Металлическая ферма – это прочная структура, состоящая из раскосов и/или стоек, соединенных в узлы. Нагрузка на стойки распределяется равномерно. Верхний пояс фермы подвергается сжатию вдоль оси, а нижний – растяжению.
Это быстромонтажный модуль, простые конструкции можно собрать в течение дня. Главное – разработать точную схему, учитывающую нагрузку и геологические условия, и подготовить необходимые элементы. Однако это еще не все. Дополнительную информацию о типах металлических ферм, их конструкции и сборке можно найти в нашем материале.
Слово "ферма" происходит от латинского "firmus", что переводится как "прочный". Уже из названия можно сделать вывод о высокой надежности и жесткости подобных конструкций.
Металлическая ферма представляет собой систему стержней, соединенных в узлах и образующих неизменяемую геометрию. Узловая нагрузка не оказывает сильного влияния на работу фермы, и узлы обычно рассматриваются как шарнирные. Все стержни подвергаются либо растягивающим, либо сжимающим осевым усилиям.
Металлические (стальные) фермы широко используются в различных строительных областях. Их применяют для покрытия и перекрытия зданий, мостов, опор линий электропередачи. Они могут быть установлены на объектах связи в виде элементов мачт и башен телевидения и радиовещания. Такие конструкции необходимы при строительстве транспортных эстакад, они используются на гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах и др.
По сравнению с балками, изготовление ферм требует меньше стали, однако они более трудоемки в производстве. С точки зрения эффективности, этот показатель у ферм выше, чем больше пролет и меньше нагрузка.
Все подобные конструкции принято делить на плоские, где элементы располагаются в одной плоскости, и пространственные. Плоские фермы воспринимают нагрузку, прикладываемую только в их плоскости, требуя соединения связями для нормальной работы. Пространственные фермы представляют собой жесткий брус, способный справляться с нагрузкой независимо от направления ее приложения.
Ключевыми компонентами металлической фермы являются пояса, составляющие ее контур, и решетка. Решетка включает раскосы и стойки, которые соединяются в узлах, либо стыкуются, либо соединяются при помощи узловых фасонок. Все детали центрируются по осям центра тяжести, что снижает узловые моменты и обеспечивает работу стержней на осевые усилия.
Расстояние между соседними узлами поясов называется панелью, а расстояние между опорами – пролетом. По сравнению с поясами сплошных балок, пояса ферм работают на продольные усилия и момент, в то время как решетка принимает поперечную силу.
Проектирование начинается с выбора очертаний и статической схемы будущего изделия. Характеристики подбираются в соответствии со сферой использования и архитектурно-конструктивным решением сооружения. При этом оцениваются все доступные варианты.
Покрытия зданий, мосты, транспортные галереи и многие другие 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.
При планировании двух и более перекрываемых пролетов устанавливают неразрезные фермы. Эта разновидность требует меньший объем стали для изготовления, при этом обладая большей жесткостью. За счет последней характеристики удается сократить высоту подобной металлической фермы. При слабых грунтах лучше отказаться от таких конструкций, поскольку осадка опор приводит к дополнительным усилиям. 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 используются как стропильные конструкции, чтобы обеспечить уклон кровли более 20 % или для обеспечения одностороннего равномерного освещения – тогда их называют шедовыми покрытиями.
С учетом затрат на сталь наиболее экономичным считается использование трубчатых профилей. Такие трубы обладают высокой обтекаемостью, что уменьшает ветровое давление, что особенно важно для высоких сооружений, таких как башни, мачты и краны. Фермы из труб также менее подвержены образованию инея и влаги, что способствует устойчивости к ржавчине. Они легко обслуживаются, поскольку их удобно чистить и перекрашивать, что положительно сказывается на сроке службы конструкций. Герметизация внутренних плоскостей труб необходима для предотвращения коррозии.
Однако данный подход имеет свои недостатки, такие как высокая стоимость труб и некоторые трудности сопряжения элементов.
Прямоугольные гнуто-замкнутые сечения, несмотря на свои преимущества, близкие к трубчатым, используются чаще из-за более простых узлов сопряжения элементов. Изготовление ферм из таких профилей требует высокой точности, так как технологические трудности не позволяют иметь толщину более 10–12 мм, что ограничивает их распространение. Пластические деформации в местах изгиба могут негативно сказаться на хрупкой прочности стали.
Часто прибегают к наиболее рациональному решению, когда различные элементы ферм состоят из разных видов профилей. Для поясов могут использоваться двутавровые балки, гнуто-замкнутые профили, тавры, решетки из уголков.
В пространственных фермах, таких как башни, мачты, стрелы кранов, общий для двух ферм пояс предпочтителен. В этом случае предпочтение чаще всего отдается трубчатому сечению, чтобы не мешать соединению элементов в разных плоскостях.
Для четырехгранных ферм, подвергающихся небольшому усилию, простым типом сечения пояса считается одиночный уголок или пара уголков с крестовым сечением. При значительном усилии в конструкции включают двутавры. Важно, чтобы сжатые элементы металлических ферм были равноустойчивыми в перпендикулярных направлениях.
Выбор сечения элементов конструкции зависит от условий эксплуатации: характера и места приложения нагрузок, агрессивности окружающей среды и других факторов. Также важно учесть возможность изготовления фермы из определенных элементов, их наличие и рентабельность.
В качестве строительного материала для металлических ферм широко применяются углеродистые стали обыкновенного и высокого качества, а также конструкционные и легированные металлы. Для защиты от коррозии иногда используются трубы с цинковым покрытием. При возведении компактных сезонных сооружений применяют алюминий.
Для построек на частных участках с небольшими фермами чаще всего выбирают углеродистую сталь Ст3сп, Ст3пс, иногда с оцинковкой. Этот материал обеспечивает достаточную прочность для создания надежной конструкции, хотя его устойчивость к коррозии практически одинакова.
Воздействие осадков со временем может вызвать коррозию даже в случае использования конструкционных и легированных сталей. Наличие легирующих элементов не всегда гарантирует защиту металлических ферм от разрушения. Например, низколегированные стали типа 30ХГСА, 30ХГСН, 38ХА содержат лишь 2–4% легирующих элементов, что не всегда положительно сказывается на их коррозионной стойкости.
В плане прочности конструкционные и легированные стали имеют более длительный срок службы по сравнению с углеродистыми металлами и легче переносят циклические нагрузки. Однако для достижения этой характеристики металл требует термообработки, которая может отрицательно сказаться на форме труб. Обычно избегают термообработки готовых изделий, хотя в некоторых случаях применяется отжиг бесшовных труб для снятия остаточного напряжения и придания металлу большей мягкости.
Конструкционные стали, такие как 20А, 45, 40, 30А, считаются более высококачественными и, соответственно, дороже. Цены на легированные стали еще выше, что может привести к продаже труб из стали 3 вместо необходимой. Поэтому при возведении конструкций шириной до 20 м рекомендуется отказаться от профтруб из таких видов сталей. Оцинкованный профиль имеет смысл при условии использования краб-системы для строительства.
Полный расчет нагрузок, которые будет нести металлическая ферма, является сложной задачей, поэтому для его выполнения рекомендуется обратиться к профессионалам.
Вычисление размеров и толщины стенок профильных труб, подходящих для строения, зависит от следующих факторов:
Ошибки в расчетах могут привести к следующим последствиям:
При наличии нескольких ферм и опор, особенно с шагом до 2 м, можно использовать относительно тонкие трубы. Однако для конструкций с четырьмя опорами и несколькими фермами, пролет которых составляет 6–8 м, требуются более толстые профили.
При проектировании металлической фермы необходимо учесть не только длину, но и другие параметры, такие как форма крыши и общие размеры конструкции. Затем определяют размеры кровли, количество, форму и расстояние между фермами.
Выбор типа фермы зависит от вида кровли, а форма крыши определяется функциональным назначением и местоположением сооружения. Например, односкатные металлические фермы чаще всего используются для консольных навесов, прилегающих к дому, в то время как автономные навесы могут иметь полигональные, треугольные, сегментные конструкции или арки. В случае беседок крыша может иметь шесть и более скатов или быть выполненной в нестандартной форме с оригинальными фермами.
Важным этапом является расчет нагрузки на всю крышу и отдельную ферму, учитывая вес снегового покрова, кровельного покрытия, обрешетки и самой металлической конструкции. Для точных расчетов лучше всего обратиться к специалисту, который будет использовать стандарты, такие как СП 20.13330.2016 "Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85" и СП 16.13330.2011 "Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81".
Расчеты могут быть выполнены методом вырезания узлов, где участки соединения стержней рассматриваются как шарнирные точки - современные компьютерные программы часто используют этот метод. Также могут применяться метод Риттера или метод замены стержней Геннеберга.
Создание простых металлических ферм в форме трапеции или треугольника не представляет больших сложностей. С навыками сварки и монтажа можно собрать свой собственный навес или беседку. Однако для создания крупных навесов с фермами длиной более 10 м рекомендуется использовать проект, разработанный опытными специалистами.
Архитектурная конфигурация фермы существенно зависит от угла наклона ската крыши. Выбор этой характеристики определяется формой крыши и расположением будущей структуры. В случае навеса, пристроенного к зданию, требуется более крутой наклон для эффективного схода снега и стока воды. Для отдельно стоящих сооружений подходит менее крутая крыша.
Еще одним важным фактором при выборе угла наклона является количество выпадающих осадков в регионе: чем их больше, тем круче должен быть угол. Это объясняется тем, что на крутых крышах задерживается меньший объем осадков.
Уклон в пределах 15° обычно выбирают для компактных навесов, расположенных отдельно от других построек. Примерная высота ската составляет 1/7–1/9 длины пролета, и в данном случае металлическая ферма должна иметь трапециевидную форму.
Угол 15–22° предполагает высоту ската в 1/7 длины пролета.
Для уклона в пределах от 22° до 30–35° оптимальная высота ската составляет 1/5 длины пролета. Здесь чаще всего используются треугольные конструкции, иногда с ломаным нижним поясом для уменьшения веса металлической фермы.
Чтобы избежать ошибок в расчете отдельных компонентов конструкции и их длины, важно вычислить базовые углы между элементами. Нижний пояс располагается перпендикулярно опорам, и наклон верхнего пояса к горизонтали зависит от угла наклона крыши. Оптимальным считается угол наклона к горизонтали/вертикали в 45° для раскосов, в то время как стойки монтируются вертикально.
Угол наклона кровли определяется проектом или вычисляется с учетом соотношений. Так, для уклона до 15° высота ската составляет 1/7–1/9 длины пролета, при уклоне 15–22° – 1/7 длины пролета; при 22–35° – 1/5 длины пролета.
Зная угол наклона крыши, можно определить необходимую длину заготовок для фермы, что является ключевым для качественного монтажа.
Металлоконструкции изготавливаются на строительном участке или в производственном цехе. Этот этап включает в себя сборку готовых элементов, таких как стойки, раскосы и пояса. Иногда монтажные отверстия могут быть подготовлены заранее, что упрощает работы на объекте. В случае отсутствия предварительных отверстий металлическая ферма крепится струбцинами, а затем проводится фиксация всех элементов.
Результаты сборки должны точно соответствовать предварительно разработанным чертежам.
Для скрепления деталей металлической фермы могут использоваться различные методы:
После сборки отдельных элементов стропильной системы или ее частей отправляются на место сборки. Конструкция устанавливается на заранее подготовленное основание, например, зацементированные и закрепленные колонны.
Остов поднимается с использованием стрелочного крана. Чтобы избежать раскачивания конструкции, прибегают к ручным парным растяжкам, которые также позволяют корректировать движение фермы. Систему временно фиксируют и переходят к надежному креплению. Снятие стропов происходит после тщательной затяжки не менее чем половины креплений.
Особенности монтажа зависят от характеристик основания. Если используются железобетонные колонны или кирпичные стены, элементы крепят анкерными болтами. При длине фермы более 10 м рассматривается крыша как сопряженная система, где стропильные ноги и перемычки состоят из двух частей, а сборка производится на месте.
Установка стропильной фермы требует строгого соблюдения правил техники безопасности:
Изготовление металлических ферм сегодня широко распространено, поскольку такие конструкции обладают рядом преимуществ. Их производство требует небольших временных затрат, готовое изделие легко устанавливается, долговечно и устойчиво к внешним воздействиям. Фермы справедливо считаются важным технологическим достижением современной строительной отрасли.
Металлические фермы представляют собой конструкции, в основе которых лежит использование металлических элементов для создания прочных и устойчивых каркасов. Одним из важных этапов в производстве металлических ферм является лазерная резка металла. Этот современный метод обработки материалов обеспечивает высокую точность и четкость реза, что является ключевым фактором в создании долговечных и функциональных металлических ферм. Лазерная резка металла играет важную роль в обеспечении высокого качества и эффективности производства металлических конструкций, в том числе и ферм.
В частном строительстве часто используют конструкции из профилированных труб, так как они обладают небольшим весом и могут монтироваться на месте.
Стоимость производства металлических ферм зависит от их сложности и особенностей установки, при этом основными факторами являются:
Качество и срок службы строения зависят как от отдельных элементов, так и от соблюдения норм в процессе монтажа. Стоимость установки ферм также зависит от следующих особенностей:
Все эти факторы могут существенно увеличить общую стоимость производства и монтажа металлических ферм. При правильном подходе, грамотном чертеже и качественной сборке можно достичь оптимальных результатов в смысле стоимости и качества.