Стальные фермы: самостоятельный расчет, рекомендации по использованию

Металлические фермы представляет собой устойчивые конструкции, включающие в себя диагональные и/или вертикальные элементы, соединённые в узловые точки. Нагрузка на вертикальные элементы распределяется равномерно. Верхняя часть фермы испытывает сжимающее воздействие вдоль своей оси, тогда как нижняя часть находится в растянутом состоянии. Данный модуль можно быстро построить, простые конструкции бывают собраны в течение одного дня. Ключевым аспектом является создание точного плана.

Разновидности металлических ферм

Для различных задач применяют разнообразные виды ферм. Самыми распространенными типами являются следующие:

1. Параллельные. Они выделяются своей простотой и возводятся из множества идентичных элементов.
2. Арочные. Эти конструкции имеют характерную форму арки и включают внутренние и внешние арочные поверхности, соединенные множеством рёбер жёсткости. Радиус арки у таких ферм может варьироваться.
3. Треугольные. Часто выполняются в виде односкатных систем, которые могут быть использованы для создания односкатных крыш. Кроме того, существуют треугольные двухскатные конструкции, обычно используемые для кровель, которые расположены под углом друг к дружке.
4. Полигональные. Используются, когда необходимо работать с тяжёлыми покрытиями и их установка требует значительных усилий. Они часто применяются для разработки крупных структур.
5. Трапецевидные. Фермы в виде трапеции применяются аналогично полигональным, но отличаются более простой конфигурацией. При обеспечении устойчивого крепления конструкции трапецеидальная форма является предпочтительным вариантом.
6. Сегментные. Считаются самыми сложными среди металлических конструкций.

Здесь перечислены лишь наиболее распространённые типы металлических конструкций, но не все возможные варианты.

Преимущества и недостатки разных металлов для строительства металлических ферм

При создании железных ферм для навеса часто используют углеродистые стали. Помимо этого, для таких целей применяют металлы конструкционного и легированного типа. Чтобы защитить конструкцию от ржавчины, могут применяться трубы с покрытием из цинка. Алюминий часто используется при строительстве компактных построек.

Для небольших зданий на частных территориях обычно предпочитают углеродистую сталь, нередко покрытую цинком. Данный материал способен дать необходимую прочность для возведения надёжного сооружения.

С течением времени влияние осадков так или иначе приведет к коррозии даже при применении легированной стали. Однако все же по прочности такие стали, подвергнутые термообработке, обычно обладают более долгим сроком эксплуатации и лучше справляются с циклическими нагрузками в сравнении с углеродным материалом.

Стальные материалы типов 20А, 45, 40, 30А являются более премиальными и, следовательно, более затратными. Легированная сталь стоит ещё больше, поэтому часто стальные трубы меняют более доступными вариантами. Исходя из этого, при возведении сооружений до двадцати метров в ширину лучше отказаться от использования профтруб из подобных разновидностей сталей. Использование оцинкованного профиля будет оправдано, если планируется крепежная система при строительстве.

Основные элементы металлической фермы

Главные части металлофермы – это обводящие ее контур пояса и сетка. Сетка состоит из раскосов со стойками, или соединяющихся в узлах, или стыкующихся, или соединяющихся с использованием узловых формовок. Все элементы выравниваются по осям, что обеспечивает равномерное распределение нагрузки по стержням.

Верхняя часть фермы металлической состоит из криволинейных или зигзагообразных балок. На данном элементе конструкции устанавливаются верхние узлы соединения стоек. Нижняя часть возводится с использованием горизонтальной балки, а позже к ней крепят нижние узлы соединения стоек с раскосами.

Стойки являются основными вертикальными компонентами фермы для навесов, размещаемыми между обоими поясными конструкциями. Они подвержены компрессии, берут на себя основную нагрузку и переправляют ее до основания.

Теперь об узлах с раскосами. Раскосы — установленные диагональные элементы, установленные под 45°. Они присоединяют края обоих поясов, выполняя функции сжимания и растяжения. Узлы, также называемые панелями, представляют собой узкие области на обоих поясах, где осуществляется присоединение диагональных элементов или вертикальных стоек.

Типы сечений стержней металлических ферм

1. Трубчатые профили.

С точки зрения стоимости материала они являются самыми экономичными вариантами. Эти трубы отличаются хорошей аэродинамикой, что способствует снижению воздействия ветра, что важно для высоких строений. Благодаря тому, что на металлических перекрытиях, сделанных из трубчатых элементов, скапливается меньше инея и влаги, они менее подвержены образованию ржавчины.

Эти конструкции также проще чистить и обновлять за счет удобства доступа к поверхностям. Однако применение такого профиля имеет и минусы, к примеру, более высокая цена самих труб и определенные трудности в сборке из-за особенностей конструкции элементов.

2. Гнуто-замкнутые профили.

Их особенности близки к тем, что предоставляют трубчатые сечения, но их применение более распространено, поскольку требует более простых соединений элементов. Необходимо понимать, что производство ферм из таких профилей должно быть особенно точным.

Из-за сложностей технологии гибких профилей толщина не может превышать 10–12 мм, что ограничивает использование данных металлических ферм. Значительные пластические деформации в местах прогиба негативно сказываются на хрупкости стали.

3. Уголки.

Для простых ферм с 4-мя гранями, испытывающих небольшие нагрузки, наиболее подходящим типом сечения пояса считается использование одиночного уголка или композиции из нескольких уголков, образующих крестовое сечение. Однако если стальная ферма подвергается значительным нагрузкам, в конструкцию вводятся двутавры. Критическим является обеспечение равновесия сжатых элементов металлических ферм в перпендикулярных направлениях.

Строение фермы

У каждой структуры присутствуют:

1. Верхние и нижние плоскости, называемые поясами.
2. Решетки, связывающие пояса.
3. Стойки, протянутые перпендикулярно поясным конструкциям.
4. Раскосы, являющиеся рёбрами жёсткости, ориентированными под углом к плоскости, что придает конструкции устойчивость.
5. Шпренгеля – это особые варианты раскосов, выполняющие вспомогательные функции.

Точка, где пересекаются два или более рёбер, определяется как узел. Интервал между двумя ближайшими узловыми частями называется панелью. Пролёт – это дистанция между опорами структуры. Установка большего количества решёток считается показателем повышенной прочности.

Очень важно, каким образом организованы внутренние решётки. Здесь стараются достичь баланса между экономией металла, затраченного на детали, и прочностью всей конструкции. Существует несколько вариантов организации внутренних элементов металлофермы:

• При использовании расположения решёток в форме треугольника конструкция обладает сравнительно низкой прочностью. Тем не менее преимущество этого варианта заключается в более эффективном использовании металлических стержней.

Треугольное расположение

• Шпренгельную схему рекомендуется применять тогда, когда максимум веса падает на верхнюю дугу. В данной ситуации решетки располагают так, чтобы нагрузка не повредила основание между балками.
• Распределение решёток в форме косого раскоса используется тогда, когда нагрузка распределяется примерно одинаково на оба направления прогона.
• Крестовая конструкция оказывается эффективной в том случае, если нагрузка воздействует как вертикально, так и под углом к направлению стержня.
• Для некоторых типов структур предпочтительно использовать тавры. В этих случаях часто используется перекрёстная схема размещения решёток.
• Полураскосное и ромбовидное размещение компонентов применяется для сборки структур с вертикальным положением.

Как проектировать ферму

Применение металлоферм при строительстве – эффективный метод из-за ряда причин. Эти конструкции очень прочные, они имеют отличные эксплуатационные характеристики и сравнительно низкую стоимость относительно альтернативных вариантов. Они способны сохранять свою форму даже при высоких нагрузках. Кроме того, они совместимы с различными видами кровельных материалов, включая монтаж сэндвич панелей, что делает их универсальным выбором для широкого спектра строительных проектов. Рассмотрим, как осуществляется расчет фермы.

Общие принципы

При разработке проекта важно учитывать следующее:

1. Оптимальная форма как гарантирует прочность сооружения, так и помогает сэкономить.
2. Металлоферма должно быть устойчива в обоих направлениях и обеспечивать хорошую аэродинамику. Ее следует разрабатывать с учетом обеспечения высоких эксплуатационных характеристик.
3. Важно достигнуть баланса между эффективным использованием металла и обеспечением хорошей прочности.

Кроме того, перед стартом работы необходимо определиться с желаемым вариантом из всех видов металлических ферм.

Начало работы

Прежде чем начинать проектирование, необходимо разобраться со следующим:

1. Определить желаемые габариты крыши в плане длины с шириной, беря в учет предпочтительную форму конструкции.
2. Рассмотреть выбор материала как для распорок, так и для обоих поясных конструкций.
3. Углы уклона и ожидаемый вес нагрузки также должны быть учтены.

Следует помнить, что сооружения из металлопрофиля обладают особыми точками устойчивости, которые гарантируют стойкость и стабильность всей конструкции. Поддерживающие элементы в этих областях должны быть изготовлены из материала наивысшего качества.

Как выбрать материал

Для создания фермы из металла обычно применяют металлический профиль, представляющий собой прямоугольную или квадратную трубу. Для небольших строений обычно выбирают профиль с сечением 4х2х0,2 см и длиной 450 см. Если сооружение превышает 500 см в длину, следует использовать профиль 4х4х0,2 см. Для более крупных конструкций предпочтительнее использовать профиль 4х6х0,3 см.

Стойкость и надежность достигаются за счёт применения несущего профиля. Для крепления используется менее массивный вариант.

Что учитывать при проектировании

Большое влияние оказывают ветра с дождями в регионе, где ведётся строительство. Такие факторы следует брать в учет при проектировании. Для выполнения расчетов прочности удобно воспользоваться доступными в сети специальными калькуляторами ферм.

Важно иметь в виду, что простая схема с небольшими размерами фермы включает в себя минимальное количество элементов: несущие компоненты, которые определяют форму, а также вертикальные профильные столбы, обеспечивающие прочность. Ферму данного типа можно легко изготовить своими силами.

Выбор формы крыши

Крыши могут быть:

• односкатные
• двускатные
• плоские
• купольные
• шатровые
• арочные

Для создания собственного проекта самым легким вариантом является кровельный вариант с одним наклоном, где применяются фермы односкатные или крыши с двумя скатами, для которых понадобятся двускатные фермы. Тут важно знать, как правильно рассчитать ферму для навеса. Важно не забывать и про угол уклона. При разработке нужно учитывать точное размещение следующих деталей:

1. Оба обвязочных элементов.
2. Основные вертикальные стойки.
3. Распределительные балки.
4. Дополнительные элементы крепления.

Фермы металлических перекрытий могут быть скреплены различными способами: клёпками, специальными соединителями или креплениями, также можно просто сварить. Важно не забывать и про угол наклона крыши. Изготовление металлической формы удобно проводить на земле, после чего её можно поднять для установки на вершину строения.

При принятии решения о конструкции распорок следует учесть различные возможные типы металлических ферм, которые будут использованы в проекте. Их варианты были перечислены выше.

Видео описание расчета металлической фермы

Выбор типа опорных решеток

Размещение внутренних опор важно оптимизировать для выдерживания требуемых нагрузок. Учитывая форму крыши, следует разработать систему расположения решеток так, чтобы нагрузка равномерно распределилась на опоры. Правильное распределение напряжений позволит избежать появления изгибающихся напряжений в металлической ферме.

Без учета этого фактора изгиб может стать дополнительным бременем для металлической структуры, что приведет к существенному ухудшению ее прочности и надежности. Решение этой проблемы потребует применения опор с более массивным сечением.

Этап проведения расчетов напряжений

Для проведения расчетов фермы из металлоконструкции требуется специализированное программное обеспечение или онлайн-инструменты. Все рассчитывают используются данные, полученные из различных источников, таких как:

1. Стандарты СНиП 2.01.07-85, где содержится информация о необходимых параметрах для правильного определения нагрузок.
2. Нормативные документы СНиП п-23-81, предоставляющие данные о разнообразных металлических конструкциях, необходимых для анализа и расчетов.

Видео описание метода расчета ферм

Покупка или изготовление фермы

После выбора конструкции, проведения необходимых расчетов и разработки чертежа со схемой наступает этап изготовления. Здесь можно рассмотреть такие варианты, как:

1. Собственные труды, направленные на создание металлической конструкции.
2. Приобретение соответствующей модели у специализированных фирм-производителей.
3. Заказ работы у квалифицированных специалистов с последующей платой за их работу.

При собственном изготовлении стоимость готового сооружения будет небольшой. Это дает мастеру, который занимается созданием фермы для крыши, большую свободу в реализации идей. Однако такой подход также влечет за собой ответственность за какие-либо ошибки, допущенные при постройке.

Приобретение готового сооружения обеспечивает хорошее качество изготовления, но гораздо дороже по цене, чем первый вариант. Также возможно, что у продавца не будет фермы с требуемыми параметрами. В подобной ситуации можно заказать металлическую конструкцию по индивидуальному проекту у специалистов. Однако чтобы они могли правильно все вычислить, важно правильно сформулировать поставленную задачу.

Видео описание метод сечений при расчете ферм

Проведение сборки

Чтобы установить конструкцию, требуется выполнить следующие шаги:

1. Подготовка ферм. Их сборка происходит на земле.
2. Подготовка вертикальных опор, предназначенных для размещения металлоферм. Убедитесь, что они стоят строго по вертикали, что можно проверить, используя отвес.
3. Закрепление горизонтальных труб на вертикальных столбиках, применяя метод сварки сварочным аппаратом.
4. Поднятие подготовленной металлофермы.
5. Очистка сооружения от загрязнений, обезжиривание и покрытие краской. Важно убедиться, что все участки, включая соединения труб, выглядят равномерно окрашенными.

Что делать после установки

Для сохранения сваренных металлических деталей необходимо предпринять соответствующие меры. Важно обработать их специальным антикоррозийным составом и покрасить, чтобы обеспечить защиту от негативного воздействия внешней среды. Дальше идет монтаж кровли.

Пример расчета треугольной односкатной фермы

До начала определения параметров фермы из профильной трубы нужно сначала определить требуемые размеры конструкции. Длина и ширина будут основополагающими параметрами. Высота, в свою очередь, зависима от угла, образованного поверхностями фермы. Обычно варьируется в диапазоне от 1/4 до 1/5 от общей длины.

В треугольных фермах широко используют углы 35-50 градусов. Хотя чаще всего предпочтение отдаётся углу в 45. Фермы из профтрубы (с пролетом 6 метров), обеспечивающие прочность, зависят от местоположения решеток. Поэтому важно определить, на каком интервале должны находиться эти решётки, чтобы обеспечить нужную прочность.

При анализе фермы, состоящей из профильной трубы, и пролете фермы, превышающем 30 метров, важно учитывать подсчет строительного подъёма. На этапе проектирования данной металлической конструкции оценивают диаметр труб и их несущую нагрузку.

Помните, что при попытках сэкономить на тонких материалах они не гарантируют нужную прочность для надёжной и долгосрочной эксплуатации фермы металлической. При расчёте навеса из металлопрофиля полезно воспользоваться сайтом, предоставляющим калькулятор, чтобы было легче вычислять.

В качестве примера рассмотрим расчёт односкатной фермы размером 4 на 6 метров. Для такой конструкции возьмем профиль 30 на 30 мм со стенками в 1,2 мм. Схема устройства сооружения предполагает, что длина нижнего прогона составляет 310 см, а верхнего – 390 см. В местах, где располагается узкий перпендикулярный край односкатной фермы, требуется установить вертикальные стойки высотой 60 см.

Для укрепления участков используются косые перемычки, создающие треугольную форму. Возможно изготовление их из более тонкого материала. На участке длиной 6 метров рекомендуется установить пять таких конструкций, установив их равномерно. Для усиления можно применить дополнительные косые распорки в перпендикулярном положении. Для этой цели подходит профиль 2 на 2 см с расстоянием в 50 см.

Видео описание программы расчета треугольной фермы