Металлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовления

Конструкционные особенности

Любые металлические устройства, независимо от их конструкции, контура и формы, имеют свои особенности и определенные параметры. Но все же по способу установки, кроме классической, когда структурное устройство опирается на опоры двумя концами, иногда встречаются конструктивные сооружения, у которых один край получается висячим, то есть без опоры. Обычно они монтируются для перекрытий зданий, у которых скат крыши выносится далеко за пределы наружных стен.

Контуры и формы ферм

В зависимости от конструкции, фермы могут быть прямой, одно или двухскатной формы. По контуру различаются на несколько видов:

1. Устройство, у которой оба пояса расположены параллельно друг к другу. Чаще всего используется для сооружения перекрытий промышленных зданий с плоской мягкой кровлей, а также под эстакады, мосты и так далее. Представляет собой самую простую конструкцию, в которой раскосы и стойки идентичны по своим размерам, поэтому их сборка производится довольно легко.
2. Односкатная трапецеидальная конструкция. Такая конструктивная структура имеет прямые пояса, но верхний расположен с уклоном в одну сторону под определенным углом. Используя такое сооружение совместно с колоннами, можно создать довольно жесткий каркас для строения. Не имеет средних длинных стоек и не требует большого уклона.
3. Полигональные фермы. Отличаются сложной конструкцией и самой продолжительной по времени сборкой, но при этом может, по сравнению со своими аналогами, выдерживать очень большую вертикальную нагрузку. Используются для перекрытия большепролетных тяжелых зданий.
4. Фермы треугольной формы. Используются как стропильная система при монтаже крутых крыш. Простая сборка, но имеются некоторые недостатки. У них острый опорный узел и большой расход материала при изготовлении из-за длинных стоек или раскосов в центре конструкции.

Виды решеток

Существуют следующие виды решеток:

• Треугольная решетка. Является самой жесткой и эффективной системой в конструкциях с параллельными, треугольными и трапецеидальными очертаниями.
• Раскосная решетка. Состоит из самых длинных раскосов, которые работают одновременно на сжатие и растяжение, а вот вертикальные стойки только на сжатие.

Существуют также специальные крестовые, шпренгельные и другие решетки.

Зависимость конструкции от угла наклона

Важным параметром конструкции ферм является их угол наклона, и в зависимости от него конструкции делятся на 3 группы:

• К первой группе относятся конструкции, у которых угол наклона составляет 6−150 при соотношении высоты и длины от 1:7 — 1:9. Обычно это трапециевидные устройства с дополнительными короткими стойками, благодаря которым повышается противодействие прогибу при высоких вертикальных нагрузках. При этом верхние и нижние размеры панелей должны быть одного размера, а их количество зависит от длины пролета и особенности самой конструкции фермы.
• Вторая группа состоит из структурных устройств с углом наклона в пределах 15−22° при этом соотношение высоты/длины должно быть 1:7, где максимальная длина должна составлять не больше 20 м/п. Часто такие конструкции изготавливаются с ломанными нижними поясами, что позволяет снизить вес в пределах 30% по сравнению с треугольной фермой.
• У третьей группы угол наклона составляет 22−300, а их длина по отношению к высоте составляет соотношение 1 к 5. Эти фермы отличаются небольшим весом и чаще всего имеют форму треугольника. Могут монтироваться непосредственно на наружные стены дома. Длина перекрываемого ими пролета, может быть от 14 до 20 м/п, а число панелей должно быть четным с одинаковой длиной 1,5−2,5 м.

Преимущества строительных ферм

Практически все строительные фермы имеют немалые преимущества перед цельнометаллическими балками, среди которых основными являются:

1. Небольшой вес при большой длине.
2. Способность удерживать огромные статистические и динамические нагрузки.
3. Долговечность при интенсивной эксплуатации.
4. Высокая стойкость к прогибам.
5. Возможность самостоятельного изготовления ферм непосредственно на строительной площадке

Особенности конструкции

Конструкция фермы для различных строительных объектов зависит от предполагаемых рабочих нагрузок, а также от ее хозяйственного назначения.

В зависимости от числа поясов бывают:

• опорные конструкции, элементы которых состоят из одной плоскости;
• подвесные конструкции, которые отличаются наличием верхнего и нижнего поясов.

Строительные конструкции предполагают применение ферм с различным контуром:

• с параллельным поясом (самый элементарный вариант, где используются одинаковые элементы);
• односкатные треугольные (все опорные узлы отличаются повышенной прочностью, из-за чего конструкция способна противостоять значительным нагрузкам);
• полигональные (выдерживают усилия от массивного настила, но отличаются сложностью в монтаже);
• трапецеидальные (имеют схожие данные с полигональными, но не настолько сложные в монтаже);
• двухскатные треугольные (используются для монтажа крутой двухскатной крыши из профильной трубы, но имеют большие затраты ресурсов);
• Сегментные (годятся для конструкций, где предусмотрена установка светопрозрачной кровли; установка непростая, так как нужно изготавливать элементы с правильной геометрией для одинакового распределения нагрузки).

В зависимости от угла наклона, классические фермы относятся к таким видам:

1. Угол от 22 до 30 градусов, когда отношение высоты к длине составляет 1:5. Годится для простых конструкций обычных навесов из профильной трубы.

Для накрытия пролетов малой и средней величины используются, в основном, треугольные виды ферм, сваренные из труб меньшего диаметра, так как они достаточно прочные и легкие.

Если длина пролета составляет больше 14-ти метров, то в конструкции предусматривают раскосы, закрепленные сверху вниз, а по верхнему поясу располагают панель, величиной 150-250 см, для получения двухпоясной конструкции, имеющей четное количество панелей.

При величине пролетов больше 20-ти метров, во избежание прогиба фермы, предусматривается установка подстропильных элементов конструкции, с креплением к опорным колоннам.

Особое внимание следует обратить на ферму «Полонсо», которая состоит из двух треугольных конструкций, скрепленных одна с другой оригинальным способом. В такой конструкции нет необходимости в монтировании длинных раскосов в средней части, что позволяет снизить общий вес конструкции.
Угол от 15 до 22 градусов, с отношением высоты к длине, как 1:7

Позволяет изготавливать фермы для соединения пролетов, имеющих длину до 20-ти метров. Если нужно увеличить высоту фермы, то придется сформировать нижний уровень ломаным.
Угол меньше 15 градусов. Подобный каркас должен состоять из трапециевидных элементов. Подобные фермы располагают короткими стойками, благодаря которым ферма выдерживает продольный изгиб. При углах наклона от 6 до 10 градусов фермы должны иметь ассиметричную конструкцию. Определяют высоту фермы с помощью деления длины пролета на 7, 8 или 9, в зависимости от конструкционных особенностей проекта.

Изготовление стропильного изделия

При изготовлении системы из ЛСТК главные связки выполняют, прихватывая трубы двойными уголками.

К верхнему поясу перемычки и раскосы монтируют с помощью уголков с неравными сторонами, стыкуя их по короткой стороне.

Детали нижнего пояса тоже стыкуют уголками с неравными сторонами. Главные элементы соединяют с помощью накладных пластин.

Рассмотрим подробнее изготовление ферм из профильной трубы сварным методом.

Если вы не знаете, как сварить ферму из профильной трубы, потому что вообще никогда не имели дела со сваркой, то придется обратиться к специалисту, так как стропильная ферма — не та конструкция, на которой можно «набивать руку». От качества швов на стропильной ферме зависит прочность кровли.

Фермы лучше изготавливать из прямоугольных или квадратных труб, так как имеющиеся у них ребра обеспечат конструкции хорошую устойчивость.

Стропильную ферму нужно изготавливать только из стали, устойчивой к окислению и другим агрессивным атмосферным факторам.

Толщина металла и сечение трубы должны соответствовать параметрам, заложенным в проекте. Соблюдение этих условий обеспечит стропильной конструкции нужную несущую способность.

Каждый сварочный шов проверяют на качество, поскольку именно от него будет зависеть надежность будущей конструкции.

Видео:

Когда сварка ферм из профильной трубы закончится, останется только обработать швы антикоррозийным составом и покрыть их краской.

Этапы сваривания кровельной системы из металлических профильных труб:

1. выравнивают верхний и нижний пояс;
2. вваривают между поясами перемычки;
3. на конструкцию из двух поясов и расположенных к ним под углом 90о перемычек приваривают раскосы — отрезки трубы, срезанные под углом.

Первую ферму можно использовать как шаблон для изготовления остальных.

Совет: резать металлопрофиль под углом удобнее всего с помощью резочного станка. Такое устройство можно взять напрокат или сделать самостоятельно из болгарки.

При небольшом объеме работ, например, при изготовлении системы для навеса или ворот, резать металлопрофиль можно просто болгаркой.

После завершения сварки остается только поднять конструкцию наверх и закрепить по верхней обвязке согласно размеченным линиям.

Для подъема системы из профильных труб на высоту придется использовать подъемные механизмы: кран или лебедку. Стропы закрепляют в узлах верхнего пояса в 2 или 4 местах.

Для временного закрепления ставят парные расчалки под углом к горизонту не больше 45о. Затем трубы приваривают к колоннам, предварительно проверив вертикальность системы.

Сваривание труб из металлопрофиля – еще одна актуальная тема. Для соединения металлопластиковых труб можно использовать ручную, дуговую и газовую сварку.

Видео:

Так как профильные трубы делают из углеродистой и низколегированной стали (нержавейку используют редко), сваривать их можно по обычным технологиям.

Любые виды решетчатых конструкций, в том числе и кровельные фермы, изготавливают из стали толщиной не более 1 см. Длина соединений не должна превышать 40 см.

Сварные соединения фермы по-разному расположены в пространстве, поэтому сварку удобно выполнять полуавтоматом со шлангом, проволокой, заполненной флюсом, или проволокой с самозащитой.

В индивидуальном строительстве используют ручную сварку отдельными электродами. Автоматическое сваривание использовать не экономично.

В серийном изготовлении используют контактную точечную сварку с увеличением давления. Специалисты не рекомендуют выполнять соединение прерывистым способом.

Первым делом варят стыковочные швы, а затем угловые. Такой порядок позволяет избежать напряжения металла в узле.

Если швы расположены поблизости друг от друга, то перед выполнением второго шва нужно охладить металл для предупреждения пластических деформаций.

Узлы сваривают, начиная от середины. В начале накладывают швы большего сечения, затем меньшего. Каждый элемент системы прихватывают с двух сторон.

Длина соединения не должна быть меньше 3 см, катет соединения — не меньше 0,5 см. Прихваты и сварной шов должны быть выполнены из одного материала — это нужно для постоянства напряжения металла в шве.

Видео:

Строительные технологии быстро развиваются. Еще недавно здания строили только из камня или дерева, сейчас же востребованы сооружения, которые можно возвести максимально быстро.

Это можно сделать, используя профилированные трубы из металла и современные материалы: поликарбонат, пластик, профилированный лист, плитные утеплители.

Способ проекций

На рис. 2 симметричная шарнирно-опёртая раскосная ферма пролётом L = 30 м, состоящая из шести панелей 5 на 5 метров. К верхнему поясу приложены единичные нагрузки P = 10 кН. Определим продольные усилия в стержнях фермы. Собственным весом элементов пренебрегаем.

Рисунок 2

Опорные реакции определяются путём приведения фермы к балке на двух шарнирных опорах. Величина реакций составит R (A) = R (B) = ∑P/2 = 25 кН. Строим балочную эпюру моментов, а на её основе — балочную эпюру поперечных усилий (она понадобится для проверки). За положительное направление принимаем то, что будет закручивать среднюю линию балки по часовой стрелке.

Рисунок 3

Метод вырезания узла

Метод вырезания узла заключается в отсечении отдельно взятого узла конструкции с обязательной заменой разрезаемых стержней внутренними усилиями с последующим составлением уравнений равновесия. Суммы проекций сил на оси координат должны равняться нулю. Прикладываемые усилия изначально предполагаются растягивающими, то есть направленными от узла. Истинное направление внутренних усилий определится в ходе расчёта и обозначится его знаком.

Рационально начинать с узла, в котором сходится не более двух стержней. Составим уравнения равновесия для опоры, А (рис. 4).

∑ F (y) = 0: R (A) + N (A-1) = 0

∑ F (x) = 0: N (A-8) = 0

Очевидно, что N (A-1) = -25кН. Знак «минус» означает сжатие, усилие направлено в узел (мы отразим это на финальной эпюре).

Условие равновесия для узла 1:

∑ F (y) = 0: -N (A-1) — N (1−8)∙cos45° = 0

∑ F (x) = 0: N (1−2) + N (1−8)∙sin45° = 0

Из первого выражения получаем N (1−8) = -N (A-1)/cos45° = 25кН/0,707 = 35,4 кН. Значение положительное, раскос испытывает растяжение. N (1−2) = -25 кН, верхний пояс сжимается. По этому принципу можно рассчитать всю конструкцию (рис. 4).

Рисунок 4

Метод сечений

Ферму мысленно разделяют сечением, проходящим как минимум по трём стержням, два из которых параллельны друг другу. Затем рассматривают равновесие одной из частей конструкции. Сечение подбирают таким образом, чтобы сумма проекций сил содержала одну неизвестную величину.

Проведём сечение I-I (рис. 5) и отбросим правую часть. Заменим стержни растягивающими усилиями. Просуммируем силы по осям:

∑ F(y) = 0: R(A) — P + N(9−3)

N(9−3) = P — R(A) = 10 кН — 25 кН = -15 кН

Стойка 9−3 сжимается.

Рисунок 5

Способ проекций удобно применять в расчётах ферм с параллельными поясами, загруженными вертикальной нагрузкой. В этом случае не придётся вычислять углы наклона усилий к ортогональным осям координат. Последовательно вырезая узлы и проводя сечения, мы получим значения усилий во всех частях конструкции. Недостатком способа проекций является то, что ошибочный результат на ранних этапах расчёта повлечёт за собой ошибки во всех дальнейших вычислениях.

Преимущества профильной трубы для изготовления каркасов

Каркасное строительство из профтрубы набрало популярность и не сдает позиций. Профилированные трубы позволяют создать красивые и крепкие конструкции самого различного назначения – от зонтика над песочницей до жилого, промышленного или коммерческого здания.

Рекомендуем ознакомиться: Как правильно соединить пластиковую трубу с чугунной канализацией?

Профильная труба имеет массу преимуществ перед другими материалами, используемыми для каркасного строительства:

• Прочность. Металл значительно прочнее дерева, а особая формы сечения делает профилированные трубы менее подверженными деформации, чем круглые.
• Пожаробезопасность. Трубопрофиль не горит, не плавится, не выделяет токсичных веществ при нагревании.
• Легкость. Полые трубы просты в транспортировке и монтаже. Кроме этого, малый вес конструкции из профилированного металла позволяет обойтись без возведения монолитного фундамента.
• Вариативность способов соединения. Металл хорошо поддается как сварке, так и сверлению, поэтому для сборки можно использовать сварное соединение встык и внахлест, сопряжение при помощи уголков или фитингов в сочетании с обычными болтами и гайками.
• Сочетаемость с кровельными и отделочными материалами. Трубопрофиль поддается окрашиванию, не оказывает негативного воздействия на материалы, используемые для отделки стен и оборудования кровли. Кроме того, фермы из профилированных труб способны выдержать нагрузку не только от любого кровельного покрытия, но и толстого слоя снега в зимний период.
• Разнообразие форм профиля. Сечение профтрубы может быть прямоугольным, квадратным, овальным, треугольным. Под заказ металлопрокатные организации изготавливают и трубы с более сложным сечением. Такое многообразие трубопрофилей позволяет не только возводить конструкции различных размеров и форм, но и оригинально их декорировать.

Цифры и подробности

• Несущая способность стропил, которые не опираются на внутренние стены равна 250 кг на м2. Если надо больше, то доску не 150*50, как у нас надо брать, а 200.
• По проекту у нас 19 стропил: 2 боковых и 17 центральных.
• Минимальный скат для отвода осадков у нас 3 градуса. После окончания стройки, вторым этапом планируем настил в горизонт.
• Мы ограничены длиной пиломатериала, поэтому стропила 6000мм, по фундаменту 5700мм. 300мм на свес кровли сзади дома.
• По времени заняло около двух полных рабочих дней в 2 каски.
• Шаг между стропилами 600мм.
• Напоминаю — дом 6х12 метров. Мы ограничены длиной пиломатериала, поэтому стропила 6000, чтобы не наращивать. По фундаменту 5700. 300Мм на свес кровли сзади дома
• На этом этапе стоимость строительства дома 107 770 рублей. Это на 2021 год в Белоруссии. Цифра в российских рублях. Имейте ввиду цены в братских странах могут отличаться.
• ОСБ вместо доски вертикальных стоек получилось сильно дороже при просчётах.
• По креплению стоек гвоздями или шпильками. Проектировщик сказал, что такой гвоздь держит 50 кг нагрузку. Их 5 на узле с каждой стороны, соответственно узел держит 500 кг. Нагрузок на отрыв нет, поэтому запас прочности огромный. На скатных стропилах — да, шпилька обязательна, так как нагрузка на сдвиг и на отрыв.

Сбор нагрузок

Обычно нагрузка, действующая на конструкцию, прикладывается в местах узлов, к которым крепятся элементы поперечных конструкций (например, навесной потолок или прогоны кровли). Для каждого вида нагрузки желательно определять усилия в стержнях отдельно. Виды нагрузок для стропильных ферм:

• постоянная (собственная масса конструкции и всей поддерживаемой системы);
• временная (нагрузка от подвесного оборудования, полезная нагрузка);
• кратковременная (атмосферная, включающая снег и ветер);

Для определения постоянной расчетной нагрузки следует сначала найти грузовую площать, с которой она будет собираться.

Формула для определения нагрузки на кровлю:

F = (g + g1/cos a)*b ,

где g — собственная масса фермы и ее связей, горизонтальной проекции, g1 — масса кровли, а — угол наклона верхнего пояса относительно горизонта, b — расстояние между фермами

Исходя из этой формулы, чем больше угол наклона, тем меньше нагрузка, действующая на кровлю. Однако, следует учитывать, что увеличение угла влечет за собой и значительное повышение цены за счет увеличения объёма строительных материалов.

Также при проектировании крыши учитывается регион строительства. Если предполагается значительная ветровая нагрузка, то угол наклона закладывают минимальный и крышу делают односкатной.

Снег — нагрузка временная и загружает ферму только частично. Загружение половины фермы может быть очень невыгодным для средних расковов.

Полная снеговая нагрузка на кровлю рассчитывается по формуле:

S = Sр * μ;

где S – снеговая нагрузка;

Sр – расчетное значение снегового веса на 1 м2 горизонтальной поверхности;

μ – расчетный коэффициент, для учета наклона кровли (согласно СНиПу, равняется единице, если угол наклона меньше 25 градусов и 0.7, если угол от 25 до 60 градусов)

Давление ветра считается значимым только для вертикальных поверхностей и поверхностей, если их угол наклона к горизонту больше 30 градусов (актуально для мачт, башен и крутых стропильных ферм). Ветровая нагрузка как и остальные сводится к узловой.

Примерные затраты на производство фермы своими руками

И так, чтобы изготовить ферму своими руками, нам потребуется вложить определённое количество денежных средств. В основном деньги уйдут на покупку металла. Давайте посчитаем, сколько обойдётся нам ферма односкатного навеса, величиной 6 на 4 метра. Ранее мы уже говорили, что величина в нижней части плоскости фермы составит 4 метра.

При этом косая часть, которая определяет уклоны крыши, составить, 4,5 метра. На длинную боковую часть пойдёт порядка 0,6 метра, на короткую часть, 0,2 метра. Толщина стали, применяемой в работе заготовки, составит 0,2 мм. Итак, кроме всего прочего, нам ещё потребуются поперечины в количестве 4 штук, с интервалом не менее, 0,6 м.

Что касается основной части, то на сварку каркаса пойдёт порядка 10 м металла. По стоимости профтрубы сечения 30 на 30 мм, толщиной стали 2 мм, мы потратим порядка 1000 руб. С поперечинами в количестве 4-5 штук, эта величина вырастет до полутора тысяч за одну ферму.

Чтобы посчитать, какое количество денежных средств уйдёт на наш навес, именно на производство ферм, давайте умножим полученную величину на пять. То есть, за обустройство конструкции ферм нам придётся заплатить порядка 7.5 тыс. руб. Это немного. Для обустройства общей конструкции навеса придётся ещё сварить металлокаркас.

Это будет дороже, но с учётом обустройства 10 столбов, сечением 60 на 60 мм, а также общей связки, нам потребуется порядка 50 м профильной трубы. По стоимости это обойдется нам в районе 200 рублей за 1 погонный метр. Итого, каркас обойдется в районе 10.000 рублей. Таким образом, небольшой навес без кровельного материала обойдется в районе 20 000 руб. Это рассчитано с небольшим запасом исходя из текущих цен на металл на момент написания статьи.

Архитектура металлической фермы: элементы, узлы и напряжение

Итак, металлическая ферма – это сварная или сборная система труб и жестких крепежных узлов. Состоит такая конструкция из определенных элементов:

• Пояса, верхний и нижний, которые служат каркасом.
• Решетки, которая связывает оба уровня.
• Стоек, которые смонтированы перпендикулярно к поясу.
• Раскосов, которые присоединены под углом к нижнему и верхнему уровню.
• Шпренгеля – вспомогательного раскоса.
• Узел – это точка, в которой сходится сразу несколько стержней. Здесь трубы соединяют при помощи фасонки – специального металлического листа.
• Панель – это расстояние между соседними узлами, а пролет – расстояние между опорами стропильных систем.

Верхний пояс металлической фермы изготавливают из профильной трубы или двутавровых балок, с применением фланцевого соединения. Нижний – из этих же материалов.

Только, если ферма станет подвергаться нагрузке на уровне панелей, тогда дополнительно необходимо установить парные швеллеры. А внутренние стойки и раскосы изготавливают из круглой трубы, уголка или профильной трубы.

Решетки внутри фермы располагают по самым разным схемам, и все они продиктованы исключительно практическими соображениями. Чем больше поперечных элементов, тем прочнее сама конструкция, и тем дороже она обходится (материала-то уходит больше!). Например, вот в каких вариантах изготавливают треугольную ферму:

Внутренний рисунок металлической фермы подбирают в зависимости от конструктивных требований и планируемого уровня нагрузок. И выбранный тип обрешетки влияет на вес конструкции, ее внешний вид, трудоемкость и бюджет на изготовление самой металлической фермы.

Давайте рассмотрим стандартные виды внутренних решеток металлических ферм:

• Меньше всего узлов в треугольной решетке, которая чаще всего встречается в параллельной и трапециевидной ферме. Причем такая решетка считается наиболее экономной, т.к. у нее минимальная суммарная длина стержней.
• Шпренгельная решетка нужна там, где основная нагрузка приходится на верхний пояс. А потому ее используют, когда нужно сохранить расстояние между прогонами.
• Раскосную ферму делают, когда стойкам приходится противостоять большим усилиям.
• Крестовая разновидность нужна для каркасов, в которых расчетная нагрузка идет сразу в обоих направлениях.
• Перекрестная решетка нужна для ферм, которые делают из тавров.
• Полураскосная и ромбическая решетка нужна для ферм с такой большой высотой, как при создании мостов и мачт. Такие рамы получаются с высокой жесткостью благодаря двум системам раскосов.

В жизни выглядят все эти фермы так:

Вот, например, как выглядит не так часто встречающаяся шпренгельная ферма:

https://youtube.com/watch?v=XdcxzUHxPrc

Кровельные металлические фермы, в свою очередь, бывают двускатные, односкатные и прямые. За счет ребер жесткости металлические фермы не деформируются даже на больших пролетах, хотя с виду довольно хрупкие.

Также металлические фермы делят на виды по количеству поясов. Это плоские фермы, где узлы и стержни находятся в одной плоскости, и пространственные, более сложные, в которых пояса находятся в параллельных плоскостях.

Похожие записи:

Выбираем сварочный аппарат для дачи: недорогой, но производительный Баня с электрокаменкой: строительство, отзывы, особенности Кто построил московский кремль Как правильно выбрать и установить фильтр аквафор морион Как сделать вибростол для тротуарной плитки своими руками Меловые маркеры: чем отличаются, как пользоваться и для чего нужны