Трапециевидная ферма – Виды деревянных ферм. Область применения Основы расчета. Обеспечение пространственной неизменяемости (связи).

3. Расчет трапецоидальной (пятиугольной) фермы

Конструктивное решение. Несущие конструкции покрытия принимаем в виде трапецоидальных ферм, которые могут быть применены при рулонных кровлях. Материал конструкций – клееные брусья для сжатых и сжато-изогнутых элементов ферм и сталь С235 – для растянутых. Схема покрытия представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема покрытия

1 – фермы; 2 – вертикальные связи

Шаг ферм принимаем 6 м, что соответствует шагу колонн и пролету панелей покрытия. Пространственная устойчивость покрытия обеспечивается прикрепляемыми к верхнему поясу панелями покрытия и вертикальными связями по стойкам ферм.

Расчетный пролет фермы l= 17,7 м. Высоту фермы принимаемh = l/7 = 2,53 м, уклон верхнего поясаI= 0,1. Строительный подъемfстр

=l/200 = 0,09 м.

Геометрические размеры элементов фермы без учета строительного подъема (см. рис. 3):

стойки – АБ = 1640 мм, ГЕ = 2290 мм, высота ВЖ = 1930 мм;

раскосы – ДЕ = 3920 мм, АВ = 3390 мм, ВЕ = 3610 мм;

панели верхнего пояса – БВ = 2870 мм, ВГ = ГД = 3020 мм.

Рис. 3. Геометрическая схема фермы

Статический расчет фермы. Нормативная нагрузка на ферму от панелей покрытия составляетqн= 0,453 кН/м2; расчетная нагрузка от панелей покрытия –q= 0,529 кН/м2, снеговая нагрузка -кН/м2.

Собственный вес фермы находим по формуле:

Расчетная нагрузка на 1 м фермы:

постоянная

снеговая 1,05 1,06,3 кН/м

где f= 1 при среднем периоде повторяемости Т = 50 лет;

суммарная нагрузка q= 3,79+6,3=10,09 кН/м

Узловая нагрузка на ферму:

постоянная G= 3,79 кН/м3 м = 11,37 кН;

снеговая Р = 6,3 кН/м 3 м = 18,9 кН;

полная G+ Р = 11,37 + 18,9 = 30,27 кН.

Поскольку ферма симметричная, находим усилия в стержнях фермы при действии равномерно распределенной односторонней единичной нагрузки на левой половине фермы. Распределенную единичную нагрузку приводим к узловой нагрузке по верхнему поясу фермы. Усилия в стержнях можно определить графическим или аналитическим путем, используя методики, основанные на законах строительной механики.

В данном случае усилия определены при помощи ЭВМ. Статический расчет плоской системы, состоящей из стержневых элементов (см. рис. 4), выполнен с помощью программного комплекса «ЛИРА – Windows8.2». В основу расчета положен метод конечных элементов в перемещениях. В качестве основных неизвестных приняты следующие перемещения узлов: Х – линейное по оси Х,Z– линейное по осиZ,UY– угловое вокруг осиY.

Рис. 4. Расчетная схема фермы при загружении единичной нагрузкой

В таблице 2 представлены усилия в элементах фермы. В первой графе указывается индексация усилий. В последующих графах указываются: в первой строке шапки – номер элемента и номер сечения в этом элементе, для которого печатаются усилия; во второй и третьей строке – обозначения узлов.

Таблица 2 – Усилия в элементах фермы от единичной нагрузки

Усилия в элементах

1-1

Г

Д

1-2

Г

Д

2-1

Д

Г

2-2

Д

Г

3-1

А

Б

3-2

А

Б

4-1

Е

Г

4-2

Е

Г

N

M

Q

-3,2740

00963

-00332

-3,2740

-00039

-00332

-1,9534

00218

-00036

-1,9534

00109

-00036

-48602

-01321

01662

-48602

01405

01662

-99448

00082

-00167

-99448

-00291

-00167

5-1

Е

Г

5-2

Е

Г

6-1

А

Б

6-2

А

Б

7-1

Е

Д

7-2

Е

Д

8-1

Д

Е

8-2

Д

Е

N

M

Q

00152

00397

-00319

00152

-00315

-00319

-00434

00577

-00709

-00434

-00586

-00709

87216

00567

-00078

87216

00261

-00078

-84728

00003

00074

-84728

00296

00074

9-1

А

Е

9-2

А

Е

10-1

Е

Е

10-2

Е

Е

11-1

Е

А

11-2

Е

А

12-1

В

Б

12-2

В

Б

N

M

Q

2,6080

-00517

00287

2,6080

01165

00287

2,5919

00738

-00123

2,5919

-00001

-00123

1,1170

00555

-00146

1,1170

-00300

-00146

-00749

00474

-00360

-00749

-00586

-00360

13-1

Г

В

13-2

Г

В

14-1

В

Г

14-2

В

Г

15-1

Б

В

15-2

Б

В

16-1

А

В

16-2

А

В

N

M

Q

-1,9504

00425

-00055

-1,9504

00263

-00055

-3,2762

00899

-00077

-3,2762

00672

-00077

-01764

-01405

00929

-01764

01327

00929

-3,1100

-00803

00428

-3,1100

00698

00428

17-1

В

Е

17-2

В

Е

18-1

Е

В

18-2

Е

В

19-1

В

А

19-2

В

А

N

M

Q

77943

01126

-00304

77943

00058

-00304

98689

00136

00072

98689

00388

00072

-1,3316

00178

-00129

-1,3316

-00277

-00129

Пользуясь симметрией фермы, определяем усилия в элементах от загружений фермы постоянной и временной нагрузкой. Сочетаниями нагрузок, в соответствии с 2, являются:

а) постоянные и временные нагрузки по всей длине конструкции;

б) постоянные нагрузки по всей длине конструкции и временные – на половине длины.

За расчетное усилие в элементе принимается наибольшее усилие, которое может появиться при эксплуатации от возможного сочетания постоянных и временных нагрузок.

Результаты определения расчетных усилий в стержнях фермы приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Расчетные усилия в стержнях фермы

Элементы фермы

Стержни

Усилия от единичной

нагрузки

Усилия от нагрузок, кН

Расчетные усилия, кН

Обозначение усилия

постоянной

G = 11,37 кН

снеговой

Р = 18,9 кН

слева

справа

полная

слева

справа

Верхний пояс

БВ

-0,017

-0,007

-0,024

-0,273

-0,321

-0,132

-0,726

O1

ВГ

-3,276

-1,950

-5,226

-59,42

-61,916

-36,855

-158,191

O2

ГД

-3,274

-1,953

-5,227

-59,42

-61,879

-36,912

-158,211

O2

Нижний пояс

АЕ

2,608

1,117

3,725

42,353

49,291

21,111

112,755

U1

ЕЕ

2,592

2,592

5,184

58,942

48,989

48,989

156,92

U2

Раскосы

АВ

-3,110

-1,332

-4,442

-50,505

-58,779

-25,175

-134,459

D1

ВЕ

0,779

0,987

1,766

20,079

14,723

18,654

53,453

D2

ЕД

0,872

-0,847

0,025

0,284

16,48

-16,008

16,764

-15,724

D3

Стойки

АБ

-0,486

-0,004

-0,49

-5,571

-9,185

-0,076

-14,832

V1

ГЕ

-0,995

0,001

-0,994

-11,302

-18,805

-0,019

-30,126

V2

Подбор сечения элементов фермы.

Верхний пояс.Верхний пояс принимаем из неразрезного клееного бруса прямоугольного сечения. Опирание концов бруса в узлах выполняем с эксцентриситетоме= 4 см.

Назначаем сечение бруса b h = 754297 мм (для изготовления взяты доски 17040 мм, после фрезерования доски будут иметь размер 15433 мм).

Проверяем сечение на прочность и устойчивость на сжатие с изгибом.

Находим изгибающие моменты в верхнем поясе (рис. 5):

в узлах В и Д:

в узле Г:

по середине панели:

Гибкость пояса в плоскости действия изгибающего момента

Рис. 5. Расчетная схема и эпюра моментов для верхнего пояса

,

где r= 0,28929,7 = 8,58 см.

Площадь сечения Fбр= 15,429,7 = 457,38 см2

С учетом ослабления одним горизонтально – расположенным болтом d= 16 мм, F= 432,74 см2

Момент сопротивления

С учетом ослабления одним горизонтально – расположенным болтом Wнт= 2257,46 см3

Проверяем устойчивость:

Проверку пояса из плоскости фермы не производим, т.к. он закреплен от потери устойчивости панелями покрытия.

Нижний пояс.Сечение пояса проектируем из двух равнобоких уголков. Требуемая площадь сечения:

где Rу– расчетное сопротивление стали С235 для фасонного проката с толщиной до 20 мм.

Принимаем 2 505,F = 2  4,8 = 9,6 см2.

Раскосы. Сечение центрально сжатых опорных раскосов АВ принимаем из клееных брусьевb h = 154165 мм(из досок 17040 мм, после фрезерования – 15433 мм),F= 254,1 см2и проверяем на продольный изгиб при гибкости стержня:

и

Проверка устойчивости раскоса:

Сечение раскосов ДЕ и ДЕ, в которых могут быть знакопеременные усилия, принимаем из клееных брусьевb h= 154132 мм(из досок 15040 мм, после фрезерования – 13433 мм),F= 203,28 см2.

Проверяем сечение на продольный изгиб при

и

Прочность раскоса на растяжение не проверяем, т.к. она очевидна.

Растянутый раскос ВЕ принимаем из двух уголков 50 5,F= 24,8 = 9,6 см2.

Проверка прочности:

Стойкипринимаем из клееных брусьевb h = 99154 мм (из досок 17040 мм, после фрезерования – 15433 мм),F= 152,46 см3.

Проверяем сечение на продольный изгиб при:

и

Конструирование и расчет узловых сопряжений.

Опорный узел(рис. 6). Деревянная стойка и опорный раскос упираются в сварной башмак. Размеры опорной плиты назначаем конструктивно: 150290 мм,F= 435 см2.

Рис. 6. Опорный узел

а – общий вид; б – схема к расчету опорной плиты; в – схема к расчету упора раскоса

Напряжение смятия под опорной плитой:

,

где - опорная реакция фермы.

Толщину опорной плиты определяем из расчета ее на изгиб. Изгибающие моменты в плите (для полосы шириной 1 см):

- в пролете с учетом разгружающего влияния опорной стойки:

;

- на консольном участке:

Требуемую толщину плиты для каждого участка (с учетом пластичности) находим по формуле:

;

- для среднего участка плиты:

;

- для консольного участка:

Толщину плиты принимаем 8 мм, с учетом работы на изгиб на консольном участке полки уголка нижнего пояса толщиной 5 мм.

Наклонную упорную стальную плиту башмака укрепляем ребрами жесткости из полосы 50 6 мм. Размеры упорной плиты принимаем в соответствии с сечением опорного раскоса 154165 мм.

Напряжение под упором раскоса определяется по формуле:

Изгибающие моменты в плите шириной 1 см (рис. 6, в):

- на консольном участке:

;

- на средних участках:

Требуемая толщина плиты (с учетом пластичности):

Принимаем толщину упорной плиты t= 8 мм.

Проверяем прочность плиты на изгиб в перпендикулярном направлении, рассчитывая как балку таврового сечения пролетом 15,4 см, шириной 6 см, с ребром 5 0,6 см (см. 6, в, заштрихованная часть).

Изгибающий момент в заданном направлении:

Требуемый момент сопротивления балки (с учетом пластичности):

Для принятого сечения расстояние от центра тяжести до наиболее удаленного волокна 4,53 см, момент инерции 22,5 см4и момент сопротивления:

, что больше требуемого.

Узел В.Элементы, сходящиеся в узле, соединяются при помощи металлической вставки (см. рис.7). Верхний пояс упирается в стальной лист толщиной 8 мм, усиленный ребрами жесткости. Расчет прочности аналогичен проверке соответствующей детали опорного узла.

Усилие от опорного раскоса передается на узловую вставку посредством двух уголков 50 5. Прочность уголков достаточна, т.к. усилие в опорном раскосе меньше усилия в нижнем поясе, составленном из тех же уголков.

Длину сварных швов, прикрепляющих уголки к фасонкам вставки, назначаем: у пера - 130 мм, у обушка – 120 мм. Катеты швов соответственно 4 и 5 мм. Проверяем прочность швов:

,

где ,;

Усилие опорного раскоса передается с деревянного бруса на уголки также при помощи сварного упора с плитой толщиной t = 8 мм и размером 130146 мм. Проверка прочности плиты аналогична проверке упора в опорном узле.

Опорные ребра упора привариваем к уголкам сварными швами кf= 5 мм. Плита упора приваривается к уголкам также швамикf= 5 мм.

Проверяем прочность швов:

Уголки 50 5 растянутого раскоса привариваем к фасонкам вставки швами длиной у пера 50 мм и у обушка – 80 мм. Катеты швов соответственно 4 и 5 мм.

Проверяем прочность швов:

Конструкции узлов фермы показаны на рис. 7.

Рис. 7. Общий вид фермы и конструкция узлов

58. Сборные трапециевидные фермы со сжатым опорным раскосом.

Трапециевидные металлодеревянные фермы с прямолинейным клееным верхним поясом относятся к индустриальному типу. Верхние пояса из клееных блоков прямоугольного сечения на всю длину от опоры до конька, т. е. неразрезные либо разрезные со стыкованием блоков в каждом узле верхнего пояса. Для нижнего пояса применяют стальные угловые профили.

Решетка ферм треугольная с восходящим опорным раскосом, а стойку располагают либо вертикально, либо перпендикулярно верх­нему поясу. Ввиду значительной длины панелей, приложение нагрузки к верхнему поясу внеузловое, в результате чего в нем возникают усилия сжатия и изгиба. Для уменьшения изгибающего момента в узлах пояса создают эксцентричное приложение осевой силы, подре­зая пояс либо смещая площадки смятия. Этот конструктивный прием вызывает возникновение изгибающего момента с обратным знаком.

Узловые соединения решают с помощью стальных крепеж­ных деталей.

Различие в фермах с нисходящим и восходящим опорным раскосом в том, что данные раскосы выполненяются из разных материалов. В случае сжимающего усилия, как в восходящем раскосе, раскос изготавливается из древесины, при растяжинии – металл или пластик.

59. Своды-оболочки с поверхностью гиперболического параболоида, их конструкция и принцип расчета.

Среди деревянных оболочек с поверхностью двоякой кривизны гиперболические оболочки получили наибольшее распространение. Наиболее часто в покрытии применяют оболочки в фор­ме гиперболического параболоида (гипара) с прямолинейными бортовыми элементами. Покрытия могут состоять из од­ного гипара, двух, трех и более, образуя многосекцион­ные оболочки. Этими конструкциями перекрывают зда­ния с квадратным, прямоугольным, многоугольным и кри­волинейными планами.

Поверхность гипара образуется способа­ми трансформации плоского четырехугольника в простран­ственный смещением по вертикали одного или двух ди­агонально расположенных углов, или скручиванием про­тиволежащих прямолинейных элементов контура отно­сительно один другого (рис. 59, а).

Недостат. гиперб-их обол. — некот. зыбкость и дост. выс. для древ. касс. напряж.

Рис. 59. Гиперболическая оболочка

а — схема образования гипара; б — усилия в оболочке; в — одиночная и сдвоенная гипербол-ие обол.

Деревянные гиперболические оболочки состоят из пролетного строения и бортовых элементов. Сечение оболочки при пролетах до 8—10м состоит из двух слоев шпунтованных досок толщиной 20-25 мм, уложенных параллельно диагоналям. При проле­те 10—12 м сечение оболочки выполняют из трех-четырех слоев досок или брусков. Слои располагаются под углом 45° относительно один другого в различных сочетаниях. Толщину слоя досок или брусков опред-т расчетом и конструк. схемой укладки.

Доски соед-тся на гвоздях, склеив-ем или комбин-о. Фанерные обол. М. сос-ть из фанерных полос, + из ребристых клеефанерных пан. с одной или двумя обшивками.

Как деревянные, так и клеефанерные оболочки могут быть построечного изготовления и сборными, монти­руемыми из отд. частей.

Бортовые элементы гиперболических оболочек изго­товляют из клееной древесины и имеют ширину 50— 200 мм при высоте 150—300 мм. Они могут быть криволинейного очертания или закрученные относительно про­дольной оси; оболочка примыкает к бортовому элементу сверху или снизу и соед-ся с ним гвоздями со склей­кой. Как правило, гипары являются распорными конструкциями. Распор восприн-ся затяжкой или отпором грунта фунд-а. Масса дер-х оболочек сос-т 20—30 кг/м2.

Приближ-й расчет гипаров выполнится по безмоментной теории. В этом случ. в обол. опред-т норм. и касс. усилия (напряжения). В пологой гиперболической оболочке на квадратном плане (рис. 59, б) при действии равном. распреде­ленной по горизонтальной проекции нагрузки g возника­ют только сдвигающие усилия S постоянной интенсив­ности. Главные растягивающие (параллельно вогнутой диагонали) и главные сжимающие (параллельно выпук­лой диагонали) усилия по интенсивности равны сдвигающим усилиям и направлены к ним под углом 45°. S= N1=-N2 = gl2/8f.

Сдвигающее усилие в бортовом элементе N6 = Sl/cos a,

где а — угол наклона бортового элемента к горизонтальной пло­скости.

Распор в однолепестковом гипаре H = 2Slcos45°.

Почему не стоит проектировать треугольные фермы?

Нагрузка на покрытие, как правило, равномерна. Эпюра моментов на любой однопролетной конструкции, будет квадратичной параболой:

Мировой опыт проектирования накопил немало различных вариантов очертаний ферм – с параллельными поясами, полигональные, трапециевидными – они перечислены в любом учебнике металлоконструкций, по ним разработаны десятки типовых серий.

Общая черта большинства стальных ферм – пояса в них имеют постоянное сечение. Это удобно в технологическом плане, в плане унификации сечений. Примем это за аксиому. В таком случае, несущая способность сечения фермы на изгиб будет характеризоваться в первую очередь расстоянием между поясами.

Жирной линией на верхних рисунках выделены основные несущие элементы фермы – пояса и опорные раскосы.

На нижних синим цветом показана эпюра несущей способности фермы на изгиб – пропорционально расстоянию между поясами. Чем ближе эта эпюра к эпюре изгибающих моментов, тем более равномерными будут усилия в поясах и тем более рациональным будет использование материала.

Красные заштрихованные области – «излишек» материала – в этих областях пояса имеют низкий коэффициент использования, что выливается, по сути, в перерасход материала и увеличение металлоемкости покрытия.

Теперь рассмотрим «треугольный» вариант:

Выглядит устрашающе, не правда ли? На опорах эпюра M и эпюра несущей способности фермы на изгиб, равны нулю. Вот только при приближении к опорам они стремятся к нулю с разной скоростью. Приходится поднимать синюю линию так, чтобы она не оказалась «ниже» касательной к параболе эпюры моментов.

Именно приопорные панели являются для треугольной фермы решающими и определяющими сечения поясов фермы. Именно они заставляют назначать поясам фермы «завышенные» сечения, что приводит к нерациональному использованию материала на большей части фермы – по сути, мы просто тратим лишний металл и увеличиваем вес и стоимость покрытия.

Про решения с шарнирно-опертым прямоугольным треугольником, я думаю, говорить смысла нет – все итак очевидно.

Да, проблема нерациональности – не единственная. Обычно, начинающий проектировщик подбирает сечения для фермы в SCAD’е, ЛИРе или любом другом программном комплексе (а иногда даже ручным расчетом), открывает автокад, начинает вычерчивать и вдруг сталкивается с опорным узлом. Опорный узел получается... не получается опорный узел, на самом деле. Невозможно привести два мощных пояса в одну точку под острым углом – они начинают накладываться друг на друга еще за полметра от опоры. И именно в этом месте их сечения используются по максимуму.

Из-за больших размеров фермы по центру раскосы и стойки получаются очень длинными, их приходится подбирать по гибкости, а значит в очередной раз использовать материал нерационально. Но эта проблема решается проще всего – можно использовать шпренгельные раскосы, сокращая расчетную длину элементов решетки в плоскости фермы или использовать хитрые системы решеток.

Очень часто «необходимость» треугольной фермы диктуется неграмотностью заказчика, который думает, что на его складе/гараже/ангаре непременно необходимо организовывать уклон в 20-25%.

Довод заказчика «чтоб снег на крыше не лежал» легко оспаривается таблицей Г.1 СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия»:

То есть «не лежать» снег будет только на крыше с уклоном более 60 градусов. На покрытиях с уклоном меньше 30 градусов лежать будет практически весь выпадающий снег, как если бы крыша была плоской, по крайней мере в расчетах. Да, есть коэффициент сноса и он чуточку уменьшит количество расчетного снега, но его учитывать очень часто просто нельзя по п. 10.9 того же СП.

Для стока воды 20 градусов не нужны. И 15 не нужны. Минимальные уклоны кровли для различных покрытий расписаны в таблице 1 СП 17.13330.2011 «Кровли». Там дается цифра в 12 градусов для покрытия из профнастила.

 

 

Конечно, зачастую уклон действительно необходим и диктуется в первую очередь архитектурным решением. Не нужно думать, что в этом случае единственное решение – треугольная ферма.

Возможно, в каких-то случаях придется пойти на компромиссы с архитектором и заказчиком – уменьшить высоту потолка, увеличить общую высоту здания, изменить уклон, поставить дополнительные опоры или изменить характер работы конструкций. Но ведь на то мы и инженеры, чтоб находить рациональные выходы? 

Лекции по деревянным конструкциям - часть 3

С целью уменьшения величины изгибающего момента передача сжимающего 

усилия  в  узлах  верхнего  пояса  из  прямолинейных  элементов  осуществляется  с 
эксцентриситетом,  как  в  арках.  Первую  панель  нижнего  пояса,  в  котором 
отсутствуют  усилия,  может  быть  деревянной,  а  опорный  нисходящий  раскос, 
воспринимающий  большое  растягивающее  усилие - стальным,  как  и  среднюю 
панель  нижнего  пояса.  Трапециевидная  односкатная  ферма  имеет  аналогичное 
конструктивное решение. 

Могут применяться так же фермы с параллельными поясами.  
Треугольные  клееные  фермы  могут  иметь  верхний  пояс  из  двух  клееных 

панелей  разной  длины,  более  длинной  и  мощной  является  первая  от  опоры 
панель.  Из  клееной  древесины  выполняются  также  два  раскоса.  Нижний  пояс  и 
растянутый тяж принимаются стальными. Панели верхнего пояса в узлах стыкуют 
с эксцентриситетом. 

Сегментные  клееные  фермы  компонуются  с  таким  расчетом,  чтобы  дуга 

верхнего пояса была из криволинейных элементов одинаковой длинны. Все узлы, 
включая  узлы  верхнего  пояса,  центрируют  по  осям  элементов.  Верхний  пояс 
такой  фермы  может  быть  разрезным  или  неразрезным.  Благодаря 
криволинейному  очертанию  верхнего  пояса  создается  обратный  выгиб  по 
отношению  к  оси  изгиба  пояса  под  действием  внешней  нагрузки,  поэтому  эта 
ферма  имеет  мало  нагруженную  решетку,  что  упрощает  конструкцию  ее 
элементов и узлов. 

К  фермам  построечного  изготовления  относятся  фермы,  элементы  которых 

выполнены  из  цельных  не  клееных  бревен,  брусьев  или  досок  с  узловыми 
соединениями на нагелях (болтах, гвоздях) или на лобовых врубках. Растянутые 
элементы решетки и нижний пояс фермы часто  делается стальными. 

По очертанию фермы построечного изготовления могут быть треугольными 

и многоугольными. 

Фермы  из  центральных  элементов  со  стальным  нижним  поясом  при 

треугольном  очертании  позволяет  просто  организовывать  плоскую  скатную 
кровлю. В этих фермах верхний пояс и раскосы делают из брусьев, а центральную 
растянутую стойку - из круглой стали. 

При  многоугольном  очертании,  приближающемся  к  очертанию  эпюры 

моментов  в  простой  балке,  усилия  в  панелях  верхнего  пояса  мало  меняются  от 
эпюры к середине пролета и в элементах решетки возникают небольшие усилия. 
Это  дает  возможность  создавать  как  верхний  пояс,  так  и  элементы  решетки  из 
древесины и только нижний растянутый пояс делается из профильной стали.  

Недостатком такой фермы является небольшое число узлов. 
Фермы на лобовых врубках имеют треугольное или пятиугольное очертание. 

 

Схема решетки в этих фермах такова, что деревянные раскосы оказываются 

сжатыми, а металлические стойки - растянутыми. Это позволяет крепить сжатые 
раскосы  к  поясам  с  помощью  лобовых  врубок,  воспринимающих  только 
сжимающие усилия а растянутые стоики (тяжи) делать из круглой стали. Тяжи на 
одном  конце  снабжены  резьбой  и  гайкой,  что  обеспечивает  возможность 
уплотнения узлов при сборке. 

В  пятиугольных  фермах  вблизи  середины  пролета  при  односторонней 

снеговой нагрузке раскосы могут получать растягивающие усилия и выключаться 
из работы. 

Металлические фермы для навеса из профильной трубы: расчет и изготовление

Надежные и прочные металлические фермы – это одно из разновидностей современной продукции металлопроката. Это целостная форма, которая никогда не меняет своих геометрических параметров, даже если жесткие узлы заменены шарнирными. Из них получаются долговечные и надежные конструкции, как навесы, беседки, павильоны и даже целые крыши жилых домов. Но насколько такие конструкции целесообразнее, чем более привычные деревянные?

В этой статье мы расскажем вам о видах, особенностях и преимуществах металлических ферм. Надеемся, вы совершенно по-другому посмотрите на вопрос прочности стропильной системы, особенно, если вы хотите забыть про занозы, точащих древесину жучков и постоянных переживаниях об обработке элементов крыши.

Прочные металлические фермы сегодня активно применяются в строительстве частных домов и промышленных зданий. И совсем не обойтись без такой надежной строительной системы в возведении складских помещений, спортивных сооружений, торговых комплексов и павильонов для выставок, а еще для строительства офисных многоэтажных зданий. Что неудивительно, ведь металлические фермы особенно хороши, когда нужно перекрывать большие пролеты.

Фермы из металлической трубы имеют массу ценных преимуществ перед другими:

  • Устойчивость к деформациям при нагрузках.
  • Небольшой вес благодаря полым конструкциям.
  • Доступная стоимость для частного строительства.
  • Возможность возведения безопасных сложных конструкций без потери прочности.
  • Высокая пожаробезопасность.
  • Долговечность, прочность и надежность.

С конструктивной точки зрения использование ферм даже более предпочтительно, чем балки. Ведь при меньшем весе те выдерживают куда серьезнее нагрузки, чем при использовании обычных двутавров и швеллеров. При этом фермы еще и менее металлоемкие.

В какой-то мере металлические фермы служат аналогом стальных балок, но куда более экономичны в плане расхода материала. При этом их эффективность сравнима. А отличие металлической фермы от просто собранных вместе стропил в том, что готовая ферма отлично работает на растяжение и сжатие.

А, в отличие от деревянных стропил, металлические не гниют, не плесневеют, не разрушаются грибками или насекомыми. Их намного сложнее сломать тонной снега. Кроме того, собирают такие стропила быстрее, чем из других материалов.

Вы удивитесь, насколько много видов металлических ферм:

Виды металлических ферм для крышиВиды металлических ферм для крыши

Давайте рассмотрим внимательные самые популярных формы металлических ферм, которые чаще всего производят на российских заводах:

  • Параллельные – самые простые и экономичные, для изготовления которых используются одинаковые детали.
  • Классические арочные, в которых нижний и верхний пояс имеют вид дуги, а пояса соединены между собой ребрами жесткости. Разные виды такой арки отличаются между собой радиусом. А сам радиус определяют такими внешними ограничителями, как размеры стропильной системы, запланированный вами дизайн крыши и сложность ее конструкции.
  • Треугольные односкатные, которые чаще всего используются для устройства крыши с крутыми скатами.
  • Треугольные двускатные, более подходящие для крыш с крутыми скатами, но оставляющие после производства немалую долю отходов.
  • Полигональные, которые хорошо подходят для кровли из тяжелого настила, но отличаются сложностью в монтаже.
  • Трапецеидальные, подобные полигональным, но с более упрощенной конструкцией.
  • Сегментные, подходящие для зданий со светопропускающей кровлей, но самые сложные в производстве. Чтобы их изготовить, делают дугообразные элементы с точной геометрией, которая позволяет равномерно распределять нагрузку.

А вот популярные и малоизвестные виды ферм для навеса из металла:

Какие бывают металлических фермы для крыши?Какие бывают металлических фермы для крыши?

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:

Проектирование металлической фермы своими рукамиПроектирование металлической фермы своими руками

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:

Металлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовленияМеталлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовления

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

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.

Итак, давайте рассмотрим: как точно рассчитать ферму для навеса или более солидной постройки так, чтобы вы не закупили слишком много материала и правильно просчитали прочность.

Мы советуем вам взять готовые типовые проекты, которые уже практикуют, и которые проверенные временем. Идеально, если вы сможете проконсультироваться насчет выбранной схемы с опытным мастером, а затем уже перейдете к реализации.

Если вы решили справиться самостоятельно, тогда первым делом составьте схему будущей металлической фермы. Определите, какие контуры у нее будут, необходимо ли пространство под потолком, какое будет кровельное покрытие.

Высота металлической фермы зависит от типа кровельного материала, ее веса, угла наклона и возможности перемещения самой фермы.

Нормативные документы

Итак, фермы должны соответствовать таким государственным стандартам:

  • ГОСТ 23118-99 (об общих ТУ для конструкций из стали).
  • ГОСТ 23119-78 (о требованиях к производству ферм, когда нужна сварка уголков).
  • ГОСТ 23119-78 (о ТУ на производство металлических ферм, сварка профильных труб).

А, чтобы правильно спроектировать металлическую ферму, вам понадобится информация из таких источников:
СНиП, П-23-81 (о стальных конструкциях), и СНиП 2.01.07-85 (о нагрузках и воздействиях).

Ферму для навеса или гаража вы можете сделать «на глаз», не особо заморачиваясь. В любом случае, вы по наитию задействуете больше материала, чем нужно, и тем самым добьетесь нужной прочности. А вот для дома такие фермы нужно рассчитывать максимально точно, чтобы тем смогли выдержать все силы стихий и сами по себе не создавали ненужной нагрузки на фундамент.

Для этого учитывают такие факторы:

  • Постоянные нагрузки, как вес кровельного покрытия.
  • Периодические нагрузки, как переменчивая погода, ураганы и даже смерч.
  • Дополнительные нагрузки, как снеговые и ветровые, а также вес человека, который может находиться на кровле во время ремонтных работ.

Чем больше высота фермы, тем выше ее несущая способность. Также на несущую способность влияют ребра жесткости – чем их больше, тем крепче сама ферма. Но тем она тяжелее и дороже обходится.

К слову, самые легкие металлические фермы получаются, когда их высота равна 1/7 или 1/9 длины пролета. Дополнительно их облегчают специальной решеткой, в которой усилие по сжатию принимается короткими стойками.

Расчет высоты и длины фермы

При проектировании изготовлении металлических ферм важно необходимо выполнить некоторые пункты расчета металлической фермы:

  • Шаг 1. Определите ширину пролета в постройке, выберите форму крыши и угол ската.
  • Шаг 2. Выберите контур пояса с учетом предполагаемого уровня нагрузки на ферму.
  • Шаг 3. Рассчитайте размер каркаса и то, будете ли собирать его или варить самостоятельно, или же закажете.
  • Шаг 4. Чтобы рассчитать оптимальную высоту металлических ферм, примените такие формулы (L – длина фермы):

Н=1/4×L либо Н=1/5×L, если рама треугольной формы
Н=1/8×L, если параллельная, трапецеидальная или полигональная. При этом сам уклон верхнего пояса должен быть 1/8×L или 1/12×L.

Теперь определяем размеры панелей. Напомним, что панель – это расстояние между стойками, которую передают всю нагрузку. Причем угол раскоса у разных ферм – разный, и панели им отвечают. Например, в ферме с решеткой треугольной формы такой угол составляет 45 градусов, а с раскосной решеткой – 35 градусов.

И, наконец, определяем угол расстановки раскосов, который должен составлять от 35 до 50 градусов, идеально, если 45.

Проверить полученное вами значение вы сможете при помощи специальных программ, которых сегодня немало:

Подбор параметров фермы

Подбирают нужную конструкцию фермы исходя из формы чердачного перекрытия, угла наклона крыши и нужная длина пролета.

Так, наиболее практичной для кровли жилого дома считается ферма треугольной формы, которая будет иметь высоту около пятой части длины пролета:

Самостоятельный монтаж треугольной фермы из профильной трубыСамостоятельный монтаж треугольной фермы из профильной трубы

Если же длина пролета будет значительной, от 14 до 20 метров, отдайте предпочтение конструкции с идущими вниз раскосами. При этом верхняя часть фермы должна иметь панель длиной от 1,5 до 2,5 метров. Так, оба пояса конструкции будет иметь четное количество панелей.

Такие фермы позволят избежать длинных раскосов, что поможет сопротивляться продольному изгибу. Хотя обычно для этого приходится делать большое сечение, утяжеляющее всю конструкцию в несколько раз. При этом верхняя часть фермы разбивается на двенадцать или шестнадцать панелей, по 2-2,75 метра.

Но иногда потолок крыши планируется геометрически сложным. В таком случае его среднюю часть приподнимают над опорами или же используют те же фермы Полонсо. Да, такой вариант немного сложнее обычной треугольной формы, но мы уверены, что вы справитесь!

Как сделать металлическую ферму полонсоКак сделать металлическую ферму полонсо

Если даже фермы Полонсо не подходят, т.к. высота потолка от опор планируется быть еще выше, тогда ставят многоугольные металлические фермы, в которых поднят нижний пояс. Так, чтобы увеличить высоту конструкции до 0,23 длины пролета, расположенный внизу пояс делают ломаным.

При угле кровли 6-15° ставят трапециевидные или асимметричные фермы. Если же вы хотите получить красивую внешнюю форму, но при этом ровный потолок, тогда лучше выбрать сегментную.

Тем более, что на нее израсходуется намного меньше материала. И эффективность сегментной формы растет с удлинением пролета:

Металлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовленияМеталлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовления

Такие металлические фермы сегодня есть возможность заказать на заводе, уже в готовом виде, или же изготовить самостоятельно.

Итак, делают их из таких материалов:

  • Алюминиевые профили легки и подходят для устройства крыши с легким покрытием.
  • Металлические круглые и профильные трубы радуют большим выбором сечения, толщиной стенок и состава сплава. Такие фермы подходят для создания крыши любой задумки и сложности.
  • Тавровый прокат и швеллер подходят для устройства крыш с особыми нагрузками. Для частного домостроения такие фермы используются редко ввиду их значительного веса.
  • Из металлического уголка или ЛСТК собирают более простые и облегченные конструкции. Такие фермы подходят для навеса и строительства хозяйственных помещений.

Хотя, справедливости ради заметим, что именно из уголка сегодня строят вполне прочные двускатные крыши для летнего домика или гаража. Если, конечно, в вашем регионе не выпадает слишком много снега:

Металлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовленияМеталлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовления

Фермы из ЛСТК сегодня активно устанавливают на каркасных домах:

Металлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовленияМеталлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовления

Наиболее популярный сегодня вид металлических ферм – изготовленные из трубы некруглого сечения. Это овальная, квадратная или прямоугольная форма в разрезе. Такие трубы производят из стали 09Г2С, Ст3СП и нержавейки.

Вам будет интересно узнать, что изначально форма такой трубы получается круглой, и только потом ее деформируют холодным или горячим методом в квадратный или другого вида профиль. Выпускают такие трубы с минимальными размерами в 15х15 мм или максимальные 45х35 см. Качество труб регулирует ГОСТ.

Сама форма трубы напрямую влияет на область применения таких ферм. Так, плоскоовальные – самые гибкие, и из них получаются сложные фермы красивых форм. А трубы квадратной и прямоугольной формы идеальны для крепления на плоской поверхности.

Посмотрите также, какими аккуратными получаются сваренные вручную арочную фермы из квадратной профильной трубы:

Варка арочной фермы из профильной квадратной трубыВарка арочной фермы из профильной квадратной трубы

Сегодня для изготовления металлических ферм используют два вида профильных труб: горячекатаные и гнутые. Горячекатаные изготавливают из ленты толщиной от 0,5 до 5 мм, с сечением в виде прямоугольника или квадрата. Именно такой материал вы встречаете чаще всего.

Для обустройства металлических ферм, вместо профильной трубы, также подходит швеллер – балки в виде буквы П, тавр в виде Т и уголок в виде буквы Г. Но среди всех этих конструкций профильные фермы по весу намного легче. Еще одно преимущество – при помощи сварки всю эту конструкцию удобно собирать прямо на месте.

Сегодня удобно заказывать сборные конструкции или собирать их еще на земле. Тогда на саму крышу их поднимают уже в готовом виде. Собирать их следует строго по детализированным чертежам от завода.

Для этого вам понадобятся:

  • Болты. Это самый простой способ, а надежность такого соединения уже зависит от качества крепежи и степени его натяжения. Обычно такое крепление делают при помощи специальных ключей с длинными рукоятками или пневматическими инструментами.
  • Сварка. Когда ферма должна получиться максимально жесткой и устойчивой, тогда прибегают именно к сварке. Все узлы соединяют при помощи заклепок. Но этот метод – для промышленного строительства, а для устройства стропильной системы обычного жилого дома больше подходит именно болтовое соединение.

Собранная ферма на болтах выглядит так:

Металлическая ферма на болтах для крышиМеталлическая ферма на болтах для крыши

Саму заводскую ферму изготавливают из таких элементов, как стойки, раскосы и пояса. И хорошо, если во всех этих элементах заранее проделаны монтажные отверстия. Если нет, тогда детали соединяют между собой способом прихватки или при помощи струбцин.

Металлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовленияМеталлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовления

Вот процесс домашнего изготовления металлических ферм при помощи сварки:

Как изготовить фермы из профильной трубыКак изготовить фермы из профильной трубы

Вот еще один мастер-класс изготовления такой фермы:

Металлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовленияМеталлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовления

И, наконец, в каркасном строительстве сегодня активно используются термопрофили из оцинкованной тонкопрокатной стали.

Суть вот в чем: по всему пути стропилы расположены сквозные прорези особой формы, благодаря которым теплопроводность стальных ферм почти равна теплопроводности деревянного бруса, и никаких мостиков холода.

Т.е. такой материал для металлических ферм полностью перечеркивает те минусы, которые всегда отличали металлические фермы от деревянных в худшую сторону.

У монтажа ферм на разные основания – свои особенности. Так, на кирпичные стены и железобетонные колонны их устанавливают на анкерные болты.

Устанавливать металлические фермы следует на колонны, которые предварительно прочно закреплены и зацементированы на основании. А поднимать их удобнее поднимать при помощи стрелочного крана, хотя при относительно небольшом весе с ними вполне справляются трое-четверо человек:

Металлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовленияМеталлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовления

Схема такова: сначала двое-трое человек поднимают один конец фермы, надежно его фиксируют на стене, затем – второй:

Треугольные фермы из профильной трубыТреугольные фермы из профильной трубы

Конечно, фермы побольше, для другого рода строительства поднять способна только специальна техника:

При этом фермы сначала крепят временными соединениями, а потом – постоянными:

Металлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовленияМеталлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовления

А вот в случае с промышленной постройкой, фермы следует монтировать на подстропильные металлические конструкции, которые служат связующими элементами для опорных колонн.

Сама длина пролетов в этом случае составляет от 20 до 35 метров. Это – все те же фермы Полонсо, которые состоят из двух ферм треугольной формы, соединенных между собой затяжкой.

По окончанию монтажа металлическую ферму по желанию окрашивают в любой выбранный цвет. Особенно эффектно это смотрится под таким покрытием, как поликарбонат или прозрачным шифером. К слову, обычно сами металлические фермы требуют антикоррозийной обработки, чтобы быть защищенными от конденсата в чердачной зоне.

Скажем так: металлические фермы и сооружать, и устанавливать на место ощутимо сложнее, чем деревянные. Зато результат порадует душу!

About Author


alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *