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.
Металлические фермы: виды, проектирование, изготовление и монтаж
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.
Слово «ферма» происходит от латинского firmus — «прочный». Металлическая ферма — система стержней, соединённых в узлах в неизменяемую геометрию: верхний пояс работает на сжатие, нижний — на растяжение, а раскосы и стойки решётки передают усилия между ними. Узлы обычно рассматривают как шарнирные, поэтому все стержни испытывают только осевые усилия — растяжение или сжатие, без изгиба. Именно эта особенность делает фермы экономичнее сплошных балок по расходу металла, хотя и более трудоёмкими в изготовлении.
Из чего состоит ферма
- Верхний пояс — горизонтальная или наклонная балка по контуру, работает на сжатие;
- Нижний пояс — горизонтальная продольная балка, работает на растяжение;
- Стойки — вертикальные элементы решётки между поясами, работают на сжатие;
- Раскосы — элементы решётки под углом (чаще 45°), работают на сжатие или растяжение в зависимости от направления нагрузки;
- Узлы (панели) — точки соединения раскосов и стоек с поясами.
Расстояние между соседними узлами пояса называется панелью, между опорами — пролётом. Все детали центрируют по осям центра тяжести — это снижает узловые моменты и обеспечивает работу стержней именно на осевые усилия, а не на изгиб.
Плоские и пространственные фермы
Плоские фермы работают только в своей плоскости и требуют связей между собой для устойчивости всей конструкции — типичное решение для покрытий зданий. Пространственные фермы образуют жёсткий пространственный брус, воспринимающий нагрузку независимо от направления, — их используют в башнях, мачтах, стрелах кранов.
Виды ферм по очертанию и статической схеме
| Вид | Особенность | Где применяется |
|---|---|---|
| Балочная разрезная | Простое изготовление и монтаж, без сложных узлов | Покрытия зданий, мосты, галереи; пролёты до ~40 м собирают на месте |
| Неразрезная | Меньше металла, выше жёсткость, но сложнее монтаж; чувствительна к неравномерной осадке опор | Два и более смежных пролёта на устойчивых грунтах |
| Рамная | Экономична по металлу, компактна, но сложна в монтаже | Большепролётные здания |
| Арочная | Экономия стали ценой увеличения объёма помещения | По архитектурным требованиям |
| Консольная | Работает на вылет без второй опоры | Навесы, башни, опоры ЛЭП |
| Полигональная | Близка к эпюре моментов — экономична по стали, но узлы с переломом пояса сложнее в изготовлении | Массивные большепролётные системы |
| Трапецеидальная | Не оптимальна по эпюре, зато простые узлы; жёсткий рамный узел повышает жёсткость здания | Промышленные и гражданские покрытия |
| С параллельными поясами | Больше расход металла, зато элементы решётки унифицированы по длине — дешевле в серийном производстве | Покрытия производственных зданий |
| Треугольного очертания | Повышенный расход металла из-за длинных средних раскосов; острый опорный узел, только шарнирное сопряжение с колоннами | Стропильные конструкции с крутым уклоном (>20%) или шедовые покрытия |
Теоретически самый экономичный по стали вариант — сегментная ферма с параболическим поясом (в точности повторяющая эпюру изгибающих моментов), но криволинейные пояса настолько трудоёмки в изготовлении, что на практике почти не применяются — их место заняли полигональные фермы, приближающиеся к той же эпюре ломаной линией.
Профили для стержней
| Профиль | Плюсы | Минусы |
|---|---|---|
| Трубчатый (круглый) | Наименьший расход стали, низкое ветровое сопротивление, меньше скапливается влага и иней — выше стойкость к коррозии | Дороже, сложнее узлы сопряжения; торцы труб нужно герметизировать от внутренней коррозии |
| Прямоугольный гнутозамкнутый (ГЗС) | Простые узлы сопряжения, свойства близки к трубе | Технологический предел толщины стенки — около 10–12 мм; пластическая деформация в местах гиба профиля снижает запас по хрупкой прочности |
| Уголок, двутавр, тавр | Доступность, простота расчёта; двутавр — под значительные усилия, уголок — под лёгкие фермы | Выше ветровое сопротивление и склонность к скоплению влаги, чем у труб |
На практике элементы одной фермы часто комбинируют разные профили: пояса — из двутавра или ГЗС, решётку — из уголков. В пространственных конструкциях (башни, мачты) общий пояс для двух ферм обычно делают трубчатым — чтобы не мешать соединению элементов в разных плоскостях.
Выбор стали
Для небольших частных ферм чаще берут углеродистую сталь Ст3сп или Ст3пс, при необходимости — с оцинковкой. Конструкционные и низколегированные стали (например, 30ХГСА, 40, 45) служат дольше и лучше переносят циклические нагрузки, но требуют термообработки, которая может исказить геометрию профиля, — поэтому термообработку готовых труб обычно избегают, ограничиваясь при необходимости отжигом для снятия остаточных напряжений. Более качественные стали заметно дороже — при пролёте построек до 20 м переплата на легированный профиль чаще всего не окупается.
Проектирование и расчёт
Полный расчёт фермы — задача для инженера-конструктора, а не для самостоятельного выполнения: ошибка в расчёте грозит деформацией под снеговой нагрузкой, раскачиванием на ветру или обрушением. На вычисление сечений и толщины профиля влияют габариты конструкции, высота опор, форма фермы, снеговая и ветровая нагрузка, сейсмичность района и масса кровельного покрытия. Нагрузки и стальные конструкции рассчитывают по действующим сводам правил — СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» и СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции».
Классические методы расчёта усилий в стержнях фермы: метод вырезания узлов (последовательное рассмотрение каждого узла как точки равновесия — основа большинства современных расчётных программ), метод Риттера (метод сечений, удобен для быстрой проверки отдельных стержней) и метод замены стержней Геннеберга — для статически определимых ферм сложной схемы.
Угол наклона и высота ската
| Угол наклона кровли | Высота ската | Типичная форма фермы |
|---|---|---|
| До 15° | 1/7–1/9 длины пролёта | Трапециевидная |
| 15–22° | 1/7 длины пролёта | — |
| 22–35° | 1/5 длины пролёта | Треугольная, иногда с ломаным нижним поясом для облегчения конструкции |
Более крутой уклон выбирают там, где нужен быстрый сход снега и воды (навесы, пристроенные к зданию) и в регионах с обильными осадками — на крутой кровле задерживается меньше снега. Раскосы обычно монтируют под углом 45° к горизонтали, стойки — строго вертикально; зная угол наклона кровли, по этим соотношениям определяют точную длину заготовок под ферму.
Изготовление и монтаж
Ферму собирают из готовых элементов (стойки, раскосы, пояса) на производственной площадке или прямо на объекте — по чертежу, с точным соответствием расчётной схеме. Монтажные отверстия часто готовят заранее, что ускоряет сборку на месте; если отверстий нет, элементы временно фиксируют струбцинами.
Соединение узлов выполняют двумя основными способами:
- Болтовое — самый распространённый и быстрый метод, применяется для фахверков, прогонов и большинства узлов. Надёжность соединения напрямую зависит от правильного момента затяжки — на монтаже это контролируют пневмоинструментом и динамометрическими ключами.
- Сварное — применяется там, где нужно неразъёмное высокопрочное соединение. Требует более высокой квалификации сварщика и последующего контроля шва, зато не ослабляется со временем в отличие от болтового.
Собранную конструкцию (целиком или частями — при длине фермы свыше 10 м её обычно монтируют из двух частей) поднимают стреловым краном, удерживая от раскачивания парными ручными растяжками, временно фиксируют и затем затягивают не менее половины креплений, прежде чем снять стропы. К основанию (железобетонные колонны, кирпичные стены) ферму крепят анкерными болтами.
Монтаж на высоте требует соблюдения техники безопасности: к работе допускаются только квалифицированные монтажники с допуском на высотные работы, обязателен предмонтажный инструктаж, а экипировка включает каску, монтажный пояс, рукавицы и спецодежду по сезону.
Узловые фасонки и косынки: где нужна лазерная резка
Прочность и точность фермы во многом определяются узловыми фасонками и косынками — пластинами, к которым стыкуются раскосы, стойки и пояса. Их геометрия должна быть идентичной во всех одинаковых узлах серии, а отклонения напрямую влияют на центровку стержней по осям центра тяжести — критичное условие, о котором говорилось выше. Лазерная резка для таких деталей — оптимальный инструмент: сотни одинаковых фасонок по одному чертежу, с точностью до 0,1 мм, без штамповой оснастки. Если ферма собирается из труб, фигурные торцевые вырезы («седловины») под стыковку раскосов также вырезаются лазером — подробнее в статье про лазерную резку труб.
Мы вырезаем узловые фасонки, косынки и другие элементы ферм на собственном производстве в Видном — лазерная резка листовой стали до 20 мм, при необходимости — гибка и сварка отдельных узлов. Пришлите чертёж фермы или спецификацию деталей — посчитаем стоимость партии в день обращения.
Частые вопросы
Почему фермы экономичнее сплошных балок?
Потому что материал работает только в поясах и решётке, там, где он действительно нужен по расчёту, — в отличие от сплошной балки, где часть сечения нагружена минимально. Плата за экономию металла — более трудоёмкое изготовление.
Какой профиль выбрать для фермы — трубу или ГЗС?
Труба экономичнее по стали и лучше сопротивляется коррозии и ветровой нагрузке, но дороже и сложнее в узлах. Прямоугольный гнутозамкнутый профиль — практичный компромисс с более простыми узлами, если толщина стенки укладывается в технологический предел ~10–12 мм.
Можно ли сварить ферму вместо болтового соединения?
Да, сварка даёт неразъёмное и более долговечное соединение, но требует квалифицированного сварщика и контроля шва. Болтовое соединение проще, быстрее монтируется и остаётся ремонтопригодным.
Зачем нужна высокая точность узловых фасонок?
Все элементы фермы центрируются по осям центра тяжести — это условие того, что стержни работают только на осевые усилия, без изгиба. Неточная фасонка сдвигает эту центровку и создаёт незапланированный изгибающий момент в узле.
Другие новости
Заявка
на расчет
на расчет