Проектирование и расчет металлических ферм всех разновидностей

Материалы для профильных труб

Для изготовления профильных труб, которые могут использоваться в конструкциях ферм, применяют различные металлы и сплавы:

  • в общем случае – углеродистые стали обыкновенного качества;
  • для ответственных конструкций – качественные углеродистые, низколегированные, реже – коррозионностойкие стали;
  • для эксплуатации в средах повышенной агрессивности – из углеродистой стали, покрытой защитным цинковым слоем (оцинкованной);
  • при необходимости создания легких ферменных конструкций – легкие и прочные сплавы на основе алюминия.

В продажу трубные изделия малых сечений поступают отрезками длиной до 6 м, больших – до 12 м. Толщину стенки и размер сечения выбирают, в зависимости от планируемых нагрузок:

  • для пролетов не более 4,5 м – 40х20 мм с толщиной стенки 2 мм;
  • 4,5-5,5 м – 40х40 мм с толщиной стенки 2 мм;
  • более 5,5 м – 40х40х3 мм или 60х30 со стенкой 2-3 мм.

https://www.youtube.com/watch?v=upload

Для производства профильного проката, использующегося при изготовлении ферменных систем, подойдут и сплавы, а именно:

  • углеродистые стали со стандартными показателями качества (для    обычного использования);
  • высококачественные углеродистые, низколегированные или в редких    случаях коррозионностойкие стальные сплавы (для возведения ответственных сооружений);
  • оцинкованные углеродистые металлы (для строительства в агрессивной    среде);
  • прочные алюминиевые сплавы (для конструирования облегченных ферм).

Трубы с небольшим диаметром поступают в продажу отрезками до 6 м в длину, тогда как изделия с большим сечением – до 12 м. Показатель толщины стенок и показатель диаметра определяется, исходя из планируемого назначения и предполагаемой интенсивности нагрузок:

  • прямоугольный профиль 40х20 мм с показателем толщины стенок 2 мм используется для пролетов до 4,5 м;
  • квадратные изделия 40х40 мм с коэффициентом толщины стенки 2 мм для конструирования пролетов от 4,5 до 5,5 м;
  • изделия с квадратным сечением (40х40 мм и толщиной стенок 3 мм) или прямоугольный профиль (40х20 мм с толщиной стенок 2 мм) для изготовления конструкций более 5,5 м.

Разновидности ферменных конструкций из профильной трубы

Конструкция фермы состоит из верхнего, нижнего поясов и решетки, установленной между ними. Среди прочих элементов ферменных сооружений также следует отметить:

  • стойку, которая располагается перпендикулярно к оси;
  • подкосы (или раскосы), устанавливающиеся под уклоном к оси;
  • вспомогательные раскосы (шпренгели).

Существуют разные формы ферменных конструкций:

  1. Односкатные треугольные аналоги (способны выдерживать повышенные нагрузки с учетом небольшой материалоемкости).
  2. Двускатные треугольные системы (предназначены для установки на кровлях с сильным уклоном, однако обладают существенным недостатком – повышенным расходом материала и конструктивной сложностью узлов опоры).
  3. Сегментные изделия (применяются в качестве основы для кровель с пропускающими свет покрытиями, к примеру, монолитным или сотовым поликарбонатным сырьем).
  4. Полигональные фермы (отличаются сложностью установки, способны выдержать интенсивные нагрузки, существенно сокращают расход материала).
  5. Варианты с прозрачными поясами (считаются наиболее экономичными конструкциями, состоят из раскосов и стоек одинакового размера, легко устанавливаются и подходят для крыш из пропускающих свет или мягких материалов).
  6. Трапециевидные изделия (похожи на полигональные конструкции, но с более простой схемой монтажа).
  7. Арочные фермы с верхним и нижним поясом, расположенными параллельно друг другу (используются при возведении теплиц, беседок или навесов для автостоянок).

Проектирование и расчет металлических ферм всех разновидностей

Существуют следующие разновидности решетчатых конструкций:

  • в форме треугольника – предназначены для поясных каркасов, расположенных параллельно или, в редких случаях, в трапециевидных и треугольных фермах;
  • раскосного вида (полураскосные или шпрегельные разновидности), для которых характерны повышенные затраты материалов и сложность форм;
  • индивидуальные эскизы, разрабатываемые в соответствии с личными предпочтениями заказчика.

Ферменная конструкция перекрытия представляет собой ответственный элемент, поэтому следует тщательно провести расчеты и на их базе составить проект. Чтобы обеспечить максимально качественный результат, следует привлечь специалиста, ведь от пропорциональности изделия зависит функциональность не только кровли, но и всего строения в целом. Для проектирования небольших строений, как правило, используется соответствующее программное обеспечение, к примеру, «Автокад», 3D MAX, Arcon.

В состав ферменной конструкции входят верхний и нижний пояса и решетка, располагаемая между ними. Составными компонентами решетки являются:

  • стойка – располагается перпендикулярно оси;
  • раскос (подкос) – устанавливается под наклоном к оси;
  • шпренгель – вспомогательный раскос.

Пояса ферм могут иметь различные очертания:

  • Треугольное односкатное. Для треугольной односкатной фермы из профильной трубы характерно сочетание способности выдерживать высокие нагрузки с небольшой материалоемкостью.
  • Треугольное двускатное. Такие конструкции могут устанавливаться на кровлях с большим уклоном скатов. Минусы: сложность устройства опорных узлов, большой расход материала. Конструктивный вариант – треугольные двускатные фермы из профильной трубы.
  • Сегментное. Часто применяется для сооружения кровель со светопрозрачным покрытием из сотового или монолитного поликарбоната.
  • Полигональное. Отличается сложностью монтажа. Преимущество – способность выдерживать значительные нагрузки от тяжелого настила и мощного снегового покрова. Дополнительный плюс – экономное использование профиля.
  • С параллельными поясами. Это наиболее простой и экономичный вариант, для сборки которого используются стойки и раскосы одинаковых размеров. Фермы из профильной трубы с параллельными поясами легко монтировать, благодаря унифицированной конструкции, большому количеству деталей одного размера и минимальному количеству стыков. Подходят для мягких и светопрозрачных кровель.
  • Трапециевидное. Сходно с полигональным, но имеет упрощенную схему монтажа.
  • Арочной формы с параллельными верхним и нижним поясами. Арочные фермы из профильных труб востребованы при строительстве навесов для автомобилей, теплиц, беседок.

Варианты конструкций решеток:

  • Треугольной формы. Обычно такая схема применяется в каркасах с параллельными поясами, реже – в ферменных конструкциях треугольной или трапециевидной форм.
  • Раскосного типа. Для них характерны: большая материалоемкость и сложность исполнения. Варианты – шпренгельная (с дополнительными раскосами), полураскосная.
  • Индивидуальные решения.

Как выбрать ферму по углу наклона?

При выборе конструкции фермы следует учитывать угол ската:

  • для установки кровли с существенным углом уклона 22-30⁰ рекомендуются треугольные изделия, высота которых рассчитывается путем разделения высоты пролета, поделенную на 5;
  • для монтажа скатов с углом наклона 15-22⁰ выбираются фермы с высотой, которая равна длине пролета, поделенной на 7 (если необходимо увеличить высоту конструкции, следует выбирать аналоги с ломаным нижним поясом);
  • для изготовления крыш с небольшим углом до 15⁰ чаще всего используют каркасы в виде трапеций с треугольными решетками (высота элементов определяется путем разделения длины пролета на 7, 8 или 9).

Выбор фермы, в зависимости от уклона ската

Выбор конструктивного варианта во многом определяется уклоном ската:

  • 22-30°. Для формирования скатов со значительным уклоном обычно используются треугольные фермы. Их высоту – длина пролета, разделенная на 5.
  • 15-22°. Высота принимается равной длине пролета, разделенной на 7. Для возможности увеличения высоты ферменной конструкции используют варианты с ломаным нижним поясом.
  • До 15°. Обычно применяют каркасы трапециевидной формы с решеткой треугольной конфигурации. Высота ферменного блока в таких случаях определяется делением длины пролета на число, находящееся в диапазоне от 7 до 9.

Расчеты ферм из стальных профильных труб

Схема стропильный конструкции Описание
 Расчет металлической фермы Можно сказать что трапецевидная самая оптимальная геометрия фермы, при малых уклонах. Такая ферма (из профильной) трубы получается легче чем другие типы
 Ферма с параллельными поясами С параллельными поясами применяется при плоских рулонных кровлях
 Односкатная ферма При применение кровельных сендвич панелей, необходимо соблюдать требование по уклону верхнего пояса , а также более частый шаг прогонов. и как не крути при больших пролётах получается такая односкатная ферма.
 Треугольная ферма проектирование Треугольная ферма с классическим уклоном скатов. Проектируют видимо при холодных кровлях. Хотя тут увеличенное пространство которое нужно отапливать. Это ферма к тому же обещает быть тяжелее чем трапециевидная
Особенность расчёт металлической фермы, в том что на опорах пояса загибаются при малых уклонах, и верхний пояс здесь перенапряжён.
 Схема арочной фермы Такие арочные фермы не встречал. видимо просто потому что здесь непонятно как сделать покрытие. Затруднительно видимо гнуть проф. настил, что бы потом сделать мембранное покрытие. Минус дополнительный распор на оголовок колонны.
 Расчет полигональной фермы-арки Ферма арка — распространённый вид основных несущих конструкций ангаров в сельском хозяйстве — покрытие тентовое.
 Расчет полигональной фермы-арки Применяется в качестве при строительстве ангарных сооружений с профнастилом
 Проектирование металлической фермы-рамы Хорошо работает при больших высотах и пролётов, при условии что ветровые нагрузки (эстрадное здание на открытой местности или на берегу). Особенность большой распор на фундамент
Отличительная черта — хитрая связевая система и интересный узел примыкания рамной фермы с «колонной»

Ферма перекрытия – ответственный конструктивный элемент, перед изготовлением которого обязательно проводят расчеты и составляют проект. Проведение расчетных работ необходимо доверить специалисту, поскольку правильная конструкция фермы из профильных труб во многом определяет функциональность не только крыши, но и всего строения.

  • Определяют размер пролета строения, форму крыши, наклон скатов. При этом учитывают запланированный кровельный материал, снеговые и ветровые нагрузки, характерные для данного региона, тип грунта. Также принимаются во внимание вероятные особые нагрузки, которые может испытывать ферма, изготовленная из профильных труб, – штормы, ураганы, землетрясения.
  • С учетом принятых выше параметров выбирают конструктивный тип фермы.
  • После примерного определения габаритов и конструкции определяют вариант изготовления – в заводских условиях, сборку на месте из заготовок, заказанных на предприятии, или проведение полного цикла заготовочных и сборочных мероприятий на строительной площадке.

Основные этапы работ по изготовлению и монтажу ферм из профильных труб

Разработка проекта ферменных конструкций предполагает выполнение таких задач:

  • определение параметров пролета здания, формы кровли и наклона скатов;
  • расчет предполагаемых расходов, интенсивности климатических нагрузок, тип почвы и т. д., а также вероятность особых нагрузок;
  • выбор типа конструкции фермы.

После того, как габариты и конструктивные особенности определены, следует выбрать вариант производства. Фермы можно изготавливать в промышленных условиях, собирать из заготовок, заказанных на предприятии, или же осуществить сборку непосредственно на стройплощадке.

Чтобы облегчить процесс изготовления конструкций, специалистами рекомендуется:

  • установить дополнительные решетчатые    элементы для облегчения конструкций с небольшим уклоном; снизить вес каркаса для крыш    с углом от 15 до 22 путем изготовления ломаного нижнего пояса;
  • применить каркасные    изделия «Полонсо» при длине прогона более 20 м в целях предотвращения    монтажа в раскос крупногабаритных прогонов;
  • соблюдать дистанцию до    1,75 м между элементами ферм;
  • учитывать марку стали, использованной при производстве (для морозной местности подойдут    низколегированные стали, а для местности с повышенной влажностью лучше    выбрать оцинкованные изделия).
  • Для облегчения конструкций, используемых для устройства крыш с минимальным уклоном скатов, используют дополнительные решетки.
  • Для снижения массы каркасов, устанавливаемых для организации скатов с диапазоном углов наклона 15-22°, нижний пояс изготавливают ломаным.
  • При длине прогонов от 20 м применяют каркасы Полонсо, состоящие из двух треугольных конструкций, соединенных стяжкой. Такой конструктивный вариант позволяет избежать монтажа в раскос большой длины.
  • Дистанция между ферменными конструкциями в общем случае не должна превышать 1,75 м.
  • При выборе труб для сложных эксплуатационных условий необходимо учитывать марку стали, из которой они изготовлены. Для регионов с холодным климатом используют трубные изделия из низколегированных сталей, проявляющих высокую устойчивость к низким температурам. При высокой коррозионной опасности следует применять оцинкованную продукцию.

Осуществлять заготовительные, сборочные и монтажные работы должны специалисты, обладающие соответствующими знаниями, навыками и инструментом. Важно определить, какие работы можно производить внизу, а какие – после подъема стержневой конструкции на место установки, понадобится ли специальная строительная техника.

Процесс монтажа ферм из профильных труб при сооружении навеса и других каркасных конструкций включает следующие мероприятия:

  • Расчистка, выравнивание и разметка участка.
  • Установка металлических вертикальных опор с заглублением и бетонированием.
  • Прихватка и последующая приварка поперечных связей.
  • Сборка и сварка заготовок ферм из профильных труб по заранее намеченной схеме.
  • Подъем собранных ферменных блоков на место установки.
  • Приварка к установленным блокам перемычек с отверстиями, предназначенными для крепления кровельного материала.
  • Зачистка сварных швов, особенно – на верхних гранях каркаса.
  • Обезжиривание элементов металлоконструкции. При использовании неоцинкованного профиля его поверхность грунтуют и окрашивают, что позволяет существенно продлить эксплуатационный период.

Производство и установка металлических ферм

Процесс заготовки, сборки и монтажа ферменных конструкций из металла лучше доверить профессионалам, которые обладают соответствующими знаниями и мастерством владения специальным оборудованием. Следует определить, какие этапы необходимо выполнить внизу, а какие – после подъема фермы на высоту. Также стоит предусмотреть, понадобится ли спецтехника.Монтаж ферменных конструкций из профильных труб при строительстве навесов, кровли, различных каркасов подразумевает выполнение таких этапов:

  • подготовка стройплощадки (расчистка, выравнивание, разметка);
  • монтаж вертикальных опор из металла, их фиксация и заливка бетоном;
  • приваривание поперечных поясов;
  • сборка и сварка заготовок в соответствии с разработанным проектом;
  • подъем ферм на место монтажа;
  • приваривание перемычек с отверстиями, которые предназначены для монтажа кровельных материалов;
  • зачистка сварочных швов;
  • обезжиривание конструкционных элементов.

https://www.youtube.com/watch?v=ytaboutru

Если используется профиль, не защищенный цинковым покрытием, рекомендуется обработать поверхность грунтовкой и краской, тем самым, увеличивая длительность периода эксплуатации.