Ферменные конструкции. Что такое ферма в строительстве? Стальные профильные трубы

Сегодня фермы из профильной трубы по праву считаются идеальным решением для строительства гаража, жилого дома и приусадебных построек. Прочные и долговечные, такие конструкции обходятся недорого, быстры в исполнении, и с ними способен справиться любой, кто хоть немного разбирается в математике и имеет навыки резки и сварки.

А как правильно подобрать профиль, рассчитать ферму, сделать в ней перемычки и установить, мы сейчас подробно расскажем. Для этого мы подготовили для вас подробные мастер-классы изготовления таких ферм, видео-уроки и ценные советы от наших экспертов!

И так, что такое ферма? Это конструкция, которая связывает опоры вместе в одно единое целое. Другими словами, ферма относится к простым архитектурным конструкциям, среди ценных преимуществ которой выделим такие: высокая прочность, отличные показатели эксплуатации, невысокая стоимость и хорошая устойчивость к деформациям и внешним нагрузкам.

Благодаря тому, что такие фермы обладают высокой несущей способностью, их ставят под любые кровельные материалы, независимо от их веса.

Использование в строительстве металлических ферм из новых или прямоугольных замкнутых профилей считается одним из самых рациональных и конструктивных решений. И неспроста:

1. Главный секрет – в экономии благодаря рациональной форме профиля и соединения всех элементов решетки.
2. Еще одно ценное преимущество профильных труб для использования их изготовлении фермы – это равная устойчивость в двух плоскостях, замечательная обтекаемость и удобство эксплуатации.
3. При всем своем малом весе такие фермы выдерживают серьезные нагрузки!

Отличаются стропильные фермы по очертанию поясов, типу сечения стержней и видам решетки. И при правильном подходе вы самостоятельно сможете сварить и установить ферму из профильной трубы любой сложности! Даже такую:

Этап II. Приобретаем качественный профиль

Итак, прежде, чем составить проект будущих ферм, сначала нужно определиться с такими важными пунктами:

• контуры, размер и форма будущей крыши;
• материал изготовления верхнего и нижнего пояса фермы, а также ее решетки;

Запомните одну простую вещь вещь: у каркаса из профильной трубы есть так называемые точки равновесия, которые важно определить для устойчивости всей фермы. И очень важно подобрать под эту нагрузку качественный материал:

Строят фермы из профильной трубы таких видов сечений: прямоугольного или квадратного. Таковые выпускаются разного размера сечения и диаметра, с разной толщиной стенок:

• Мы рекомендуем те, которые специально продаются для малогабаритных построек: такие идут до 4,5 метров длиной и имеют сечение 40х20х2 мм.
• Если вы будете изготавливать фермы длиннее 5 метров, тогда выбирайте профиль с параметрами 40х40х2 мм.
• Для полномасштабного строительства крыши жилого дома вам понадобятся профильные трубы с такими параметрами: 40х60х3 мм.

Устойчивость всей конструкции прямо пропорциональна толщине профиля, поэтому для изготовления ферм не используйте трубы, для которые предназначены только для сварок стоек и каркасов – здесь другие характеристики. Также обратите внимание, каким именно методом было изготовлено изделие: электросварным, горячедеформированным или холодным деформированнием.

Если же вы беретесь изготавливать такие фермы самостоятельно, тогда берите заготовки квадратного сечения – с ними работать проще всего. Приобретите квадратный профиль 3-5 мм толщиной, который будет достаточно прочным и по своим характеристикам близок к металлическим брусьям. Но если ферму вы будете изготавливать всего-то для козырька, тогда можете отдать предпочтение более бюджетному варианту.

Обязательно учитывайте при проектировании снеговые и ветровые нагрузки в вашей местности. Ведь большое значение при выборе профиля (в плане нагрузки на него) имеет угол наклона ферм:

Более точно спроектировать ферму из профильной трубы вы сможете при помощи онлайн-калькуляторов.

Отметим только, что самая простая конструкция фермы из профильной трубы представляет собой несколько вертикальных стоек и горизонтальные уровни, на которые можно крепить стропила для крыши. Приобрести такой каркас можно в готовом самостоятельно, даже под заказ в любом городе России.

Этап III. Рассчитываем внутреннее напряжение ферм

Самое важное и ответственное задание – это правильно произвести расчет фермы из профильной трубы и подобрать нужный формат внутренней решетки. Для этого нам понадобится калькулятор или подобное ему другое программное обеспечение, а также некоторые табличные данные СНиПов, которые за это:

• СНиП 2.01.07-85 (воздействия, нагрузки).
• СНиП п-23-81 (данные по стальным конструкциям).

По возможности ознакомьтесь с этими документами.

Форма крыши и угол наклона

Ферма нужна для какой конкретно кровли? Односкатной, двускатной, купольной, арочная или шатровой? Самый простой вариант, конечно же, это изготовление стандартного односкатного навеса. Но и достаточно сложные фермы вы также способны рассчитать и изготовить самостоятельно:

Стандартная ферма состоит из таких важных элементов, как верхний и нижний пояс, стойки, раскосы и вспомогательные подкосы, которые еще называют шпренгелями. Внутри ферм располагается система решеток, для соединения труб используется сварные швы, клепки, специальные парные материалы и косынки.

И, если вы собираетесь изготовить сложную по форме крышу, то такие фермы станут для нее идеальным вариантом. Их очень удобно изготавливать по шаблону прямо на земле, и только потом поднимать наверх.

Чаще всего при строительстве небольшого дачного домика, гаража или бытовки применяются так называемые фермы полонсо – особая конструкция треугольных ферм, соединенных затяжками, и нижний пояс здесь выходит приподнятым.

По сути, в этом случае, чтобы повысить высоту конструкции, нижний пояс делают ломаным, и он тогда составляет 0,23 от длины полета. Для внутреннего пространства помещения очень удобно.

Итак, всего есть три основных варианта изготовления фермы в зависимости от наклона крыши:

• от 6 до 15°;
• от 15 до 20°;
• от 22 до 35°.

В чем разница спросите вы? Например, если угол конструкции будет небольшой, всего до 15°, тогда фермы рационально делать трапециевидной формы. И при этом вполне можно уменьшить вес самой конструкции, беря в высоту от 1/7 до 1/9 от от общей длины полета.

Т.е. руководствуйтесь таким правилом: чем меньше вес, тем больше должна быть высота фермы. А вот если мы вас будет иметь уже сложную геометрическую форму, тогда нужно выбрать другой тип фермы и решеток.

Виды ферм и формы крыши

Вот пример конкретных ферм для каждого вида крыши (односкатной, двускатной, сложной):

Давайте разберемся с видами ферм:

• Треугольные фермы – классика изготовления основы для крутых скатов крыши или навесов. Сечение труб для таких ферм нужно подбирать с учетом веса кровельных материалов, а также эксплуатации самой постройки. Треугольные фермы хороши тем, что обладают простыми формы, просты в расчете и исполнении. Их ценят за подкровельное обеспечение естественным светом. Но отметим и недостатки: это дополнительные профили и длинные стержни в центральных сегментах решетки. А также здесь вам придется столкнуться с некоторыми сложностями при сварке острых опорных углов.
• Следующий вид – полигональные фермы из профильной трубы. Они незаменимы при сооружении больших площадей. Сварка у них уже более сложной формы, а поэтому для облегченных конструкций их не проектируют. Зато такие фермы отличаются большей экономией металла и прочностью, что особенно хорошо для ангаров с большими пролетами.
• Прочной считается также ферма с параллельными поясами . Отличается от других такая ферма тем, что у нее все детали – повторяющиеся, с одинаковой длиной стержней, поясов и решеток. То есть здесь минимум стыков, а поэтому рассчитывать и варить такую из профильной трубы проще всего.
• Отдельный вид – это односкатная трапециевидная ферма с опорой на колонны. Такая ферма идеальна, когда необходима жесткая фиксация сооружения. У нее есть уклоны (раскосы) по боковым сторонам и отсутствуют длинные стержни верхней обрешетки. Подходит для крыш, которым особенно важна надежность.

Вот пример изготовления ферм из профильной трубы как универсального варианта, который подходит для любых садовых построек. Речь идет о треугольных фермах, и вы наверняка их уже видели много раз:

Треугольная ферма с ригелем тоже достаточно проста, и вполне подходит для строительства беседок и бытовки:

А вот арочные фермы в изготовлении уже намного сложнее, хотя и обладают рядом своих ценных преимуществ:

Главное ваша задача – центрировать элементы фермы из металла от центра тяжести по всем направлениям, говоря простым языком, минимизировать нагрузку и грамотно ее распределить.

Поэтому выбирайте тот вид ферм, который подходит для этой цели больше. Кроме перечисленных выше, популярностью пользуются также ферма-ножницы, асимметричная, П-образная, двухшарнирная, ферма с параллельными поясами и мансардная ферма с опорами и без них. А также мансардный вид фермы:

Типы решеток и точечная нагрузка

Вам будет интересно узнать, что определенный дизайн внутренних решеток ферм подбирается вовсе не из эстетических соображений, а вполне практичных: под форму крыши, геометрию потолка и расчет нагрузок.

Вам нужно спроектировать свою ферму таким образом, чтобы все силы сосредотачивались конкретно в узлах. Тогда в поясах, раскосах и шпренгелях изгибающих моментов не будет – они станут работать только на сжатие и растяжение. И тогда сечение таких элементов уменьшают до необходимого минимума, значительно при этом экономя на материале. И саму ферму ко всему вы спокойно можете сделать шарнирной.

В противном случае, на ферму будут постоянно действовать распределенная по стержням сила, и появится изгибающий момент, в дополнение к общему напряжению. И здесь тогда важно грамотно просчитать максимальное изгибающее значения для каждого отдельного стержня.

Тогда сечение таких стержней должно быть больше, чем если бы сама ферма была нагружена точечными силами. Подведем итог: фермы, на которых распределенная нагрузка действует равномерно, изготавливают из коротких элементов с шарнирными узлами.

Давайте разберемся, в чем преимущество того или иного вида решетки в плане распределения нагрузки:

• Треугольная система решетки всегда применяются в фермах с параллельными поясами и трапецеидальной ферме. Ее основное преимущество в том, что она дает самую маленькую суммарную длину решетки.
• Раскосная система хороша при небольшой высоте ферм. Но расход материала на нее немалый, ведь здесь весь путь усилия идет через узлы и стержни решетки. А поэтому при проектировании важно заложить максимум стержней, чтобы длинные элементы оказались растянутыми, а стойки – сжатыми.
• Еще один вид – шпренгельная решетка. Ее изготавливают в случае нагрузок верхнего пояса, а также тогда, когда нужно уменьшить длину самой решетки. Здесь преимущество в соблюдении оптимального расстояния между элементами всех поперечных конструкций, которое, в свою очередь, позволяет сохранить нормальное расстояние между прогонами, что будет практичным моментом для монтажа элементов кровли. Но создавать такой решетку своими руками – довольно трудоемкое занятие с дополнительным расходам металла.
• Крестовидная решетка позволяет распределить нагрузку на ферму сразу в обоих направлениях.
• Еще один вид решетки – перекрестная , где раскосы крепятся прямо к стенке фермы.
• И, наконец полураскосная и ромбическая решетки, самая жесткая из перечисленных. Здесь взаимодействует сразу две системы раскосов.

Мы подготовили для вас иллюстрацию, где собрали все виды ферм и их решеток вместе:

Вот пример того, как изготавливают ферму с треугольной решеткой:

Изготовление фермы с раскосной решеткой выглядит так:

Нельзя сказать, что какой-то из видов ферм определенно лучше или хуже другого – каждый из них ценен меньшим расходом материалов, более легким весом, несущими способностями и методом крепления. Рисунок отвечает за то, какая схема нагрузок будет на нее действовать. И от выбранного типа решетки напрямую будет зависеть то, какой будет вес фермы, внешний вид и трудоемкость ее изготовления.

Отметим еще такой необычный вариант изготовления фермы, когда она сама по себе становится частью или опорой для другой, деревянной:

Этап IV. Изготавливаем и устанавливаем фермы

Мы дадим вам несколько ценных советов, как самостоятельное без особых сложностей сварить такие фермы прямо у себя на участке:

• Вариант первый: можно обратиться к заводу, и они сделают на заказ по вашему рисунку все нужные отдельные элементы, которые вам останется только сварить уже на месте.
• Второй вариант: приобретите готовый профиль. Тогда вам останется только обшить фермы изнутри досками или фанерами, а в промежутке уложить по необходимости утеплитель. Но и обойдется этот способ, конечно же, дороже.

Вот, к примеру, хороший видео-урок, как удлинить трубу при помощи сварки и достичь идеальной геометрии:

Вот также очень полезное видео, как отрезать трубу под углом 45°:

Итак, теперь подходим непосредственно к сборке самих ферм. Справиться с этим вам поможет такая пошаговая инструкция:

• Шаг 1. Сначала подготовьте фермы. Лучше их заранее сваривать прямо на земле.
• Шаг 2. Установите вертикальные опоры для будущих ферм. Крайне важно, чтобы они были действительно вертикальными, поэтому проверьте их отвесом.
• Шаг 3. Теперь возьмите продольные трубы и приварите их к опорным стойкам.
• Шаг 4. Поднимите фермы и приварите их к продольным трубам. После этого все места соединения важно очистить.
• Шаг 5. Готовый каркас покрасьте специальной краской, предварительно очистив и обезжирив его. Особое внимание при этом уделите местам соединения профильных труб.

С чем еще сталкиваются те, кто изготавливает такие фермы в домашних условиях? Во-первых, заранее продумайте опорные столики, на которых вы будете класть ферму. Далеко не лучший вариант бросить ее на землю – работать будет очень неудобно.

Поэтому лучше поставить небольшие мосты-опоры, которые будут немного шире, чем нижний и верхний пояс фермы. Ведь вы будете вручную замерять и вкладывать между поясами перемычки, и важно, чтобы они не проваливались на землю.

Следующий важный момент: фермы из профильной трубы тяжеловаты на вес, а поэтом вам понадобится помощь минимум еще одного человека. Кроме того, не помешает подмога и в такой нудной и кропотливой работе, как зашкуривание металла перед варкой.Еще учитывайте, что нарезать фермы вам нужно будет много, для всех элементов, а поэтому советуем вам либо приобрести, либо соорудить самодельный станок по типу того, что в нашем мастер-классе. Вот как он работает:

Во так, шаг за шагом, вы составите чертеж, рассчитаете решетку фермы, сделаете заготовки и сварите конструкцию уже на месте. Причем у вас в расходе будут также и остатки профильных труб, поэтому, ничего не нужно будет выбрасывать – все это понадобится для второстепенных деталей навеса или ангара!

Этап V. Зачищаем и окрашиваем готовые фермы

После того, как вы установите фермы на их постоянное место, обязательно обработайте их антикоррозийными составами и окраски полимерными красками. Идеально подойдет для этой цели краска, которая отличается долговечностью и устойчивостью к ультрафиолету:

Вот и все, ферма из профильной трубы готова! Остаются только финишные работы по обшивке ферм изнутри отделкой и снаружи кровельным материалом:

Поверьте, изготовить металлическую ферму из профильной трубы для вас на самом деле не составит большого труда. Огромную роль играет грамотно составленный чертеж, качественная сварка фермы из профильной трубы и желание все сделать правильно и аккуратно.

(опорный раскос).

Классификация

Фермы классифицируют по следующим признакам:

• Характер очертания внешнего контура
  • Параллельные пояса
  • Ломаные пояса
  • Полигональные пояса
  • Треугольные пояса
• Тип решётки
  • Треугольная
  • Раскосная
  • Полураскосная
  • Ромбическая
• Тип опирания
  • Балочный
  • Арочный
  • Консольный
  • Балочно-консольный
• Назначение
  • Стропильные
  1. ферма Пратта (с жатыми стойками и растянутыми раскосами)
  2. ферма Уорренна (с решёткой из треугольников)
  3. Бельгийская (треугольная) ферма
  4. ферма с перекрёстными подкосами
  5. ферма под верхний свет
  • Подстропильные
  • Мостовые
  • Крановые
  • Башенные
• Материал исполнения
  • Деревянные
  • Металлические (стальные и алюминиевые)
  • Железобетонные
  • Из полимерных материалов

Область применения

Фермы широко используются в современном строительстве, в основном для перекрытия больших пролётов: мосты, стропильные системы промышленных зданий, спортивные сооружения.Так же данная конструкция может использоваться специалистами при производстве различных видов павильонов, сценических конструкций, тентов и подиумов.

Принцип действия

Если произвольным образом скрепить на шарнирах несколько стержней, то они будут беспорядочно крутиться вокруг друг друга, и подобная конструкция будет, как говорят в строительной механике, «изменяемой», то есть если на неё надавить, то она сложится, как складываются стенки спичечного коробка. Совсем другое дело, если Вы составите из стерженьков обычный треугольник. Теперь, сколько бы Вы ни давили, конструкция сможет сложиться, только если сломать один из стержней, или оторвать его от других. Это конструкция уже «неизменяемая». Конструкция фермы содержит в себе эти треугольники. И стрела башенного крана и сложные опоры, все они состоят из маленьких и больших треугольников.

Важно знать, что так как любые стержни лучше работают на сжатие-растяжение, чем на излом, то нагрузку к ферме следует прикладывать в точках соединения стержней.

Фактически стержни фермы обычно соединяют между собой не через шарниры, а жёстко. То есть, если взять два любых стержня и отрезать их от остальной конструкции, то они не будут вращаться относительно друг друга. Однако, в простейших расчётах этим пренебрегают и считают, что шарнир имеется.

Принцип расчёта ферм вырезанием узлов

Существует огромное количество способов расчёта ферм, как простых, так и сложных. Один из самых простых - расчёт вырезанием узлов. Данный способ подходит для простейших плоских ферм и применяется для обучения студентов ВТУЗов.

Для расчёта фермы все силы , действующие на ферму, сводят к её узлам. После того, как определены силы, действующие на ферму, считают реакции опор фермы. После того, как реакции определены, берут любой узел, в котором встречаются только 2 стержня и приложены какие-либо силы. Мысленно обрезают остальную часть фермы и получают узел, в котором встречаются несколько известных сил (например, реакции опор) и две неизвестных силы - те усилия, которые действуют в необрезанных нами стержнях фермы. Находят неизвестные усилия в стержнях, составляя уравнения равенства сил по любым двум осям . Далее, зная эти усилия, вырезают следующий узел и т. д., пока не будут найдены усилия во всех стержнях.

Примеры

• Металлическая опора линии электропередач (ЛЭП) .

См. также

Примечания

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Ферма (конструкция)" в других словарях:

Ферма: Ферма конструкция, основные элементы которой работают на растяжение сжатие Ферма сельскохозяйственное предприятие, принадлежащее фермеру Ферма животноводческое сельскохозяйственное предприятие Ферма в США обиходное… … Википедия

Плоская конструкция, состоящая из соединенных между собой отдельных стержней или дисков, перекрывающая отверстие между опорами и передающая на последние воспринимаемую ею нагрузку. Арочная ферма Изготовляется из металла, дерева или железобетона.… … Технический железнодорожный словарь

Ферма - – плоская стержневая несущая конструкция. [Терминологический словарь по бетону и железобетону. ФГУП «НИЦ «Строительство» НИИЖБ им. А. А. Гвоздева, Москва, 2007 г. 110 стр.] Ферма – несущая стержневая конструкция, как правило… …

Ферма стропильная - (от франц.) – строительная несущая конструкция для покрытия, как правило, больших пролетов, представляет собой плоскую конструкцию из стержневых элементов, соединяемых в шарнирных и/или жестких узлах, состоящая из элементов верхнего сжатого … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Ферма безраскосная - – Ферма безраскосная[ФЕРМА РАМНАЯ] – стержневая балочная конструкция, состоящая из параллельных поясов и жёстко соединённых с ними стоек, по аналогии названная фермой. [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

- [ФЕРМА РАМНАЯ] стержневая балочная конструкция, состоящая из параллельных поясов и жёстко соединённых с ними стоек, по аналогии названная фермой (Болгарский язык; Български) виренделова греда; рамкова ферма (Чешский язык; Čeština) rámový… … Строительный словарь

ферма (в строительной механике) - ферма Стержневая система, остающаяся геометрически неизменяемой, если в ней все жесткие узлы заменены шарнирными. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 82. Строительная механика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1970 …

ферма безраскосная - Стержневая балочная конструкция, состоящая из параллельных поясов и жёстко соединённых с ними стоек, по аналогии названная фермой [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР)] Тематики строительная механика,… … Справочник технического переводчика

- (от латинского firmus прочный) (строительное), стержневая несущая конструкция, у которой соединения стержней в узлах при расчете принимаются шарнирными. Металлические, железобетонные, деревянные и комбинированные фермы применяют в покрытиях… … Современная энциклопедия

Ферма (франц. ferme, от лат. firmus √ крепкий, прочный), несущая конструкция, состоящая из прямолинейных стержней, узловые соединения которых при расчёте условно принимаются шарнирными. Ф. применяют главным образом в строительстве (покрытия… … Большая советская энциклопедия

Фермой называется геометрически неизменяемая решетчатая конструкция, работающая на изгиб, элементы которой шарнирно соединены в узлах и работают на осевое растяжение или сжатие при узловом нагружении.

Допущение об идеальной шарнирности узлов противоречит действительной конструкции фермы, но довольно точно отражают фактическую работу ее элементов.

Расчет фермы по шарнирной схеме допускается, когда отношение высоты сечения к длине элемента не превышает 1/10 в конструкциях, эксплуатируемых при t ≥ -40°С, и 1/15 при t < -40°C.

Фермы по сравнению с балками более экономичны по затрате металла.

Область применения ферм весьма обширна. Они используются в покрытиях зданий и сооружений для поддержания кровли (стропильные фермы), радио- и телебашнях, опорах линий электропередач, конструкциях пролетных строений мостов, подъемных кранов и т.д.

Классификация ферм

Фермы состоят из верхнего и нижнего поясов, соединенных между собой решеткой из раскосов и стоек. Расстояние между узлами решетки фермы называется панелью; расстояние между ее опорами – пролетом. Фасонка – деталь фермы, выполненная из листа для соединения стержней фермы в узле.

Разнообразие областей применения и конструктивных решений ферм позволяет классифицировать их по различным признакам:

по назначению – фермы мостов, покрытий (стропильные и подстропильные), транспортных эстакад, грузоподъемных кранов, гидротехнических затворов и других сооружений.

по очертанию поясов :

С параллельными поясами

Трапециидальная

Арочные

Треугольные

С треугольной решеткой

С треугольной решеткой и дополнительными стойками

С раскосной решеткой.

Очертание поясов зависит главным образом от назначения фермы и принятой конструктивной схемы сооружения по системе решетки:

Решетки специальных типов:

Со шпренгельной решеткой

Крестовая

Ромбическая

Полураскосная.

Система решетки зависит от схемы приложения нагрузки и специальных требований к ферме. Наиболее проста треугольная решетка. Дополнительные стойки ставят в тех случаях, когда в месте их расположения прикладываются сосредоточенные силы или когда хотят уменьшить длину панели верхнего сжатого пояса.

Особенностью раскосной решетки является то, что все раскосы имеют усилия одного знака, а стойки – противоположного; при восходящем направлении раскосов стойки растянуты, а при нисходящем – сжаты.

Шпренгельная решетка применяется при более частом приложении сосредоточенных сил к верхнему поясу.

Фермы с крестовой решеткой применяются обычно при двусторонней нагрузке. Крестовые раскосы проектируют их гибких элементов или тяжей; они воспринимают только растягивающие усилия, а при сжатии выключаются из работы. Благодаря этому фермы с крестовой решеткой рассчитываются как статически определимые системы.

Ромбическая и полураскосная решетка обладают повышенной жесткостью и применяются в конструкциях с большими поперечными силами

- по виду статической схемы – фермы разрезные, неразрезные, консольные .

По значению наибольших усилий в элементах фермы

легкие – пролетом l до 50 м и с усилием в поясах N max ≤ 5000 кн,

тяжелые – с усилием в поясах N max > 5000 кн,

по конструктивному решению – обычные, комбинированные и с предварительным напряжением.

Компоновка ферм

В задачу компоновки фермы входят определение ее рациональной схемы с учетом ряда требований: экономичности по затрате металла, простоты изготовления, транспортабельности, требований унификации и типизации. Эти требования часто противоречат между собой, поэтому нужно найти оптимальное решение, наилучшим образом удовлетворяющее одновременно комплексу требований.

Масса фермы зависит от отношения ее высоты к пролету. Усилия в поясах фермы возникают главным образом от изгибающего момента, а в решетке – от поперечной силы.

Чем больше высота фермы, тем меньше усилия в поясах и их масса, но с увеличением высоты фермы увеличивается длина элементов решетки и ее масса. Условно минимального расхода металла отвечает равенство массы поясов и массы решетки вместе с фасонками, что достигается при h≈1/5 L (в балке масса поясов приблизительно равна массе стенки).

Столь большая высота неудобна при транспортировке. Ферму пришлось бы доставлять на строительную площадку отдельными элементами (россыпью) и собирать на месте монтажа.

Дополнительные затраты времени и средств при этом не окупаются экономией металла.

На практике стремятся к тому, чтобы при монтаже производилась только укрупнительная сборка фермы их двух половин (отправочных марок). Поэтому размеры фермы не должны выходить за пределы железнодорожного габарита (по вертикали 3,8 м, по горизонтали -3,2 м). Наиболее удобными в изготовлении являются фермы с параллельными поясами. Одинаковые длины стержней поясов и решетки, одинаковое решение промежуточных узлов и минимальное количество поясных стыков создают условия для максимально возможной унификации конструктивных схем и делают такие фермы индустриальными. Благодаря преимуществам в изготовлении фермы с параллельными поясами постепенно вытесняют фермы трапецеидального очертания.

При компоновке фермы одновременно с выбором системы решетки устанавливают размеры панелей фермы, размеры которых должны отвечать оптимальному углу наклона раскосов. Из конструктивных соображений – рационального очертания фасонки в узле и удобства крепления раскосов – желателен угол, близкий к 45°.

Посредством унификации геометрических схем ферм и типизации конструктивной формы можно стандартизировать конструктивные детали ферм и перейти на массовое их изготовление с помощью специализированных станков и приспособлений.

В настоящее время унифицированы геометрические схемы стропильных ферм производственных зданий (18, 24, 30, 36 м), мостов, радиомачт, радиобашен, опор ЛЭП.

В основу унификации стропильных ферм с рулонной кровлей положены модуль пролета производственных зданий и панель m=3 м, уклон кровли i=1,5 %, высота ферм на опоре 3150 мм по наружным краям поясов, треугольная решетка с возможностью добавления шпренгеля при кровельных плитах шириной 1,5 м.

В фермах больших пролетов (более 36 м), а также в фермах из алюминиевых сплавов или из высокопрочных сталей возникают большие прогибы.

Провисание ферм предотвращается устройством строительного подъема, т.е. изготовлением ферм с обратным выгибом, который под действием нагрузки погашается, в результате чего ферма принимает проектное положение.

Расчет ферм. Определение нагрузок. Определение усилий в стержнях фермы. Расчетные длины стержней ферм. Обеспечение общей устойчивости ферм в системе покрытия. Выбор типа сечения стержней.

Расчет ферм выполняют в такой последовательности:

1) определяют нагрузку на ферму;

2) вычисляют узловые нагрузки;

3) определяют расчетные усилия в стержнях фермы методом строительной механики;

4) подбирают сечения стержней;

5) рассчитывают соединения стержней, узлы и детали.

Ферма - система стержней, соединенных между собой в узлах и образующих геомет­рически неизменяемую кон­струкцию. Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными.

Плоские фермы (рис. а) могут воспринимать нагрузку, при­ложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскости связями или другими элементами. Пространствен­ные фермы (рис. б, в) образуют жесткий пространственный брус, способный воспринимать нагрузку, действующую в любом на­правлении. Каждая грань такого бруса представляет собой плоскую ферму. Примером пространственного бруса может служить башен­ная конструкция (рис. г).

Рис. Плоская (а) и пространственные (б, в, г) фермы

Основными элементами ферм являются пояса, образующие кон­тур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек (рис.).

1 - верхний пояс; 2 - нижний пояс; 3 - раскосы; 4 - стойка

Рис. Элементы ферм

Расстояние между узлами пояса называют панелью (d ) , рас­стояние между опорами - пролетом (l ), расстояние между осями (или наружными гранями) поясов - высотой фермы (h ф ).

Пояса ферм работают в основном на продольные усилия и мо­мент (аналогично поясам сплошных балок); решетка ферм воспри­нимает в основном поперечную силу.

Соединения элементов в узлах осуществляют путем непосредст­венного примыкания одних элементов к другим (рис. а) или с помощью узловых фасонок (рис. б). Для того чтобы стерж­ни ферм работали в основном на осевые усилия, а влиянием моментов можно было пренебречь, элементы ферм центрируют по осям, проходящим через центры тяжести.

а – при непосредственном примыкании элементов решетки к поясу;

б – при соединении элементов с помощью фасонки

Рис. Узлы ферм

Фермы классифицируют по статической схеме, очертанию поясов, системе решетки, способу соединения элементов в узлах, величине усилия в элементах. По статической схеме фермы бывают (рис.): балочные (разрезные, не­разрезные, консольные), арочные, рамные и вантовые.

Балочные разрезные системы (рис.а) применяются в покрытиях зданий, мостах. Они просты в изготовлении и мон­таже, не требуют устройства сложных опорных узлов, но весьма металлоемки. При больших пролетах (более 40 м) разрезные фермы получаются негабаритными и их приходится собирать из отдельных элементов на монтаже. При числе перекрываемых пролетов два и более применяют неразрезные фермы (рис. б). Они экономичнее по расходу металла и обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту. Но при осадке опор, в неразрезных фермах возника­ют дополнительные усилия, поэтому их применение при слабых просадочных основаниях не рекомендуется. Кроме того, усложнен монтаж таких конструк­ций.

а - балочная разрезная; 6 - балочная неразрезная; в, е - консольная;

г - рамная; д - арочная; ж - вантовая; з - комбинированные:

Рис. Системы ферм

Консольные фермы (рис. в, е) используют для навесов, башен, опор воздушных линий электропередач. Рамные системы (рис. д) экономичны по расходу стали, имеют меньшие габариты, од­нако более сложны при монтаже.Их применение рационально для большепролетных зданий. Применение арочных систем (рис. д),хотя и дает экономию стали, приводит к увеличению объема поме­щения и поверхности ограждающих конструкций.Их применение вызвано в основном архитектурными требованиями. В вантовых фермах (рис. ж) все стержни работают только на растяжение и могут быть выполнены из гибких элементов, например стальных тросов. Растяжение всех элементов таких ферм достигается выбором очертания поясов и решетки, а также созданием предварительного напряжения. Работа только на растяжение позволяет полностью ис­пользовать высокие прочностные свойства стали, поскольку снима­ются вопросы устойчивости. Вантовые фермы рациональны для большепролетных перекрытий и в мостах. Применяются также комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раско­сами, либо сверху аркой (рис. з). Эти системы просты в изготовлении (вследствие меньшего числа элементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижными нагрузками. Весьма эффективно применение комбинированных систем при уси­лении конструкций, например, подкрепление балки, при недоста­точной ее несущей способности, шпренгелем или подкосами.

В зависимости оточертания поясов фермы подразделяют на сегментные, полигональные, трапецеидальные, с параллельными поясами и треугольные (рис.).

Наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов. Для одно­пролетной балочной системы с равномерно распределенной нагруз­кой это сегментная ферма с параболическим поясом (рис. а). Однако криволинейное очертание пояса повышает трудоемкость изготовления, поэтому такие фермы в настоящее время практически не применяют.

Более приемлемым является полигональное очертание (рис. б) с переломом пояса в каждом узле. Оно достаточно близко соответст­вует параболическому очертанию эпюры моментов, не требует изго­товления криволинейных элементов. Такие фермы иногда применя­ют для перекрытия больших пролетов и в мостах.

а - сегментное; б - полигональное; в - трапецеидальное; г - с параллельными поясами; д, е, ж, и - треугольное

Рис. Очертания поясов ферм:

Фермы трапецеидального очертания (рис. в) имеют конструктивные пре­имущества прежде всего за счет упрощения узлов. Кроме того, при­менение таких ферм в покрытии позволяет устроить жесткий рам­ный узел, что повышает жесткость каркаса.

Фермы с параллельными поясами (рис. г) имеют равные длины элементов решетки, одинаковая схема узлов, наибольшая повторяемость элементов и деталей и возможность их унификации, что способствует индустриализации их изготовления.

Фермы треугольного очертания (рис. д, е, ж, и) рациональ­ны для консольных систем, а также для балочных систем при сосре­доточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы). При распределенной нагрузке треугольные фермы имеют повышен­ный расход металла. Кроме того, они имеют ряд конструктивных недостатков. Острый опорный узел сложен и допускает только шарнирное сопряжение с колоннами. Средние раскосы получаются чрезвычайно длинными, и их сечение приходится подбирать по пре­дельной гибкости, что вызывает перерасход металла.

По способу соединения элементов в узлах фермы подразделяют на сварные и болтовые. В конструкциях, изготовленных до 50-х го­дов, применялись также клепаные соединения. Основными типами ферм являются сварные. Болтовые соединения, как правило, на вы­сокопрочных болтах применяют в монтажных узлах.

По величине максимальных усилий условно различают легкие фермы с сечениями элементов из простых прокатных или гнутых профилей (при усилиях в стержнях N < 3000 кН) и тяжелые фермы с элементами составного сечения (N > 3000 кН).

Эффективность ферм может быть повышена при создании в них предварительного напряжения.

Системы решеток ферм

Системы решетки, применяемые в фермах, показаны на рис.

а - треугольная; б - треугольная со стойками; в, г - раскосная; д - шпренгельная; е - кресто­вая; ж - перекрестная; и - ромбическая; к - полураскосная

Рис. Системы решеток ферм

Выбор типа решетки зависит от схемы приложения нагрузок, очертания поясов и конструктивных требований. Для обеспечения компактности узлов угол между раскосами и поясом желательно иметь в пределах 30...50 0 .

Треугольная система решетки (рис. а) имеет наименьшую суммарную длину элементов и наименьшее число узлов. Различают фермы с восходящими и нисходящими опорными раскосами.

В местах приложения сосредоточенных нагрузок (например, в местах опирания прогонов кровли) можно установить дополнительные стойки или подвески (рис. б). Эти стойки служат также для уменьшения расчетной длины пояса. Стойки и подвески работают только на ме­стную нагрузку.

Недостатком треугольной решетки является наличие длинных сжатых раскосов, что требует дополнительного расхода стали для обеспечения их устойчивости.

В раскосной решетке (рис. в, г) все раскосы имеют усилия одного знака, а стойки - другого. Раскосная решетка более металлоемка и трудоемка по сравнению с треугольной, так как общая длина эле­ментов решетки больше и в ней больше узлов. Применение раскос­ной решетки целесообразно при малой высоте ферм и больших уз­ловых нагрузках.

Шпренгельную решетку (рис. д) применяют при внеузловом приложении сосредоточенных нагрузок к верхнему поясу, а также при необходимости уменьшения расчетной длины пояса. Она более трудоемка, но может обеспечить снижение рас­хода стали.

Крестовую решетку (рис. е) применяют при действии нагрузки на ферму как в одном, так и в другом направлении (например, ветровая нагрузка). В фермах с поясами из тавров можно применить перекрестную решетку (рис. ж) из одиночных уголков с креплением рас­косов непосредственно к стенке тавра.

Ромбическая и полураскосная решетки (рис. и, к) благодаря двум системам раскосов обладают большой жесткостью; эти системы применяют в мостах, башнях, мачтах, связях для уменьшения расчетной длины стержней.

Типы сечений стержней ферм

По расходу стали для сжатых стержней ферм наиболее эффек­тивным является тонкостенное трубчатое сечение (рис. а). Круг­лая труба обладает наиболее благоприятным для сжатых элементов распределением материала относительно центра тяжести и при рав­ной с другими профилями площади сечения имеет наибольший ра­диус инерции (i ≈ 0,355d), одинаковый во всех направлениях, что позволяет получить стержень наименьшей гибкости. Применение труб в фермах дает экономию стали до 20...25 % .

Рис. Типы сечений элементов легких форм

Большим преимуществом круглых труб является хорошая обте­каемость. Благодаря этому ветровое давление на них меньше, что особенно важно для высоких открытых сооружений (башен, мачт, кранов). На трубах мало задерживается иней и влага, поэтому они более стойки против коррозии, их легко очищать и окрашивать. Все это повышает долговечность трубчатых конструкций. Для предот­вращения коррозии внутренние полости трубы следует герметизиро­вать.

Прямоугольные гнуто-замкнутые сечения (рис. б), позволяют упростить узлы сопряже­ния элементов. Однако, фер­мы из гнутозамкнутых профилей с бесфасоночными узлами требуют высокой точности из­готовления и могут быть выполнены только на специализированных заводах.

До последнего времени легкие фермы проектировали в основном из двух уголков (рис. в, г, д, е). Такие сечения имеют большой диапазон площадей, удобны для конструирования узлов на фасонках и прикрепления примыкающих к фермам конструкций (прогонов, кровельных панелей, связей). Существенным недостатком такой конструктивной формы являются; большое количество элементов с различными типоразмерами, значительный расход металла на фа-сонки и прокладки, высокая трудоемкость изготовления и наличие щели между уголками, что способствует коррозии. Стержни с сечением из двух уголков, составленных тавром, не эф­фективны при работе на сжатие.

При относительно небольшом усилии стержни ферм можно вы­полнять из одиночных уголков (рис. ж). Такое сечение проще в изготовлении, особенно при бесфасоночных узлах, поскольку имеет меньше сборочных деталей, не имеет щелей, закрытых для очистки и окраски.

Использование для поясов ферм тавров (рис. и) позволяет значительно упростить узлы. В такой ферме уголки раскосов и стоек можно приварить непосредственно к стенке тавра без фасонок. Это в два раза уменьшает количество сборочных деталей и снижает тру­доемкость изготовления:

Если пояс ферм работает, помимо осевого усилия, и на изгиб (при внеузловой передаче нагрузки), рационально сечение из дву­тавра или двух швеллеров (рис. к, л).

Весьма часто сечения элементов фермы принимают из разных видов профилей: пояса из двутавров, решетка из гнутозамкнутых профилей, или пояса из тавров, решетка из парных или одиночных уголков. Такое комбинированное решение оказывается более рацио­нальным.

Сжатые элементы ферм следует проектировать равноустойчивыми в двух взаимно перпендикулярных направлениях. При одинако­вых расчетных длинах l x = l y этому условию отвечают сечения из круглых труб и квадратных гнутозамкнутых профилей/.

В фермах из парных уголков близкие радиусы инерции (i x ≈ i y) имеют неравнополочные уголки, поставленные большими полками вместе (рис. г). Если расчетная длина в плоскости фермы в два раза меньше, чем из плоскости (например, при наличии шпренгеля), рационально сечение из неравнополочных уголков, составленных вместе малыми полками (рис. д), так как в этом случае i y ≈ 2i x .

Стержни тяжелых ферм отличаются от легких более мощными и развитыми сечениями, составленными из нескольких элементов (рис.).

Рис. Типы сечений элементов тяжелых ферм

Определение расчетной длины стержней фермы

Несущая способность сжатых элементов зависит от их расчетной длины:

l ef = μ× l , (1)

где ц - коэффициент приведения длины, зависящий от способа за­крепления концов стержня;

l - геометрическая длина стержня (расстояние между центрами узлов или точками закрепления от смещения).

Заранее мы не знаем, в каком направлении произойдет выпучи­вание стержня при потере устойчивости: в плоскости фермы или в перпендикулярном направлении. Поэтому для сжатых элементов необходимо знать расчетные длины и проверить устойчивость в обо­их направлениях. Гибкие растянутые стержни могут провисать под действием собственного веса, их легко повредить при транспорти­ровке и монтаже, а при действии динамических нагрузок они могут вибрировать, поэтому их гибкость ограничена. Для проверки гибкости необходимо знать и расчетную длину растянутых стержней.

На примере стропильной фермы производственного здания с фонарем (рис.) рассмотрим приемы определения расчетных длин. Возможное искривление поясов фермы при потере устойчиво­сти в ее плоскости может произойти между узлами (рис. а).

Поэтому расчетная длина пояса в плоскости фермы равна расстоя­нию между центрами узлов (μ = 1). Форма потери устойчивости из плоскости фермы зависит от того, в каких точках пояс закреплен от смещения. Если по верхнему поясу уложены жесткие металлические или железобетонные панели, приваренные или закрепленные к поя­су на болтах, то ширина этих панелей (как правило, равная расстоя­нию между узлами) и определяет расчетную длину пояса. Если в ка­честве кровельного покрытия используется профилированный на­стил, прикрепленный непосредственно к поясу, то пояс закреплен от потери устойчивости по всей длине. При кровле по прогонам расчетная длина пояса из плоскости фермы равна расстоянию между прогонами, закрепленными от смещения в горизонтальной плоско­сти. Если прогоны не закре­пили связями, то они не могут пре­пятствовать смещению пояса фермы и расчетная длина пояса будет равна всему пролету фермы. Для того что­бы прогоны обеспечивали закрепле­ние пояса, необходимо поставить горизонтальные связи (рис. б)и связать с ними прогоны. На уча­стке покрытия под фонарем необходимо поставить распорки.

а - деформации верхнего пояса при потере устойчивости в плоскости фер­мы; б, в - то же, из плоскости фермы; г - деформации решетки

Рис. К определению расчет­ных длин элементов ферм

Таким образом, расчетная длина пояса из плоскости фермы в общем случае равна расстоянию между точками, закрепленными от смеще­ния. Элементами, закрепляющими пояс, могут служить кровельные па­нели, прогоны, связи и распорки. В процессе монтажа, когда элементы кровли еще не установлены для за­крепления фермы, из их плоскости могут использоваться временные связи или распорки.

При определении расчетной длины элементов решетки мо­жно учесть жесткость узлов. При потере устойчивости сжатый элемент стремится повер­нуть узел (рис.г). Примыкающие к этому узлу стержни сопротивляются изгибу. Наибольшее со­противление повороту узла оказывают растянутые стержни, по­скольку их деформация от изгиба ведет к сокращению расстояния между узлами, между тем как от основного усилия это расстояние должно увеличиваться. Сжатые же стержни слабо сопротивляются изгибу, так как деформации от поворота и осевого усилия направле­ны у них в одну сторону и, кроме того, они сами могут терять ус­тойчивость. Таким образом, чем больше растянутых стержней при­мыкает к узлу и чем они мощнее, т.е. чем больше их погонная жест­кость, тем больше степень защемления рассматриваемого стержня и меньше его расчетная длина. Влиянием сжатых стержней на защем­ление можно пренебречь.

Сжатый пояс слабо защемлен в узлах, поскольку погонная жест­кость растянутых элементов решетки, примыкающих к узлу, невели­ка. Поэтому при определении расчетной длины поясов мы не учитывали жесткость узлов. Аналогично и для опорных раскосов и стоек. Для них расчетные длины, как и для поясов, равны геометрической, т.е. расстоянию между центрами уз­лов.

Для прочих элементов решетки принимается следующая схема. В узлах верхнего пояса большинство элементов сжаты и мера защемления мала. Эти узлы можно считать шарнирными. В узлах нижнего пояса большинство сходящихся в узле элементов растяну­ты. Эти узлы являются упругозащемленными.

Степень защемления зависит не только от знака усилий стерж­ней, примыкающих к сжатому элементу, но и от конструкции узла. При наличии фасонки, ужесточающей узел, защемление больше, поэтому, согласно нормам, в фермах с узловыми фасонками (например, из парных уголков) расчетная длина в плоскости фермы равна 0,8×l , а в фермах с примыканием элементов впритык, без узло­вых фасонок - 0,9×l .

При потере устойчивости из плоскости фермы степень защемле­ния зависит от крутильной жесткости поясов. Фасонки из своей плоскости гибкие и могут рассматриваться как листовые шарниры. Поэтому в фермах с узлами на фасонках расчетная длина элементов решетки равна расстоянию между узлами l 1 . В фермах с поясами из замкнутых профилей (круглых или прямоугольных труб), имею­щих высокую крутильную жесткость, коэффициент приведения рас­четной длины может быть принят равным 0,9.

В таблице приведены расчетные длины элементов для наиболее распространенных случаев плоских ферм.

Таблица - Расчетные длины элементов ферм

Примечание. l -геометрическая длина элемента (расстояние между центрами узлов); l 1 - расстояние между центрами узлов, закрепленных от смещения из плоскости фермы (поясами ферм, связями, плитами покрытия и т.д.).

Подбор сечения сжатых и растянутых элементов

Подбор сечения сжатых элементов

Подбор сечений сжатых элементов ферм начинается с определения требуемой площади из условия устойчивости

, (2)

.

1) Предварительно можно принять для поясов легких ферм l = 60 - 90 и для решетки l = 100 - 120. Большие значения гиб­кости принимаются при меньших усилиях.

2) По требуемой площади подбирают из сортамента подходящий профиль, определяют его фактические геометрические характеристики A, i х, i y .

3) Находят l х = l x /i x и l y =l y /i y , по большей гибкости уточняют коэффици­ент j.

4) Делают проверку устойчивости по формуле (2).

Если гиб­кость стержня предварительно была задана неправильно и проверка показала перенапряжение или значительное (больше 5-10 %) недонапряжение, то проводят корректировку сечения, принимая проме­жуточное между предварительно заданной и фактической значение гибкости. Обычно второе приближение достигает цели.

Примечание. Местную устойчивость сжатых элементов, выполненных из про­катных сечений, можно считать обеспеченной, поскольку из усло­вий прокатки толщина полок и стенок профилей больше, чем требу­ется из условий устойчивости.

При выборе типа профилей нужно помнить, что рациональным является сечение, имеющее одинаковые гибкости как в плоскости, так и из плоскости фермы (принцип равноустойчивости), поэтому при назначении профилей необходимо обратить внимание на соотношение рас­четных длин. Например, если проектируем ферму из уголков и расчетные длины элемента в плоскости и из плоскости одинаковы, то рационально выбрать неравнополочные уголки и поставить их большими полками вместе, так как в этом случае i x ≈ i y , и при l x = l y λ x ≈ λ y . Если расчетная длина из плоскости l y в два раза больше расчетной длины в плоскости l x (например, верхний пояс на участке под фонарем), то более рациональным будет сечение из двух неравнополочных уголков, поставленных вместе малыми полками, так как в этом случае i x ≈ 0,5×i y и при l x =0,5×l y λ x ≈ λ y . Для элемен­тов решетки при l x =0,8×l y наиболее рациональным будет сечение из равнополочных уголков. Для поясов ферм лучше запроектировать сечение из неравнополочных уголков, поставленных вместе меньшими полками, чтобы при подъ­еме фермы обеспечить большую жесткость из плоскости.

Подбор сечения растянутых элементов

Требуемую площадь сечения растянутого стержня фермы определяем по формуле

. (3)

Затем по сортаменту выбирают профиль, имеющий ближайшее большее значение площади. Проверка принятого сечения в этом случае не требуется.

Подбор сечения стержней по предельной гибкости

Элементы ферм следует проектировать, как правило, из жестких стержней. Особенно существенное значение жесткость имеет для сжатых элементов, предельное состояние которых определяется по­терей устойчивости. Поэтому для сжатых элементов ферм в СНиПе установлены требования по предельной гибкости более жесткие, чем в зарубежных нормативных документах. Пре­дельная гибкость для сжатых элементов ферм и связей зависит от назначения стержня и степени его загруженности: , где N - расчетное усилие, j×R y ×g c - несущая способность.

Растянутые стержни также не должны быть слишком гибкими, особенно при воздействии динами­ческих нагрузок. При статических нагрузках гибкость растянутые элементов ограничивается только в вертикальной плоскости. Если растянутые элементы предварительно напряжены, то их гибкость не ограничивается.

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

Зная расчетную длину стержня l ef и значение предельной гиб­кости l пр, определяем требуемый радиус инерции i тр = l ef / l тр. По нему в сортаменте выбираем сечение, имеющее наименьшую площадь.

СТРОПИЛЬНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ

ФЕРМЫ В ПОКРЫТИЯХ ЗДАНИЙ

Стропильные фермы. Общие положения.

Покрытия й в своей основе состоят из стропильных и подстропильных конструкций, прогонов, фонарных световых конструкций (при необходимости), связей и ограждающих конструкций кровли. Наиболее широкое распространение в покрытиях промышленных зданий, ангаров, складов, спортивных комплексов, торговых центров, где требуется перекрытия больших пролетов, получили стальные стропильные фермы. Фермы экономичны по затратам металла и просты в изготовлении, им довольно легко можно придать любую форму в соответствии с заданными условиями архитектуры, технологией производства, требованиями расчетной работы под нагрузкой.

Стропильная ферма представляет собой решетчатую конструкцию, воспринимающую нагрузки от кровельного покрытия, перекрывающая поперечный пролет здания и опирающаяся на несущие элементы этого здания (колонны, стены). При разряженной сетке колонн, где расстоянии в продольном направлении 12 и более метров, между колоннами вдоль здания устанавливают дополнительные фермы, которые служат опорой для промежуточных стропильных ферм. Такие дополнительные фермы называются – подстропильными. Стропильные и подстропильные фермы различаются по очертанию поясов, видам решетки, марки прокатного профиля. Окончательный выбор типа фермы зависит от назначения здания, профиля кровли, системы водоотведения, климатического района, материала покрытия, и экономических факторов.

Типы стропильных ферм

Стропильные фермы различают по очертанию поясов, виду решетки и типу сечения стержней ферм.

— Очертания ферм зависят от назначения здания и принимаются в соответствии с проектной конструкцией сопряжения с примыкающими элементами, статистической схемой и видом нагрузок, условиями эксплуатации и типом покрытия кровли. В зависимости от очертания поясов, фермы подразделяются на сегментные, полигональные, трапецеидальные, с параллельными поясами и треугольные.

— Фермы треугольного очертания – применяются в консольных и балочных системах при сосредоточенной нагрузке в середине пролета, а так же в зависимости от условия эксплуатации при необходимости задать значительный уклон кровли. Треугольные фермы обладают рядом существенных недостатков, а именно сложность конструктивного исполнения опорного узла, что допускает только шарнирное сопряжение фермы с колонной, при котором снижается поперечная жесткость здания. Стержни решетки в средней части фермы получаются слишком длинные, их сечение подбирается по предельной гибкости, что в итоге приводит к перерасходу металла.

— Фермы с параллельными поясами — обладают равными длинами элементов решетки, одинаковыми схемами узлов, повторяемостью элементов и деталей, что позволяет унифицировать такую конструктивную схему, и способствует индустриализации их изготовления. В настоящий момент за счет своих преимуществ фермы с параллельными поясами получили наиболее широкое распространение и являются основным типом в покрытиях зданий. Однако стоит отметить, что по своему очертанию они далеки от эпюры моментов и по расходу стали не экономичны.

— Сегментные фермы – криволинейное очертание пояса полностью повторяет эпюру моментов, что в теории позволяет изготовить такую ферму со значительной экономией по расходу стали, но сложность изготовления такой конструкции повышает трудоемкость производства, в связи с чем, практически не применяются.

— Фермы полигонального очертания – достаточно близко соответствуют параболическому очертанию эпюры моментов, с переломом пояса в каждом узле, но без применения криволинейных участков. Применяются в основном только для конструирования тяжелых ферм больших пролетов и мостовых конструкциях.

— Фермы трапецеидального очертания – по сравнению с треугольными, имеют преимущества в более простой конструкции узлов, а также позволяют устроить жесткий рамный узел, что повышает жесткость всего каркаса здания. Решетки таких ферм не имеют длинных стержней в середине пролета, и своей формой ближе к очертанию эпюры моментов.

Типы решеток ферм – выбираются в зависимости от схемы приложения нагрузок, очертания поясов и конструктивных требований. От типа выбранной решетки зависит вес фермы, трудоемкость ее изготовления и внешний вид.

— Треугольная система решетки – применяется в фермах с параллельными поясами или трапецеидального очертания, дает наименьшую суммарную длину решетки и наименьшее число узлов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры. Различаются фермы с восходящими и нисходящими опорными раскосами. Недостатком данной системы является наличие длинных сжатых раскосов, что требует дополнительного расхода стали для достижения расчетной устойчивости.

— Раскосная система решетки – наиболее целесообразное ее применение при малой высоте ферм, а так же при условии, когда по стойкам передаются большие усилия. Изготовление раскосной решетки трудоемкое и требует большого расхода металла. Путь усилия от узла с приложенной нагрузкой до опоры длинный, идет через все узлы и стержни решетки, поэтому при проектировании по максимуму закладывается, чтобы наиболее длинные элементы – раскосы — были растянуты, а стойки – сжатыми.

— Шпренгельная решетка – применяется в случае сосредоточения нагрузок к верхнему поясу при их вне узловом приложении, а так же при необходимости уменьшения длины расчетного пояса. Устройство шпренгельной решетки дает возможность получить оптимальное расстояние между элементами поперечных конструкций при рациональном соблюдении угла наклона раскосов, с возможностью уменьшения расчетной длины сжатых стержней. В стропильных фермах шпренгельная решетка позволяет сохранить нормальное расстояние между прогонами, удобное для поддержания элементов кровли, либо позволяет заложить промежуточный узел необходимый для опирания крупнопанельного настила кровли. Устройство шпренгельной решетки трудоемко, и в некоторых случаях требует дополнительного расхода металла. Если нагрузка на ферму действует в обоих направлениях, то целесообразно использовать крестовую решетку. В фермах с поясами, выполненными из тавров возможно применение перекрестной решетки, где раскосы крепятся непосредственно к стенке тавра.

— Ромбическая и полураскосная решетка – обладают большой жесткостью благодаря взаимодействию двух систем раскосов, оптимальны при работе конструкций на большие поперечные силы. В основном применяются в мостах, мачтах, башнях, связях и где требуется большая высота ферм.

Сечение стержней ферм – выбор определяется в основном назначением и конструкцией фермы. Стропильные фермы проектируют из парных горячекатаных уголков, из прямоугольных электросварных профилей, швеллеров, круглых труб, с поясами из тавров и широкополочных двутавров, в некоторых случаях возможно применение ферм из одиночных уголков.

Наиболее распространенный вид сечения элементов ферм — парные уголки, применяются во всех климатических районах в сочетании с легкими и тяжелыми ограждающими конструкциями, при пролетах зданий 18-42м. Такое решение, удобно для конструирования узлов на фасонках и узлов примыкания прогонов, покрытий и связей, обладает широкими возможностями при проектировании по подбору типа фермы, а так же разнообразием выбора площадей сечения элементов. Однако большое число дополнительных элементов (косынок, фасонок, накладок) увеличивает расход стали и трудозатраты на изготовление.

Более рациональным конструктивным решением, позволяющим снизить массу, трудоемкость изготовления и монтажа металлоконструкций, является применение в конструкции стропильных ферм круглых труб или прямоугольных гнутозамкнутых профилей. Экономия достигается благодаря рациональной форме профиля и безфасоночным соединениям элементов решетки с поясом фермы. Большим преимуществом трубчатых стержней так же является их равноустойчивость в двух плоскостях, хорошая обтекаемость, удобство окраски в эксплуатации и стойкость против коррозии.

Оптимальное конструкторское решение стропильной фермы – пояса из тавров с решеткой из горячекатаных уголков. Область применения такая же как и у ферм из парных уголков, но за счет крепления уголков на стенке тавров позволяет обойтись без фасонок, соответственно сокращается объем стали и упрощается процесс изготовления.

Особенности расчета и схемы стропильных ферм

Схемы ферм достаточно разнообразны и зависят от технологических условий эксплуатации здания, конструкции кровли, технико-экономических и архитектурных соображений. На основе этих данных определяется длина пролета, высота фермы, очертания пояса, величина уклона и т.д. При малоуклонных кровлях применяются фермы трапециевидного очертания для кровли уклоном 5-10% и с параллельными поясами для кровель, не заполняемых водой при уклоне 2,5%, решетка малоэлементная, простой формы. Кровли с большим уклоном проектируются из треугольных ферм или двухскатных с параллельными поясами. В многопролетных зданиях с наружным отводом воды в основном используются односкатные фермы.

При расчете в стропильных фермах определяются усилия в узлах и стержнях ферм в зависимости от нагрузок. На фермы действует несколько нагрузок для каждой, из которой необходимо определять усилия:

– в которую входит собственный вес фермы, вес прогонов, кровельного покрытия и утеплителя, фонарей, связей по покрытию;

– от подвесного подьемно-транспортного оборудования, подвесных коммуникаций и оборудования, осветительных установок, вентиляции и т.п., при больших пылевыделениях учитывается нагрузка от пыли;

атмосферные нагрузки – снег, ветер. Снеговые нагрузки при расчете элементов покрытия являются основными, определяющими размеры сечения, особенно при легкой кровле. В некоторых случаях доля снеговой нагрузки в расчетных усилиях достигает 60-70%.

Генеральные размеры ферм – длина и высота. Длина пролета ферм оговаривается в техзадании и определяется эксплуатационными требованиями и компоновкой здания. Оптимальная высота принимается из условия наименьшего веса фермы с учетом обеспечения необходимой жесткости и возможности транспортировки укрупненных элементов, так же высота фермы может назначаться исходя из условия необходимости размещения техкоммуникаций в межферменном пространстве.

«ПРОМЫШЛЕННЫЕ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ»

«Промметкон»

ассоциация производителей металлоконструкции