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.

Далее указаны допустимые нагрузки на металлические фермы:

Этап производства фермы предваряет подготовка чертежа с точными размерами. Таким образом, проще приобрести необходимый объем материалов, меньше времени потребуется на сборку и подготовку. Кроме того, подобный подход позволяет следить за соблюдением размеров при монтаже и проверить их на собранном сооружении.

Основы расчета металлической фермы

Для вычисления длины и других габаритов металлической фермы выбирают форму крыши, размеры всей конструкции. Далее устанавливают размеры кровли, количество, форму и шаг между фермами.

Тип ферм подбирается под кровлю, а форма последней зависит от назначения и места расположения постройки. Односкатные металлические фермы обычно бывают консольными и примыкающими к дому, тогда как отдельно стоящие навесы снабжают полигональными, треугольными, сегментными конструкциями, арками. У беседок нередко бывает крыша с шестью и более скатами или кровля фантазийной конструкции с нестандартными фермами.

В любом случае важно рассчитать нагрузку на всю кровлю и одну ферму, отталкиваясь от веса снежного покрова, кровельного покрытия, обрешетки и самих металлических конструкций. Точные расчеты лучше доверить специалисту, который будет опираться на СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85», а также на СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81».

Расчеты осуществляют по методу вырезания узлов, то есть участков, где стержни соединены шарнирно – именно этот подход применяется современными компьютерными программами. Либо используют метод Риттера, метод замены стержней Геннеберга.

Не так сложно изготовить металлическую ферму в виде трапеции или треугольника. Имея навыки сварки и монтажа, можно своими силами собрать навес или беседку. Но чтобы сделать большой навес с фермами от 10 м длиной, нужен проект, подготовленный специалистами.

Влияние угла наклона

Конструкция фермы больше всего зависит от угла наклона скатов. Данную характеристику выбирают в соответствии с формой кровли и размещением будущей конструкции. Если речь идет о навесе, примыкающем к зданию, требуется более отвесная кроля, чтобы обеспечить быстрое скатывание снега и сток воды. Для одиночных построек подойдет относительно пологая крыша.

Еще одним важным фактором при выборе угла наклона является количество выпадающих в регионе осадков: чем их больше, тем больше нужен угол. Дело в том, что на крутой кровле 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. При этом 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 прибегают к треугольным конструкциям. Иногда они могут иметь ломаный нижний пояс, позволяющий уменьшить вес металлической фермы.

Параметры базовых углов

Чтобы не ошибиться при расчете числа отдельных составляющих конструкции и их длины, важно вычислить базовые углы между элементами. Нижний пояс располагается перпендикулярно опорам, наклон верхнего пояса к горизонтали зависит от угла наклона кровли. Для раскосов оптимальным считается угол наклона к горизонтали/вертикали 45°, тогда как стойки монтируются только вертикально.

Угол наклона кровли задается проектом или его находят, отталкиваясь от 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.

Имея определенный угол наклона кровли, можно узнать, какой длины должны быть заготовки для самой фермы, ведь данные сведения очень важны для качественного монтажа.

Изготовление и монтаж металлических ферм

Металлоконструкции изготавливают сразу на строительном участке или в отдельном производственном цехе. Данный этап предполагает сборку готовых элементов, таких как стойки, раскосы, пояса. Иногда в них могут заранее подготовить монтажные отверстия, чтобы упростить и ускорить работы на объекте. Если отверстия не предусмотрены, крепление металлической фермы осуществляют при помощи струбцин и только потом надежно фиксируют все элементы.

Результаты сборки должны полностью совпадать с предварительно подготовленными чертежами.

Для скрепления деталей металлической фермы могут использоваться такие подходы:

С помощью болтов. Данный способ считается самым простым, поэтому к нему прибегают чаще всего. С его помощью удается быстро устанавливать фахверки, прогоны, связи и остальные компоненты конструкции. Надежность соединения во многом зависит от натяжения болтов. Обычно в этом случае параллельно работает пара монтажников, пользуясь пневмоинструментом и специальными ключами с рукоятками.

Путем сварки. К сварке на производстве прибегают, если необходимо соединение высокой прочности. Детали металлической фермы предварительно скрепляются друг с другом монтажными болтами, а наиболее ответственные узлы фиксируются заклепками.

После того как собраны отдельные элементы, вся стропильная система или ее части отправляются на участок сборки. Конструкцию монтируют на заранее подготовленное основание, то есть зацементированные и скрепленные колонны.

Остов поднимают при помощи стрелочного крана. Чтобы избежать раскачивания конструкции, прибегают к помощи ручных парных растяжек, которые также позволяют корректировать движение фермы. Систему фиксируют временными соединениями и переходят к основательному крепежу. Стропы снимают, когда надежно затянуто не менее половины креплений.

Особенности сборки конструкции во многом зависят от характеристик основания. Если в качестве последнего выбраны железобетонные колонны или кирпичные стены, элементы закрепляют анкерными болтами. Когда длина фермы превышает 10 м, то при расчете крышу рассматривают как спаренную систему. То есть стропильные ноги и перемычки состоят из двух частей, а сборка производится сразу на объекте.

Установка стропильной фермы требует соблюдения правил техники безопасности:

• В работе могут быть задействованы лишь высококвалифицированные высотники и стропальщики с необходимым для этого допуском.
• Перед началом монтажа все участники проходят инструктаж по технике безопасности.
• Персонал может трудиться только в специальной экипировке, включающей в себя каску, рукавицы, монтажный пояс, спецодежду в соответствии с сезоном.

Сегодня очень распространено изготовление металлических ферм, поскольку такие конструкции обладают целым списком достоинств. Их производство не требует больших временных затрат, готовое изделие легко устанавливается, долго выполняет свои функции, при этом устойчиво к внешним воздействиям. Фермы по праву считаются технологическим достижением современного производства в строительной сфере.

Стоимость изготовления металлических ферм

В частном строительстве нередко прибегают к использованию конструкций из профилированных труб, поскольку они имеют малый вес и могут монтироваться прямо на месте.

Стоимость производства металлических ферм зависит от их сложности и особенностей установки, но наиболее важными являются следующие характеристики конструкции:

• форма;
• размеры;
• вид и необходимый для изготовления фермы объем металлопроката.

Качество и срок службы строения связаны как с отдельными элементами, так и с соблюдением норм в процессе монтажа. Стоимость установки ферм зависит от таких особенностей:

• Вид сооружения и уровень его сложности. Допустим, строительство гаража и торгового комплекса требуют от специалистов разных навыков.
• Площадь постройки. Затраты на изготовление и установку конструкции снижаются с увеличением ее общей площади.
• Местоположение объекта. Речь идет об административном расположении стройки и затратах на перевозку техники и мастеров к объекту.
• Срочность выполнения заказа. Если требуется как можно более быстрое изготовление ферм и сборка всего строения, не обойтись без введения посменного графика, привлечения дополнительного оборудования, работников.

Все перечисленные нюансы могут значительно увеличить сумму, в которую обойдется производство, монтаж металлических ферм и завершение проекта.

Изготовление ферм является достаточно простой задачей, если предварительно был грамотно подготовлен чертеж, а также обеспечена качественная сборка. Не менее важную роль играет и желание мастера выполнить все процедуры аккуратно, без ошибок.