции будет иметь четное количество панелей.

Такие фермы позволят избежать длинных раскосов, что поможет сопротивляться продольному изгибу. Хотя обычно для этого приходится делать большое сечение, утяжеляющее всю конструкцию в несколько раз. При этом верхняя часть фермы разбивается на двенадцать или шестнадцать панелей, по 2-2,75 метра.

Но иногда потолок крыши планируется геометрически сложным. В таком случае его среднюю часть приподнимают над опорами или же используют те же фермы Полонсо. Да, такой вариант немного сложнее обычной треугольной формы, но мы уверены, что вы справитесь!

Если даже фермы Полонсо не подходят, т.к. высота потолка от опор планируется быть еще выше, тогда ставят многоугольные металлические фермы, в которых поднят нижний пояс. Так, чтобы увеличить высоту конструкции до 0,23 длины пролета, расположенный внизу пояс делают ломаным.

При угле кровли 6-15° ставят трапециевидные или асимметричные фермы. Если же вы хотите получить красивую внешнюю форму, но при этом ровный потолок, тогда лучше выбрать сегментную.

Тем более, что на нее израсходуется намного меньше материала. И эффективность сегментной формы растет с удлинением пролета:

Как сделать такую ферму самостоятельно?

Такие металлические фермы сегодня есть возможность заказать на заводе, уже в готовом виде, или же изготовить самостоятельно.

Итак, делают их из таких материалов:

• Алюминиевые профили легки и подходят для устройства крыши с легким покрытием.
• Металлические круглые и профильные трубы радуют большим выбором сечения, толщиной стенок и состава сплава. Такие фермы подходят для создания крыши любой задумки и сложности.
• Тавровый прокат и швеллер подходят для устройства крыш с особыми нагрузками. Для частного домостроения такие фермы используются редко ввиду их значительного веса.
• Из металлического уголка или ЛСТК собирают более простые и облегченные конструкции. Такие фермы подходят для навеса и строительства хозяйственных помещений.

Хотя, справедливости ради заметим, что именно из уголка сегодня строят вполне прочные двускатные крыши для летнего домика или гаража. Если, конечно, в вашем регионе не выпадает слишком много снега:

Фермы из ЛСТК сегодня активно устанавливают на каркасных домах:

Наиболее популярный сегодня вид металлических ферм – изготовленные из трубы некруглого сечения. Это овальная, квадратная или прямоугольная форма в разрезе. Такие трубы производят из стали 09Г2С, Ст3СП и нержавейки.

Вам будет интересно узнать, что изначально форма такой трубы получается круглой, и только потом ее деформируют холодным или горячим методом в квадратный или другого вида профиль. Выпускают такие трубы с минимальными размерами в 15х15 мм или максимальные 45х35 см. Качество труб регулирует ГОСТ.

Сама форма трубы напрямую влияет на область применения таких ферм. Так, плоскоовальные – самые гибкие, и из них получаются сложные фермы красивых форм. А трубы квадратной и прямоугольной формы идеальны для крепления на плоской поверхности.

Посмотрите также, какими аккуратными получаются сваренные вручную арочную фермы из квадратной профильной трубы:

Сегодня для изготовления металлических ферм используют два вида профильных труб: горячекатаные и гнутые. Горячекатаные изготавливают из ленты толщиной от 0,5 до 5 мм, с сечением в виде прямоугольника или квадрата. Именно такой материал вы встречаете чаще всего.

Для обустройства металлических ферм, вместо профильной трубы, также подходит швеллер – балки в виде буквы П, тавр в виде Т и уголок в виде буквы Г. Но среди всех этих конструкций профильные фермы по весу намного легче. Еще одно преимущество – при помощи сварки всю эту конструкцию удобно собирать прямо на месте.

Сегодня удобно заказывать сборные конструкции или собирать их еще на земле. Тогда на саму крышу их поднимают уже в готовом виде. Собирать их следует строго по детализированным чертежам от завода.

Для этого вам понадобятся:

• Болты. Это самый простой способ, а надежность такого соединения уже зависит от качества крепежи и степени его натяжения. Обычно такое крепление делают при помощи специальных ключей с длинными рукоятками или пневматическими инструментами.
• Сварка. Когда ферма должна получиться максимально жесткой и устойчивой, тогда прибегают именно к сварке. Все узлы соединяют при помощи заклепок. Но этот метод – для промышленного строительства, а для устройства стропильной системы обычного жилого дома больше подходит именно болтовое соединение.

Собранная ферма на болтах выглядит так:

Саму заводскую ферму изготавливают из таких элементов, как стойки, раскосы и пояса. И хорошо, если во всех этих элементах заранее проделаны монтажные отверстия. Если нет, тогда детали соединяют между собой способом прихватки или при помощи струбцин.

Вот процесс домашнего изготовления металлических ферм при помощи сварки:

Вот еще один мастер-класс изготовления такой фермы:

И, наконец, в каркасном строительстве сегодня активно используются термопрофили из оцинкованной тонкопрокатной стали.

Суть вот в чем: по всему пути стропилы расположены сквозные прорези особой формы, благодаря которым теплопроводность стальных ферм почти равна теплопроводности деревянного бруса, и никаких мостиков холода.

Т.е. такой материал для металлических ферм полностью перечеркивает те минусы, которые всегда отличали металлические фермы от деревянных в худшую сторону.

Процесс монтажа в пошаговых иллюстрациях

У монтажа ферм на разные основания – свои особенности. Так, на кирпичные стены и железобетонные колонны их устанавливают на анкерные болты.

Устанавливать металлические фермы следует на колонны, которые предварительно прочно закреплены и зацементированы на основании. А поднимать их удобнее поднимать при помощи стрелочного крана, хотя при относительно небольшом весе с ними вполне справляются трое-четверо человек:

Схема такова: сначала двое-трое человек поднимают один конец фермы, надежно его фиксируют на стене, затем – второй:

Конечно, фермы побольше, для другого рода строительства поднять способна только специальна техника:

При этом фермы сначала крепят временными соединениями, а потом – постоянными:

А вот в случае с промышленной постройкой, фермы следует монтировать на подстропильные металлические конструкции, которые служат связующими элементами для опорных колонн.

Сама длина пролетов в этом случае составляет от 20 до 35 метров. Это – все те же фермы Полонсо, которые состоят из двух ферм треугольной формы, соединенных между собой затяжкой.

По окончанию монтажа металлическую ферму по желанию окрашивают в любой выбранный цвет. Особенно эффектно это смотрится под таким покрытием, как поликарбонат или прозрачным шифером. К слову, обычно сами металлические фермы требуют антикоррозийной обработки, чтобы быть защищенными от конденсата в чердачной зоне.

Скажем так: металлические фермы и сооружать, и устанавливать на место ощутимо сложнее, чем деревянные. Зато результат порадует душу!

Стальные фермы: виды, применение, рекомендации по использованию

Стальная ферма – стержневая конструкция в строительстве, которая не меняет свою геометрическую форму при замене жесткого соединения шарнирными узлами. По прочности элемент не уступает швеллеру, двутавру. По сравнению с деревянными, стальная ферма менее массивная, выдерживает значительный вес. Она используется для перекрытия длинных пролетов объектов, чтобы сделать конструкцию легкой и уменьшить количество стали при строительстве.

Основные элементы металлической фермы

Схема сборки фермы позволяет распределить равномерно нагрузку между элементами, поэтому она устойчива к механическому воздействию. Основными элементами являются:

• Верхний пояс. Это балка, которая расположена горизонтально или под небольшим наклоном. К ней крепится верх раскосов и стоек. Балка может быть радиусной или многоугольной.
• Нижний пояс. Массивная балка служит опорой и местом крепления нижней части других элементов (стоек, раскосов). Она располагается горизонтально.
• Стойки. Детали крепятся вертикально, объединяют верхний и нижний пояс в единую конструкцию. Задача стоек – принимать нагрузку и передавать ее на элементы, которые находятся ниже стоек.
• Раскосы. Дополнительные детали используют, чтобы увеличить ее жесткость. Раскосы крепятся под углом к обеим балкам фермы.
• Узлы. Это места прикрепления вертикальных деталей к поясам стальной фермы.

Контур конструкции обеспечивают балки сверху и снизу, а решетчатую структуру – раскосы и стойки. Для их крепления применяют разные методы: сварка, заклепки, болты, шарниры. Чем больше вертикальных стальных деталей, тем она прочнее и жестче.

Типы стальных ферм

С учетом расположения основных элементов различают такие виды перекрытий:

1. Параллельные. Самые простые фермы, поскольку для их сборки применяются одинаковые по длине элементы, одинаковая схема расположения узлов, минимум стыков.
2. Консольные. Такой тип востребован для башен и опор, ЛЭП, навесных конструкций.
3. Трапецеидальные. У них прямые пояса, но верхняя балка имеет уклон. При использовании с колоннами конструкция получается прочная, жесткая. Ферма этого типа не имеет средних длинных стоек, уклон нужен небольшой.
4. Арочные. При небольшом расходе стали металлоконструкция имеет красивый вид, увеличивает покрываемую площадь. Нижний и верхний пояс представляют собой дуги, они соединяются ребрами жесткости. Радиус арки может быть разным.
5. Треугольные. Конструкция простая в монтаже, необходима для кровли с крутым уклоном, может иметь один или два ската.
6. Вантовые. В таких фермах применяются не жесткие конструкции, а ванты. Конструкция выдерживает только нагрузку на растяжение.
7. Параболические. Это оптимальный вариант для объекта с одним пролетом, чтобы уменьшить расход стали.
8. Полигональные. Применяются на крупных объектах с большими пролетами. В них минимальный расход стали, но сложные узлы.
9. Разрезные. Блочный тип фермы применяется для мостов, транспортных сооружений, галерей и других объектов с большими пролетами. Их легко собирать, поскольку в конструкции нет сложных узлов, для производства необходимо немного металла. При длине порядка 40 м балка собирается на месте установки.
10. Неразрезные. Они применяются в тех случаях, когда планируется не меньше 2 пролетов для перекрытия. Ферма отличается меньшей металлоемкость и большей жесткостью по сравнению с разрезным типом, имеет меньшую высоту.

Область применения

Фермы используются для перекрытия пролетов вместо сплошного настила для облегчения и удешевления конструкции. Чем больше длина пролета, тем выгоднее применение фермы вместо балок и швеллера. Основные сферы использования:

• обустройство перекрытий мастерских, производственных цехов;
• монтаж кровли загородных домов;
• строительство складских, выставочных, торговых павильонов;
• установка спорткомплексов, детских площадок, аттракционов;
• оформление навесов, беседок;
• изготовление рекламных конструкций;
• установка ЛЭП, телевизионных и радиовышек;
• строительство мостов, переходов, эстакад;
• сооружение вокзалов, аэропортов.

Такие конструкции применяются в промышленности, строительстве, при сборке машин и в других сферах, где важна высокая прочность и минимальный вес.

Рекомендации по выбору типа фермы

Выбор типа фермы зависит от формы крыши, пролета, который нужно перекрыть, нагрузки от кровельного материала и других элементов. Вот несколько рекомендаций по выбору формы конструкции:

• Треугольная с одним скатом способна выдержать большую нагрузку. Она подходит для тяжелых кровельных материалов, при ограниченном бюджете.
• Треугольная с двумя скатами необходима для регионов с большим количеством осадков.
• Сегментная оптимальна для построек из прозрачного материала – сотового, монолитного поликарбоната.
• Полигональная стоит дорого, сложно монтируется, поэтому используется только в регионах с мощным снеговым покровом, особо тяжелого кровельного материала.
• Арочную удобно использовать для обустройства навесов, гаражей, теплиц, беседок, крыльца.
• С параллельными поясами можно использовать для мягкой кровли, из поликарбоната. Это самый простой экономный вариант.

Для промышленных объектов используются преимущественно конструкции с параллельными поясами и виде трапеции, если кровля оформляется рулонными материалами, стальными листами. В гражданском строительстве чаще применяются треугольные фермы.

Наша компания занимается строительством металлических ферм. Изготовление осуществляется по техническому заданию клиента. Если у вас нет ТЗ, тогда наши инженеры сделают все необходимые расчеты, разработают проект. Более подробная информация ‒ на странице по изготовлению стальных ферм.

Фермы металлические: виды, проектирование, этапы изготовления и монтажа

Металлическая ферма – это жесткая конструкция, состоящая из раскосов и/или стоек, соединенных в узлы. Нагрузка на стойки распределяется равномерно. Верхний пояс фермы работает на сжатие по оси, а нижний – на растяжение.

Это быстровозводимый модуль, простые конструкции можно собрать в течение дня. Главное – сделать точную схему, учитывающую нагрузку и геологические условия, и подготовить элементы. Но и это еще не все. Более подробно про типы металлических ферм, как их конструируют и собирают, читайте в нашем материале.

Основные элементы металлической фермы

Слово «ферма» происходит от латинского «firmus», что означает «прочный», поэтому уже по самому названию можно судить о высокой надежности, жесткости подобных конструкций.

Металлическая ферма представляет собой систему стержней, которые соединены друг с другом в узлах и формируют конструкцию, неизменяемую геометрически. Узловая нагрузка не способна сильно сказываться на работе фермы, а сами узлы чаще всего рассматриваются в качестве шарнирных. Для всех стержней свойственны растягивающие или сжимающие осевые усилия.

Металлические (стальные) фермы распространены в целом ряде строительных сфер. Так, их устанавливают в качестве покрытия и перекрытий зданий, мостов, опор линий электропередачи. Они могут монтироваться на объектах связи, в виде элементов мачт и башен телевидения и радиовещания. Такие конструкции незаменимы при возведении транспортных эстакад, встречаются на гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах, пр.

Если сравнивать с балками, то изготовление ферм требует меньше стали, однако их производство более трудоемкое. С точки зрения эффективности, данный показатель у ферм тем выше, чем больше пролет и меньше нагрузка.

Все подобные конструкции принято делить на плоские, где, в соответствии с названием, элементы находятся в единой плоскости, и пространственные. Первые воспринимают нагрузку, которая прикладывается исключительно в их плоскости, для нормальной работы им необходимо закрепление связями. Пространственные фермы – это жесткий брус, способный справляться с нагрузкой, вне зависимости от направления ее приложения.

Ключевыми составляющими металлической фермы являются пояса, из которых состоит ее контур, и решетка. Последняя включает в себя раскосы и стойки. Элементы примыкают друг к другу в узлах, где стыкуются либо соединяются за счет узловых фасонок. Все детали центрируют по осям центра тяжести, что позволяет снизить узловые моменты и обеспечить работу стержней на осевые усилия.

Верхний пояс состоит из радиусной или ломаной, горизонтальной и наклонной балки. К этой части конструкции крепятся верхние соединительные узлы стоек.

Нижний пояс сформирован горизонтальной продольной балкой, к которой монтируют нижние соединительные узлы стоек, раскосов.

Стойки представляют собой вертикальные фрагменты металлической фермы между двумя поясами. Именно они работают на сжатие, испытывают на себе основную нагрузку и передают ее основанию.

Раскосы выглядят как стойки, наклоненные под 45°. Они призваны связать друг с другом углы верхнего и нижнего пояса, работая на сжатие и растяжение.

Узлы (панели) являются точками на верхнем и нижнем поясе, где происходит соединение раскосов либо стоек.

Расстояние между соседними узлами поясов принято называть панелью, а дальность между опорами обозначается как пролет. Наравне с поясами сплошных балок пояса ферм работают на продольные усилия и момент, тогда как на решетку ложится преимущественно поперечная сила, поэтому данный элемент играет ту же роль, что и стенка балки.

Разновидности металлических ферм

Проектирование начинают с выбора очертаний и статической схемы будущего изделия. Характеристики подбираются в соответствии со сферой использования и архитектурно-конструктивным решением сооружения. При этом оценивают все доступные варианты.

Покрытия зданий, мосты, транспортные галереи и многие иные сооружения включают в себя балочные разрезные системы. Их отличает простота производства и установки, отсутствие сложных узлов в сочетании с достаточной металлоемкостью. Если требуется пролет балки 40 м, такие негабаритные разрезные фермы собирают уже на месте установки.

Когда запланировано не менее двух перекрываемых пролетов, устанавливают неразрезные фермы. Данная разновидность требует меньший объем стали на изготовление, при этом имеет большую жесткость. За счет последней характеристики удается сократить высоту подобной металлической фермы. При слабых грунтах лучше отказаться от таких конструкций, поскольку осадка опор приводит к возникновению дополнительных усилий. А неразрезность делает монтаж более сложным.

Рамные фермы экономичны с точки зрения расхода металла, обладают относительно небольшими размерами, но предполагают достаточно сложную установку. Использование подобных изделий оправдывает себя в большепролетных зданиях.

Арочные системы также позволяют сократить расход стали, но неизбежно вызывают увеличение объема помещения и ограждающих поверхностей. Такие фермы выбирают в соответствии с архитектурными требованиями.

Консольные фермы используются как элементы навесов, башен, опор ЛЭП.

Важно, чтобы очертания конструкции подходили под их статическую схему и вид нагрузок, от которых зависит эпюра изгибаемых моментов. Когда речь идет о выборе ферм покрытий, нужно принимать во внимание материал кровли и уровень уклона, обеспечивающий необходимый водоотвод. Также учитывают, какой тип узла сопряжения с колоннами будет задействован – жесткий или шарнирный – и ряд прочих технологических характеристик.

От очертания поясов металлических ферм зависит их экономичность. Наименьший расход стали требуется на изготовление фермы, очерченной по эпюре моментов. Так, для однопролетной балочной системы с равномерно распределенной нагрузкой оптимальным вариантом становится сегментная ферма с параболическим поясом. Но изготовление криволинейных поясов очень трудоемкое, из-за чего подобные фермы крайне редко используются на практике.

Чаще встречаются полигональные фермы. В массивных большепролетных системах менее заметны дополнительные конструктивные затруднения, связанные с переломом поясов в узлах. Нужно понимать, что условия транспортировки вынуждают стыковать пояса в подобных конструкциях в каждом узле.

Использование полигонального очертания для легких металлических ферм считается нерациональным, ведь работа со слишком сложными узлами не сопоставима с сокращением затрат на сталь.

Фермы трапецеидальные не совсем отвечают эпюре моментов, но благодаря упрощению узлов обладают конструктивными преимуществами. Установка подобных конструкций в покрытии обеспечивает жесткий рамный узел, за счет чего увеличивается жесткость здания.

Фермы с параллельными поясами имеют очертания, вовсе не подходящие под эпюру моментов, при этом требуют большого расхода металла. Тем не менее, их изготовление в промышленных масштабах стало возможным за счет унификации, одинаковой длины элементов решетки, совпадающей схемы узлов, повторяемости деталей. В результате подобные конструкции используются чаще всего при покрытии производственных зданий.

Фермы треугольного очертания отлично подходят для консольных и балочных систем с нагрузкой, сосредоточенной в середине пролета. Иными словами, они используются как подстропильные фермы. Правда, их изготовление предполагает повышенный расход металла, сложный острый опорный узел и возможность использовать лишь шарнирное сопряжение с колоннами. Избыточный расход металла объясняется большой длиной средних раскосов, и их подбирают по предельной гибкости. Подобные металлические фермы используют как стропильные конструкции, чтобы обеспечить уклон кровли более 20 % или для обеспечения одностороннего равномерного освещения – тогда их называют шедовыми покрытиями.

Типы сечений стержней металлических ферм

С точки зрения затрат стали, самым выгодным считается трубчатое сечение. Труба имеет хорошую обтекаемость, что обеспечивает меньшее ветровое давление, а это немаловажно для высоких сооружений, таких как башни, мачты, краны. Поскольку на металлических фермах из труб меньше собирается инея и влаги, они лучше противостоят появлению очагов ржавчины. Их удобно очищать и повторно красить, что положительно сказывается на сроке службы конструкций. Чтобы избежать корродирования внутренних плоскостей труб, их обязательно герметизируют.

На схеме изображены: а, б – трубчатые сечения; е, г, д, е, ж, к и л – на основе прокатных уголков; з – двутавровое; и – тавровое.

Минусами данного подхода, не позволяющими использовать такие системы повсеместно, являются высокая цена труб и некоторые конструктивные трудности сопряжения элементов.

Прямоугольные гнуто-замкнутые сечения по своим достоинствам близки к трубчатым сечениям, но используются чаще, так как предполагают более простые узлы сопряжения элементов. Нужно понимать, что изготовление ферм из гнуто-замкнутых профилей с бесфасоночными узлами должно быть предельно точным. Из-за технологических сложностей гнутые профили не могут иметь толщину свыше 10–12 мм, что не позволяет повсеместно применять подобные металлические фермы. Серьезные пластические деформации в местах изгиба негативно отражаются на хрупкой прочности стали.

Нередко прибегают к наиболее рациональному решению, при котором отдельные элементы ферм состоят из разных видов профилей. Для поясов используют двутавровые балки, параллельно применяются гнутозамкнутые профили, пояс из тавров, решетка из парных или одиночных уголков.

В пространственных фермах, таких как башни, мачты, стрелы кранов, присутствует общий для двух ферм пояс. Важно, чтобы его сечение не мешало нормальному соединению элементов, находящихся в разных плоскостях. Здесь чаще всего отдают предпочтение трубчатому сечению.

Для четырехгранных ферм, которым свойственно небольшое усилие, самым простым типом сечения пояса считается одиночный уголок или пара уголков, вместе имеющих крестовое сечение. Если речь идет о значительном усилии, в конструкцию включают двутавры. Важно, чтобы сжатые элементы металлических ферм были равноустойчивыми в перпендикулярных направлениях.

Выбор конкретного сечения элементов конструкции зависит от условий ее эксплуатации: учитывают характер и место приложения нагрузок, насколько агрессивной будет окружающая среда и ряд других факторов. Также важно оценить возможность изготовления фермы из определенных элементов, наличие сортамента и рентабельность подобных вложений.

Преимущества и недостатки разных металлов для строительства металлических ферм

В качестве материала металлических ферм из профильной трубы используют углеродистые стали обыкновенного качества и качественные, а также конструкционные и легированные. Могут применяться трубы с защитным слоем цинка. При изготовлении компактных сезонных конструкций в ход идет алюминий.

Для возведения на частных участках небольших построек, имеющих в своем составе фермы, обычно берут углеродистую сталь Ст3сп, Ст3пс, иногда она может быть оцинкованной. Данный материал обладает достаточным уровнем прочности, чтобы конструкция получилась надежной. Тогда как по устойчивости к ржавчине перечисленные стали мало отличаются.

Под действием осадков со временем корродируют даже изделия из конструкционных и легированных сталей. Небольшая доля легирующих компонентов не может защитить металлическую ферму от подобного разрушения. Обычно используемые низколегированные стали типа 30ХГСА, 30ХГСН, 38ХА имеют в составе 2–4 % легирующих элементов, что никак не отражается на их коррозионной стойкости.

Если говорить о прочности, то конструкционные и легированные стали служат гораздо дольше, чем углеродистые, легче перенося циклические нагрузки. Однако данная характеристика появляется у металла только после термообработки. Поскольку закалка с отпуском может негативно отразиться на форме труб, готовые изделия не подвергают термообработке. Иногда прибегают к отжигу бесшовных труб – так снимается остаточное напряжение, присутствующее в металле, и тот приобретает большую мягкость.

Конструкционные стали, такие как 20А, 45, 40, 30А, считаются более качественными, поэтому стоят дороже. Цена легированных сталей еще выше, при этом продавец может выдать трубы из стали 3 вместо необходимых. А значит, если планируется установка конструкций шириной до 20 м, лучше отказаться от идеи приобрести профтрубы из названных видов стали. Закупить оцинкованный профиль стоит при условии, что строительство будет осуществляться за счет краб-систем.

Проектирование фермы и ее элементов

Полный расчет нагрузки, которую будет испытывать на себе металлическая ферма, сложен, поэтому для его подготовки рекомендуется обратиться к специалистам.

Вычисление размеров, толщины стенки профильных труб, подходящих для возведения строения, основывается на такой информации:

• размеры металлоконструкции, а именно длина, расстояние между опорами;
• высота опор и ферм;
• форма ферм;
• предельная снеговая нагрузка в холодное время года;
• ветровая нагрузка;
• особенности геологических условий – сейсмическая активность, вероятность оползней;
• масса покрытия.

Ошибки в расчетах могут привести к таким последствиям:

• металлическая ферма деформируется под весом снега, мокрой тяжелой листвы;
• конструкция изменит форму под собственным весом – такое случается в худшем случае;
• при сильном ветре ферма может обрушиться;
• деформация постепенно вызывает разрушение конструкции, что опасно, ведь могут пострадать как люди, так и ценные предметы под навесом, допустим, автомобиль;
• нестабильная конструкция вызывает разрушение кровли, находящейся на ферме;
• выбор неоправданно мощного и тяжелого профиля приводит к слишком большим расходам на материалы и работу.

Если для навеса предусмотрено несколько ферм и опор, причем последние имеют шаг до 2 м, подойдет достаточно тонкая труба. Но для четырех опор и пары ферм с длиной пролета в 6–8 м требуется более толстый профиль.