Расчёт и изготовление металлической фермы для навеса

Что такое ферма

Ферма – это конструкция из прямолинейных элементов, соединенных между собой в узлах в прочную систему неизменяемой геометрической формы. Чаще всего встречаются плоские конструкции, но в больших нагруженных конструкциях применяют объемные (пространственные) фермы. Практически в частных домах фермы выполняют из дерева и металла. Из дерева изготавливают небольшие конструкции стропил, навесов, беседок. Зато прочный и высокотехнологичный металл – практически идеальный материал для несущих металлоконструкций.

Для изготовления сложных конструкций применяют прокат сплошного сечения и трубы. Профильные трубы (квадрат, прямоугольник) имеют большую устойчивость к смятию и изгибу, небольшие конструкции для дома монтируют без применения сварки с помощью краб-систем, поэтому для усадебных построек чаще всего используют именно профильную трубу.

Зачем нужны фермы?

Что касается видов металлоконструкций, для которых применяется «ферма», выделяют следующие направления:

• Навес для машины, беседка, козырек.
• Крытая парковка, укрытие для колодца, летняя веранда.
• Летняя стройплощадка и другие места.

Таким образом, фермы из профильной трубы для навеса используются везде, где будет облегченная конструкция, с возможностью выдерживать большие нагрузки. Изготовление фермы почти всегда индивидуально, разве что это не касается типовых проектов. Когда ее делают своими руками, то сначала изготавливают один шаблон, под него подгоняются детали, их сваривают, а, затем, по шаблону делают все остальные похожие элементы.

Что касается количества ферм на один пролет, то это рассчитывается исходя из планируемой нагрузки на кровлю. В основном, на каждом промежуточном столбе ставится ферма. Иногда ее подгоняют под тип используемого кровельного материала.

При этом если для металлочерепицы и профлиста это фактически не имеет значения, то для поликарбоната фермы стоит размещать так, чтобы стык листа был на металле. Иначе поверхность кровли может деформироваться.

Необходимость применения ферм склоняется к их дешевизне, поскольку из аналогов, такой конструктив самый дешевый, долговечный и надежный. Форма конструкции такова, что нагрузка размещается максимально равномерно, что даже при обильном количестве снега на крыше не скажется на продолжительности эксплуатации.

Область применения ферм из металла

Благодаря простому производству и приемлемой стоимости стропильные металлические фермы широко применяются в строительстве промышленных цехов, складских ангаров, торгово-развлекательных центров и спортивных комплексов, а также используются в качестве перекрытий для быстровозводимых строений.
Металлическая ферма с параллельными поясами представляет собой решетчатую металлоконструкцию, которая перекрывает пролеты сооружения и опирается на несущие элементы. Отличаются типом решетки, марками стали, очертаниями поясов, а выбор изделий зависит от целевого назначения строения, вида кровли и кровельных материалов, климатических условий.

Почему лучше из профиля

Сварка ферм из профильной трубы имеет ряд преимуществ перед другими материалами:

• такие конструкции огнестойкие и не требуют специальной обработки противопожарными пропитками;
• каркас способен выдерживать нагрузки собственного веса, а также от ветра или давления снега;
• труба хорошо гнется в приспособлениях, что позволяет создавать разнообразные формы и дизайнерские решения;
• для предотвращения коррозии достаточно покрасить материал;
• профиль легко купить в любом регионе страны;
• если при монтаже был сделан ошибочный рез, то балку можно восстановить путем сваривания (что не получится на деревянных балках);
• профиль относительно легок ввиду полой структуры;
• каркас не деформируется со временем и способен служить очень долго.

Параметры профильной трубы

Соединяемые пальцами открытые фермы бывают разных профилей и конфигураций поясов, что позволяет создавать уникальные конструкции.

Хотя фермы промышленного класса и имеют косметические дефекты, некоторые дизайнеры предпочитают оставлять их открытыми для визуального эффекта.

Ниже приведен список различных профилей ферм с открытыми стенками.

• Конический: позволяет использовать водосток в крыше и иметь эффектный вид, если спроектирован с большим перепадом глубины.
• С наклоном и радиусом: обеспечивает разные уклоны для создания разного внешнего вида крыш и потолков.
• Носовая струна: обеспечивает непрерывную дугу с радиусом шага через верхний пояс, создавая плоский потолок в нижнем поясе.
• Ствол и составной ствол: как верхние, так и нижние пояса имеют радиусы, обеспечивающие изогнутые потолки.
• Ножничные: Идеально подходят для ферм небольшой глубины со сводчатыми внутренними частями.
• Линзовидная: ферма в форме линзы (изогнутая сверху и снизу).

Обзор видов

Деревянные фермы или конструкции, изготовленные из металлических дуг (или просто из металла), бывают самых разных видов. Так, например, популярными являются кованые фермы для навесов, а вот сооружения из дерева обычно используются реже. Следует иметь в виду, что фермы для навесов могут обладать различными размерами. Рассмотрим самые популярные из них.

Прямоугольные

Они актуальны в том случае, если на металлический каркас будет оказываться довольно большая нагрузка. Для того чтобы соорудить подобное сооружение, необходимо будет соединить 4 трубы. При этом между трубами в обязательном порядке необходимо расположить распорки. В качестве объединяющего материала могут использоваться болтовые соединения или специальные коннекторы. Также может использоваться сварка.

Как было сказано выше, прямоугольная конструкция рассчитана на большие нагрузки. В связи с этим фермы могут объединяться, например, в трибуны. Для создания прямоугольных ферм можно использовать как обычные металлические трубы, так и надежный нержавеющий материал.

Арочные

Арочный тип конструкции считается самым удобным. Благодаря форме сооружения существует возможность скрывать изгибающие линии в поперечных сечениях каркаса.

Если вы решили строить подобную ферму для навеса, то должны учесть тот факт, что материал арки подвергается сжатию, в связи с чем все расчеты нужно будет производить по особенному принципу.

Вес кровли, обрешетки и снежной нагрузки будет одинаково распределяться по всему навесу.

Плоские

Плоские фермы для навесов являются одними из самых бюджетных в производстве. Максимальная нагрузка по площади составляет 50 квадратных метров, соответственно, подобная конструкция предназначается исключительно для домашнего использования.

Треугольные

Обустраивая треугольную ферму для навеса, необходимо помнить о том, что данная конструкция по своим характеристикам является двускатной, при этом уклон сторон составляет 22-30 градусов. Установка подобной фермы актуальна в тех регионах, где выпадает большое количество снеговых осадков.

В то же время стоит помнить о том, что для данной конструкции свойственны некоторые недостатки, а именно – наличие острого узла, который расположен в основании, а также присутствие длинных центральных опор. Данные элементы значительно усложняют составление чертежа и схемы постройки.

Таким образом, при обустройстве собственной фермы для навеса следует внимательно подойти к выбору оптимальной формы конструкции.

Создание проекта фермы

Необходимо, чтобы зарегистрированный профессионал отвечал за проектирование как временных, так и постоянных распорок. Временная связь — это любой непостоянный элемент, используемый для стабилизации ферм в процессе строительства.

• Основным компонентом постоянной связи обычно является кровельная мембрана из фанеры или ориентированно-стружечной плиты (OSB), которая по бокам подпирает верхние пояса ферм.
• Другие постоянные элементы жесткости используются для условий, в которых нижний пояс находится в состоянии сжатия, таких как подъем ветра или консольные условия.
• Даже без сжимающих усилий нижний пояс следует закрепить, чтобы ферма удерживалась в правильном положении, которое обычно перпендикулярно настилу крыши.

Использование соответствующих временных распорок повышает безопасность и предотвращает повреждение фермы во время установки. Постоянные связи помогают гарантировать, что ферма будет выдерживать предполагаемые расчетные нагрузки.

Структурные панели крыши

Верхние пояса при сжатии могут деформироваться в боковом направлении, если не закреплены должным образом. Рекомендуется крепить фанеру или плиты OSB, образующие диафрагму крыши, непосредственно к вершинам ферм для обеспечения постоянной поперечной устойчивости.

• Если верхний пояс фермы представляет собой двупоясный элемент, оба верхних пояса должны быть независимо прикреплены к диафрагме крыши для предотвращения бокового прогиба.
• Альтернативным материалам настила может не хватать адекватного ограничения продольного изгиба верхнего пояса. Например, структурные изолированные панели имеют большие одиночные крепления, которые могут попадать между поясами фермы или расщеплять пояса фермы.
• Панели из цементного волокна не только используют большие крепежи, но и могут потребовать структурного клея для создания связи, чтобы должным образом скрепить верхний пояс фермы.
• Деревянный настил с гребнем и пазами может не обеспечивать диафрагму для скрепления ферм, если доски не скреплены друг с другом или не установлены структурные панели для создания диафрагмы.

Металлический настил может также не иметь диафрагменного действия, если он не спроектирован должным образом. Деревянный колпак, прикрепленный непосредственно к верхним поясам ферм, может помочь решить проблемы со слишком большими или близко расположенными крепежными деталями.

Конструкция диафрагмы с модульной установкой

Модульное возведение включает группу ферм, которые собираются на земле, причем большая часть прочной фанеры или панелей OSB прикрепляется на месте к верхним поясам ферм.

Кроме того, установлены перемычки верхнего и нижнего пояса 2 × 4 с поперечными распорками — обычно десять футов по центру — для фиксации нижних поясов.

Весь этот собранный блок, который очень стабилен по сравнению с одной фермой, называется «ферменным модулем».

• Когда фермы возводятся модулями, диафрагма постоянной крыши будет иметь непрерывный край на расстоянии восьми футов от центра (исходя из стандартных размеров панели).
• Инженер должен учитывать эту компоновку панели при проектировании диафрагмы. Большинство длинно пролетных ферм с открытой стенкой имеют двойные пояса, то есть верхний пояс состоит из двух отдельных элементов (обычно 2 × 6 элементов), соединенных штифтами и стопорными шайбами ​​в точках панели фермы.

Изготовитель обычно устанавливает на фермах фанерный колпак для передачи сдвига через стык. Гвозди диафрагмы должны быть достаточно длинными, чтобы они могли проникнуть через фанерный колпак в пояс фермы.

Нагрузка на ферму из профильной трубы

На чертежах инженера-строителя должны быть указаны все расчетные нагрузки, а также коэффициенты продолжительности нагрузки и / или требуемые сочетания нагрузок.

Вот несколько примеров:

• Снеговые нагрузки, включая любые снежные заносы или неснежные временные нагрузки.
• Равномерные расчетные собственные нагрузки для верхнего и нижнего поясов
• Любые ветровые или сейсмические боковые нагрузки.
• Ветровые нагрузки
• Прочие нагрузки, в том числе для механических узлов или нагрузки, подвешенные к фермам.

Инженеры также должны учитывать другие нагрузки, такие как сеть спринклера, о которых часто не известно, пока не будут завершены чертежи контракта.

Подшипники

Технические характеристики оборудования для опор фермы: необходимая длина опоры, допустимые отклонения в полевых условиях, требования к наклонной опоре и минимальная длина обрезки пояса — все это зависит от серии фермы и конкретной конструкции.

Инженер должен учитывать все эти требования в процессе проектирования, чтобы гарантировать отсутствие проблем с установкой, связанных с деталями подшипника.

Прогиб

Длинно пролетные фермы при нагрузке могут испытывать значительный вертикальный прогиб. Зарегистрированному инженеру рекомендуется проверить расчетные прогибы и определить изгиб фермы для длинных пролетов.

Следующие ситуации являются примерами того, когда следует оценивать изгиб и прогиб:

• Фермы, расположенные рядом с неподвижными элементами, такими как стены
• Пределы прогиба подвесных / сдвижных перегородок
• Требования к зазорам над ненесущими перегородками
• Детали распорки верха стены
• Долговременная и кратковременная ползучесть, которая может варьироваться в зависимости от влажности пояса фермы и нагрузок конструкции.
• Конструкции крыш с возможностью образования водоемов

При использовании ферм с ножничным профилем следует также учитывать ограничение горизонтального прогиба.

Длина фермы

Расчетная длина фермы может превышать длину, которую производитель может построить или отправить в данную область. Иногда фермы могут изготавливаться из двух частей и собираться в полевых условиях с использованием специальных соединений в местах стыковки секций.

Хотя они сконструированы так же, как и любая открытая ферма стандартной длины, длинно пролетные фермы требуют некоторых дополнительных соображений.

Рекомендуется, чтобы инженер работал в тесном сотрудничестве с производителем в процессе проектирования, чтобы избежать потенциальных проблем при проектировании и установке.

Общая методология расчёта

Фермы применяют там, где использовать цельную несущую балку нецелесообразно. Эти конструкции отличаются меньшей пространственной плотностью, при этом сохраняют устойчивость воспринимать воздействия без деформаций благодаря правильному расположению деталей.

Конструкционно ферма состоит из внешнего пояса и заполняющих элементов. Суть работы такой решётки довольно проста: поскольку каждый горизонтальный (условно) элемент не может выдержать полную нагрузку ввиду недостаточно большого сечения, два элемента располагаются на оси главного воздействия (силы тяжести) таким образом, чтобы расстояние между ними обеспечивало достаточно большое сечение поперечного среза всей конструкции. Ещё проще можно объяснить так: с точки зрения восприятия нагрузок ферму рассматривают так, будто она выполнена из цельного материала, при этом заполнение обеспечивает достаточную прочность, исходя лишь из расчётного приложенного веса.

Конструкция фермы из профильной трубы: 1 — нижний пояс; 2 — раскосы; 3 — стойки; 4 — боковой пояс; 5 — верхний пояс

Такой подход крайне прост и зачастую его с лихвой хватает для сооружения простых металлоконструкций, однако материалоёмкость при грубом расчёте получается крайне высокой. Более подробное рассмотрение действующих воздействий помогает снизить расход металла в 2 и более раз, такой подход и будет наиболее полезным для нашей задачи — сконструировать лёгкую и достаточно жёсткую ферму, а потом собрать её.

Основные профили ферм для навеса: 1 — трапециевидный; 2 — с параллельными поясами; 3 — треугольный; 4 — арочный

Начать следует с определения общей конфигурации фермы. Обычно она имеет треугольный или трапециевидный профиль. Нижний элемент пояса располагают преимущественно горизонтально, верхний — под наклоном, обеспечивающим правильный уклон кровельной системы. Сечение и прочность элементов пояса при этом следует выбирать близкими к таким, чтобы конструкция могла поддерживать свой собственный вес при имеющейся системе опоры. Далее производится добавление вертикальных перемычек и косых связей в произвольном количестве. Конструкцию нужно отобразить на эскизе для визуализации механики взаимодействия, указав реальные размеры всех элементов. Далее в дело вступает её величество Физика.

Дифференциальный расчёт усилий

Переходим от общего к частному: теперь необходимо установить количественное значение усилий, действующих на каждый элемент фермы. Для этого перечисляем каждый отрезок пояса и заполняющие вставки списком, затем каждый из них рассматриваем как сбалансированную плоскую систему.

Для удобства вычислений каждый соединительный узел фермы можно представить в виде векторной диаграммы, где векторы воздействий пролегают по продольным осям элементов. Всё, что нужно для вычислений — знать длину сходящихся в узле отрезков и углы между ними.

Начинать нужно с того узла, для которого в ходе вычисления реакции опоры было установлено максимально возможное число известных величин. Начнём с крайнего вертикального элемента: уравнение равновесия для него гласит, что сумма векторов сходящихся нагрузок равна нулю, соответственно, противодействие силе тяжести, действующей по вертикальной оси, эквивалентно реакции опоры, равной по величине, но противоположной по знаку. Отметим, что полученное значение — лишь часть общей реакции опоры, действующая для данного узла, остальная нагрузка придётся на горизонтальные части пояса.

Узел b

• -100 + S1 = 0
• S1 = 100 кг

Далее перейдём к крайнему нижнему угловому узлу, в котором сходятся вертикальный и горизонтальный сегменты пояса, а также наклонный раскос. Сила, действующая на вертикальный отрезок, вычислена в предыдущем пункте — это давящий вес и реакция опоры. Сила, действующая на наклонный элемент, вычисляется по проекции оси этого элемента на вертикальную ось: из реакции опоры вычитаем действие силы тяжести, затем «чистый» результат делим на sin угла, под которым раскос наклонён к горизонтали. Нагрузка на горизонтальный элемент находится также путём проекции, но уже на горизонтальную ось. Только что полученную нагрузку на наклонный элемент мы умножаем на cos угла наклона раскоса и получаем значение воздействия на крайний горизонтальный сегмент пояса.

Узел a

• -100 + 400 – sin(33,69) · S3 = 0 — уравнение равновесия на ось у
• S3 = 300 / sin(33,69) = 540,83 кг — стержень 3 сжат
• -S3 · cos(33,69) + S4 = 0 — уравнение равновесия на ось х
• S4 = 540,83 · cos(33,69) = 450 кг — стержень 4 растянут

Таким образом, последовательно переходя от узла к узлу, необходимо вычислить действующие в каждом из них силы. Обратите внимание, что встречно направленные векторы воздействий сжимают стержень и наоборот — растягивают его, если направлены противоположно друг от друга.

Определение сечения элементов

Когда для фермы известны все действующие нагрузки, пора определяться с сечением элементов. Оно не обязательно должно быть равным для всех деталей: пояс традиционно выполняют из проката более крупного сечения, чем детали заполнения. Так обеспечивается запас надёжности конструкции.

где: Fтр — площадь поперечного сечения растянутой детали; N — усилие от расчётных нагрузок; Ry — расчётное сопротивление материала; γс — коэффициент условий работы.

Если с разрывающими нагрузками для стальных деталей всё относительно просто, то расчёт сжатых стержней производится не на прочность, а на устойчивость, так как итоговый результат количественно меньше и, соответственно, считается критическим значением. Рассчитать можно на онлайн-калькуляторе, а можно и вручную, предварительно определив коэффициент приведения длины, определяющий, на какой части общей протяжённости стержень способен изгибаться. Этот коэффициент зависит от метода крепления краёв стержня: для торцевой сварки это единица, а при наличии «идеально» жёстких косынок может приближаться к 0,5.

где: Fтр — площадь поперечного сечения сжатой детали; N — усилие от расчётных нагрузок; φ — коэффициент продольного изгиба сжатых элементов (определяется по таблице); Ry — расчётное сопротивление материала; γс — коэффициент условий работы.

Также нужно знать минимальный радиус инерции, определяемый как квадратный корень из частного от деления осевого момента инерции на площадь сечения. Осевой момент определяется формой и симметрией сечения, лучше взять это значение из таблицы.

где: ix — радиус инерции сечения; Jx — осевой момент инерции; Fтр — площадь сечения.

Таким образом, если разделить длину (с учётом коэффициента приведения) на минимальный радиус инерции, можно получить количественное значение гибкости. Для устойчивого стержня соблюдается условие, что частное от деления нагрузки на площадь поперечного сечения не должно быть меньше произведения допустимой сжимающей нагрузки на коэффициент продольного изгиба, который определяется значением гибкости конкретного стержня и материалом его изготовления.

где: lx — расчётная длина в плоскости фермы; ix — минимальный радиус инерции сечения по оси x; ly — расчётная длина из плоскости фермы; iy — минимальный радиус инерции сечения по оси y.

Обратите внимание, что именно в расчёте сжатого стержня на устойчивость отображена вся суть работы фермы. При недостаточном сечении элемента, не позволяющем обеспечить его устойчивость, мы вправе добавить более тонкие связи, изменив систему крепления. Это усложняет конфигурацию фермы, но позволяет добиться большей устойчивости при меньшем весе.

Метод вырезания узлов

Этот метод заключается в последовательном вырезании (мысленно) узлов фермы,
начиная с узла где совпадают два стержня с неизвестными внутренними усилиями. Таким образом, каждый узел — это плоская система сходящихся сил, для которой можно составить два уравнения равновесия, из которых определяют неизвестные усилия в этих двух стержнях.

При применении этого метода принимается правило, согласно которому реакции
стержней направляются от узлов. Если же при определении реакции стержня произойдет, что она имеет отрицательный знак, то этот стержень сжат и действительное направление его реакции ориентировано к узлу.

Определим данным методом усилия в стержнях фермы, приведенной на рис. 1.26. Вырезаем сначала узел I (рис. 1.27). Кроме реакций XI и  Y
I  к нему приложены неизвестные реакции стержней 1 и 2, которые обозначаются S1 и S2
и направление которых, по правилу, от узла. Покажем в этом вырезанном узле I оси координат xIy и угол α. Как видно из схемы, узел и находится в равновесии под действием плоской системы сходящихся сил с двумя неизвестными усилиями: S1и S2. Составим для узла и уравнения равновесия,
используя условия равновесия для плоской системы сходящихся сил в виде. Будем иметь

Из второго уравнения определяем усилия S1. Оно равно

Как видим, стержень 1 сжатый усилиям 35,3 kH. С первого уравнения определим неизвестное усилие S2

S2 = – XI– S1 sinα = –10 – (– 35,3 · 0,707) = – 10 + 25,00 = 15,00 kH .

Таким образом, стержень 2 растянутый усилием 15,00 kH.

Далее вырезаем узел ІІ (рис. 1.28). В этом узле сосредоточены внешняя сила P1
и усилия трех стержней  S1 S2 и S4. Причем неизвестные усилия только в двух стержнях — в 3 (S3) и в 4 (S4). Также предварительно считаем, что стержни 3 и 4 растянуты, и их усилия  S3 и S4 направлены от узла ІІ. Усилия же в стержне 1 уже определено ранее, при вырезании первого узла, и не только установлено ​​его значение, но и то, что он сжат, поэтому направление его реакции S1 будет к узлу ІІ. Проведем через узел ІІ оси координат xy и покажем угол α.

Составим для узла ІІ уравнения равновесия, также используя условия, аналогичные предыдущим.

Из второго уравнения определяем усилия S3. Оно будет равняться

Как видим, стержень 3 сжатый усилиям 7,00 kH. Направление реакции S3 — к узлу ІІ.

Из первого уравнения находим усилия S4. Оно равно

S4 = –S1 sinα – S3 cosα = – 35,30 · 0,707 – (–7,00)0,707 = – 25,00 + 5,0 = – 20,00 kH.

Таким образом, стержень 4 сжатый усилием 20,00 kH.

Далее вырезаем узел IV (рис. 1.29). Он находится под действием внешней силы P2
и усилий в стержнях 4, 5 и 7. Усилия в стержне 4 определено и его направление — к узлу, а потому неизвестны — только усилия S5  и S7. Проведем через узел IV оси координат xy и покажем угол α. Направления усилий в стержнях 5 и 7 — от узла IV. Составим для узла IV уравнения равновесия, также используя условия равновесия:

Решаем систему, для чего из второго уравнения выразим усилия S5 через усилия S7. Оно будет равняться

Теперь подставим значение S5 в первое уравнение системы. Будем иметь

S7 cosα – (– S7)cosα – P2 + S4 = 0.

Отсюда

Стержень 7 сжатый усилием 7,00 kH. Теперь есть возможность найти усилие S5. Оно равно

S5 = – S7 = 7,00 kH.

Стержень 5 растянутый усилием 7,00 kH.

Теперь, для окончательного определения усилий в стержнях фермы, что рассматривается, необходимо вырезать узел V. К узлу V приложена реакция  Rv, усилия S7, которое направлено к узлу, и неизвестно усилию S6, которое направляем от узла. Составим для узла V уравнения равновесия, используя условия равновесия:

Как видим, для определения последнего неизвестного усилия S6  достаточно решить первое уравнение системы. Найдем S6 :

S6  = S7 cosα = 7,00 · 0,707 = 5,00 kH.

Стержень 6 растянутый усилием 5,00 kH.

Данные расчетов заносим в таблицу 1.1. Знак при определенном усилии в стержне показывает характер его нагрузки. Если он положительный («+»), То стержень растянут, если отрицательный («–»), то стержень сжат.

Метод Риттера

Рассмотрим второй аналитический метод определения усилий в стержнях плоской фермы. Это метод Риттера, или метод сечений.

Данный метод имеет несколько преимуществ по сравнению с рассмотренным ранее
методом вырезания узлов. Здесь нет необходимости составлять большое количество уравнений равновесия узлов, особенно когда ферма многостержневая. Кроме того, в случае неточности расчета какого-то стержня, в дальнейшем эта ошибка накапливается при расчетах других стержней. Метод Риттера лишен этих неудобств.

Особенность применения этого метода состоит в том, что условно делается сечение всей фермы, при этом в сечении должно быть не больше, чем три стержня с неизвестными усилиями. Тогда рассматривается равновесие одной из частей фермы, а вторая часть отбрасывается. Действие стержней, которые попали в сечение, заменяем их реакциями. предварительно считается, что эти стержни также растянуты, то есть их усилия направлены от узлов. Опорные реакции фермы определяются так же, как и при
применении метода вырезания узлов.

Определим усилия в 4, 5 и 6 стержнях фермы, сделав сечение и рассматривая равновесие правой части фермы (рис. 1.31). Вместо указанных стержней прикладываем в узле IV усилия S4 и S5 а в узле V — усилие S6. Направления указанных усилий — от узлов. К данной части фермы приложена внешняя сила P2 и реакция Rv. Покажем оси прямоугольной декартовой системы координат Vxy и угол α. Как видим, данная часть
фермы находится в равновесии под действием плоской системы произвольных сил, а
для этого составим для нее уравнения равновесия, используя условия равновесия. Согласно методу Риттера надо составлять уравнения равновесия, как суммы моментов сил относительно тех точек, где пересекаются линии действия большего количества неизвестных усилий. В данном случае такими точками будут точки ІІІ и IV. В отношении этих точек возьмем моменты сил.

Будем иметь

Вычислим неизвестные усилия. Из первого уравнения — усилия S5:

Из второго уравнения — усилия S4. Оно будет равняться

Таким образом, стержень 4 сжатый усилиям 20,00 kH, направление усилия S4 будет противоположный тому, который был показан на рис. 1.31.

Варианты конструкций ферм

Металлические конструкции из профильных труб характеризуются проведением масштабных работ, но они гораздо экономичнее и легче ферм, сооруженных из сплошных материалов. Профильные трубы получают из круглых труб по технологии горячей или холодной прокатки. В результате имеются трубы, напоминающие в поперечном разрезе различные геометрические фигуры, такие как прямоугольник, квадрат, многогранник, овал, полуовал и так далее. Для строительства фермы больше подходят квадратные трубы, поскольку они прочнее из-за наличия двух одинаковых ребер прочности.

Ферма – это конструкция из металла, которая характеризуется наличием верхнего и нижнего уровней, которые соединяются в виде решетки. Причем соединения не могут носить произвольный характер, а их количество рассчитывается по определенной формуле.

В конструкцию решетки входят:

• стойки, установленные вертикально;
• раскосы (подкосы), установленные под углом по отношению к стойкам;
• шпренгели (вспомогательные подкосы).

Фермы, в основном, предназначаются для соединения пролетов различного хозяйственного назначения. Благодаря наличию таких элементов как раскосы, они выдерживают значительные нагрузки без деформации даже при перекрытии больших по длине пролетов.

Как правило, фермы изготавливаются на земле или на специальных производственных площадях. Все элементы фермы соединяются между собой с применением сварки или клепки. Чтобы построить навес, козырек, крышу капитального строительного объекта или других построек, готовые, собранные на земле фермы поднимают и монтируют на конструкции соответствующей постройки, придерживаясь всех размеров.

Соединение пролетов осуществляется различными по форме фермами из металла, например:

• односкатными;
• двухскатными;
• прямыми;
• арочными.

Фермы, напоминающие треугольник и изготовленные из подобных труб, служат в качестве стропил, а так же элементами классических односкатных конструкций. Арочные фермы пользуются огромной популярностью из-за своей эстетичности, а также устойчивости против больших нагрузок. При этом арочные фермы собираются по более уточненным данным, для того, чтобы усилия распределялись равномерно по всем элементам фермы.

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:

• 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.

Чертеж фермы из стального профиля

Составление чертежа и расчет фермы из профильной трубы производится с соблюдением такой методики:

1. В первую очередь следует заняться расчетами планируемой или фактической длины помещения, например, гаража, ангара, сарая или летнего навеса из профильной трубы. Полученные данные будут учитываться при просчетах высоты фермы из профиля. А вот длина стального каркаса может варьироваться в зависимости от угла наклона крыши.
2. Следующим шагом определяют, какой формы профиль будет использован. Выбор в значительной степени зависит от функционального назначения ангара, угла уклона крыши, а также типа кровельного материала.
3. После проведения всех замеров предстоит выяснить, возможно ли будет транспортировать ферму на место монтажа, если ее сборку производить на стройплощадке.
4. Придется позаботиться и об оснащении механизма для строительного подъема кровли, если по длине объект достигает величин в пределах 12-36 метров.
5. Далее производятся расчеты параметров панелей, исходя из уровня предполагаемых нагрузок, которым постройка будет подвергаться перманентно или периодически. Для фермы из треугольного профиля наклон будет составлять 45º.
6. На конечном этапе закладывают шаг между узлами и изготавливают чертеж будущей фермы из профильной трубы, исходя из полученных данных.

Отметим, что для получения максимально правильных расчетов при подготовке чертежей для арочной фермы, лучше воспользоваться инженерным калькулятором. К тому же, в помощь проектировщикам сейчас разработаны специальные компьютерные программы и алгоритмы, так что нет необходимости считать вручную.

Изготовление деталей для фермы

Точность сборки фермы крайне важна, ведь все расчёты мы проводили методом векторных диаграмм, а вектор, как известно, может быть только абсолютно прямым. Поэтому малейшие напряжения, возникающие вследствие искривлений из-за неправильной подгонки элементов, сделают ферму крайне неустойчивой.

Сначала нужно определиться с размерами деталей внешнего пояса. Если с нижней балкой всё достаточно просто, то для нахождения длины верхней можно воспользоваться либо теоремой Пифагора, либо тригонометрическим соотношением сторон и углов. Последнее предпочтительно при работе с такими материалами, как угловая сталь и профильная труба. Если угол ската фермы известен, его можно вносить как поправку при подрезке краёв деталей. Прямые углы пояса соединяются подрезкой под 45°, наклонные — путём добавления к 45° угла наклона с одной стороны стыка и вычитанием его же с другой.

Детали заполнения вырезают по аналогии с элементами пояса. Основная загвоздка в том, что ферма — изделие строго унифицированное, а потому для её изготовления потребуется точная деталировка. Как и при расчёте воздействий, каждый элемент нужно рассматривать индивидуально, определяя углы схождения и, соответственно, углы подреза краёв.

Довольно часто фермы изготавливают радиусными. Такие конструкции имеют более сложную методику расчёта, но большую конструкционную прочность, обусловленную более равномерным восприятием нагрузок. Изготавливать скругленными элементы заполнения смысла нет, а вот для деталей пояса это вполне применимо. Обычно арочные фермы состоят из нескольких сегментов, которые соединяются в местах схождения заполняющих раскосов, что нужно учитывать при проектировании.

Применение профильных труб всевозможных форм

На сегодняшний день такие трубные изделия актуальны в машиностроении сельского хозяйства, строительстве, мебельном производстве. Благодаря специфическим свойствам профильных труб, можно претворить в жизнь самые оригинальные проекты по созданию перекрытий, пролетов, опорных конструкций, каркасов под последующее строительство объектов. Те же современные билборды делают с помощью профильных труб.

Навесы тоже не оказались исключением. Чтобы конструкция гарантированно получилась надежной и бюджетной, в качестве материала лучше использовать профилированную трубу (прочитайте: «Как сделать навес из профильной трубы правильно — инструкция»). Оптимальное решение − изделия с квадратным и прямоугольным сечениями. Если придерживаться размеров чертежа, из которого понятно, как сварить ферму из профильной трубы, получится устойчивая конструкция.

Методы установки фермы из профильной трубы

Из-за их большой длины и узких поясов во время установки необходимо принять меры для предотвращения коробления или перекатывания ферм. Открытые фермы длиной менее 20 метров обычно устанавливаются по одной ферме за раз с использованием распорок.

Стойка распорки изготавливается из легких стальных труб с плоскими концами, которые имеют отверстия для гвоздей, расположенные над поясами фермы.

Они разработаны с учетом обычных расстояний между фермами, например, 30см, 50 см или 75 см по центру. Связь носит временный характер, поскольку распорки можно снять после того, как фермы будут постоянно скреплены с диафрагмой.

Неустойчивость поясов фермы из-за собственного веса фермы, а также временных нагрузок конструкции усиливается с увеличением пролета.

Для пролетов более 20 метров рекомендуется модульный монтаж, чтобы избежать материального ущерба или, что еще хуже, травм на рабочем месте.

Некоторые производители по контракту требуют модульного возведения, когда пролеты превышают 20 метров. Помимо повышения безопасности, модульный монтаж может ускорить процесс установки.

• При использовании метода модульного возведения для стабилизации длинно пролетных ферм во время установки инженер-строитель должен включить соответствующую информацию в контрактные чертежи, чтобы подрядчик знал, что требуется модульное возведение.
• Ниже приводится пример подходящего словоблудия: «Фермы должны быть установлены в жесткие модули шириной не менее 2,5 метров, точно собранные в зажимное приспособление с окончательной обшивкой, постоянно прикрепленной на земле.
• В каждом модуле должны быть установлены указанные перемычки и распорки, как указано на чертежах изготовителя.”

Фермы обычно прибывают на место работы на бортовом прицепе связками. Когда связки связаны полосами, они относительно стабильны, но все же важно, чтобы точки захвата были расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы обеспечить стабильность.

• Следует избегать использования одного вилочного погрузчика для перемещения длинно пролетных ферм. Связка фермы должна быть помещена на опорную площадку, а все фермы должны быть закреплены в рамках подготовки к снятию бандажа.
• После того как ленты удалены, фермы можно перемещать по одной ферме в готовое приспособление для сборки модулей фермы. Подъемного крана с нейлоновыми стропами, достаточно длинными, чтобы расставить точки захвата, обычно достаточно для перемещения отдельных ферм в приспособление.
• Кондукторы должны располагаться на ровной поверхности, быть спроектированы так, чтобы поддерживать фермы в нескольких местах, и учитывать изгиб фермы.

Назначение кондуктора — обеспечить безопасное пространство и выровнять фермы под прямым углом для крепления распорок и обшивки, пока они еще находятся на земле. Как только модули будут построены, их можно будет безопасно и эффективно поднять на место.

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.

Основные нюансы готового изделия

Любое строительное сооружение держится благодаря правильно спланированной специальной системе или ферме. Нельзя просто так изменять ее геометрические размеры, даже при смене жестких узлов на шарнирные. Если стержни не несут нагрузки вне узла, то компоненты фермы сжимаются или растягиваются. Такие системы можно создать, воспользовавшись прямыми стержнями, связанными узлами ферм из трубных изделий. То есть, в итоге получается оригинальное висячее строение, включающее верхний и нижний пояса со стойками и раскосами между ними.

Сегодня современное строительство немыслимо без применения ферм. Но чаще всего последние востребованы при возведении покрытий огромных пролетов. Согласно такому принципу сооружаются спорткомплексы, мосты, сцены, подиумы, павильоны и др. Тот, кто нуждается в подобной конструкции, может купить ее в готовом виде или же самостоятельно сварить из труб, но прежде стоит разобраться, как рассчитать навес из профильной трубы.

Рассмотрим последний вариант, представляющий длительное и трудоемкое мероприятие.

Оно включает в себя:

1. Определение точного количества трубного материала для будущей фермы и степени давления на элементы системы.
2. Ответственный подход к подбору материала для фермы, имеющей треугольную форму. Оптимальным решением окажутся облегченные профилированные трубы с квадратным сечением. Отсюда и получается добротная конструкция.
3. Изготовление чертежа фермы из профилированной трубы с учетом особенностей каждой детали. По нему в дальнейшем будут собирать всю постройку.
4. Последний этап − выполнение монтажных работ, от которых зависит надежность и длительность эксплуатационных возможностей сооружения. А для положительного результата нужно досконально знать, как правильно сваривать фермы из профильной трубы. Читайте также: «Как сделать лестницу из профильной трубы своими руками».

Выбор конструкции фермы из прямоугольных элементов зависит от:

• длины пролета;
• размещения перекрытия чердака;
• угла уклона крыши.

Полезные советы — как сварить правильно

Ознакомившись с технологией сборки решетчатых ферм, достаточно просто устанавливается легкий и прочный каркас для кровли или светопрозрачного материала.

При этом желательно учитывать некоторые нюансы:

• Если требуется прочная и надежная конструкция, то больше подойдет металлическая труба в виде квадрата.
• Для большей жесткости главные элементы фермы соединяются с применением металлических уголков и прихваток.
• При креплении деталей фермы в верхнем поясе желательно применить двутавровые разносторонние уголки, соединяя детали с более узкой стороны.
• При креплении деталей нижнего пояса используют равносторонние уголки (двутавровые).
• Для соединения основных частей конструкции из металла большой длины используют накладные пластины из металла.

Ну и самое главное – это решить, как сварить ферму из профильной трубы. Особенно это актуально, если ее нужно сделать тут же, на строительной площадке. Подобные конструкции собираются с помощью сварки, а поскольку к качеству сварочных работ предъявляются высокие требования, то без хорошего сварщика и оборудования здесь никак не обойтись.

Стойки фермы крепятся под прямыми углами, а раскосы — под углами в 45 градусов. Для начала лучше заняться заготовкой основных и вспомогательных элементов фермы, порезав профильную трубу на отрезки, согласно размерам, указанным на рабочих чертежах. После этого приступают к сварке конструкции на земле, постоянно контролируя геометрические размеры.

В процессе сварки нужно контролировать качество каждого сварного шва. Это очень важно, поскольку ферма находится на высоте и несет определенную опасность для окружающих.