Строительные металлические фермы особенности конструкций. Что такое ферма в строительстве

С помощью сварки. Сварка используется в производстве, если требуется высокопрочное соединение. Предварительно металлические части фермы скрепляются между собой монтажными болтами, а наиболее ответственные узлы фиксируются заклепками.

Что такое ферма?

Ферма — это уникальная строительная конструкция. Достаточно сказать, что ферма, вероятно, является первым инженерным сооружением, сделанным нашими предками после того, как они спустились с деревьев (по Дарвину) или были изгнаны из рая (по Писанию). Но как бы то ни было, люди научились делать фермы очень давно, и даже сейчас, играя на природе, многие дети любят делать фермы.

Сейчас такой тип фермы называется «шалаш» и большого интереса с точки зрения человеческого жилья не представляет (разве что для влюбленных), а вот другой тип фермы с древних времен является неизменным атрибутом большинства домов со скатной крышей и обычно состоит из стропил, раскосов и подкосов. В общем получилось так, что сделать ферму может практически каждый, а вот рассчитать сечение стержней фермы на заданную нагрузку могут лишь единицы. И это прискорбно, ведь потребность в фермах с каждым днем только возрастает. Эта статья вряд ли изменит ситуацию, но, надеюсь, она поможет тем, кто хочет хоть немного разобраться в сложном и увлекательном мире ферм.

Любую ферму можно представить себе как балку перекрытия, только не сплошную, а сквозную. Как и балки сплошного сечения из дерева, металла, железобетона или другого материала, фермы используются для перекрытия различных пролетов. Но в отличие от балок сплошного сечения, фермы максимально используют прочностные характеристики материала, из которого изготовлена ферма. Например:

Когда мы рассчитываем параметры поперечного сечения балки, мы берем за основу максимальный изгибающий момент. В результате материал балки постоянного сечения, показанной на рисунке 1.а, будет использован, условно говоря, на 25%, так как максимальный изгибающий момент действует только в одном сечении в середине балки, а у опор он равен нулю. Если сделать балку переменного сечения, как показано на рисунке 1.б, то материал такой балки будет использован, условно говоря, на 50%, так как нормальные сжимающие и растягивающие напряжения распределены по всему сечению балки и достигают максимальных значений вверху и внизу балки. А если мы сделаем некую конструкцию, показанную на рисунке 1.c, то на стержни такой конструкции вообще не будет действовать изгибающий момент (конечно, при условии, что нагрузка приложена так, как показано на рисунке 1.c). На стержнях AC и BC будут действовать сжимающие напряжения, а на стержне AB — растягивающие напряжения.

Структура, показанная на рисунке 1.c, является простейшим видом фермы.

Ферма — это стержневая система, которая останется геометрически неизменяемой после условной замены ее жестких узлов шарнирными

Конечно, в подавляющем большинстве случаев фермы изготавливаются с достаточно жесткими соединениями, никто не делает специальных шарнирных соединений, и

условная замена жестких узлов шарнирными нужна для максимального упрощения расчета

Это означает, что нормальные напряжения на стержнях таких ферм можно определить с помощью стандартных трех уравнений равновесия. Кроме того, если бы узлы фермы были жесткими, такая ферма была бы трижды статически неопределимой, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Таким образом, результаты расчетов параметров для фермы, в которой жесткие шарниры условно заменены на шарнирные, очень близки к результатам для жестких шарниров, когда отношение l/h между длиной стержня и его высотой или шириной больше 10 и шарниры фермы нагружены. А чтобы такие расчеты были безопасными, структура должна быть геометрически инвариантной.

Лучший способ представить это

геометрическая неизменяемость

лучше всего представляет магнитная мозаика — обычный детский набор для поделок с железными шариками и цветными стержнями с магнитами.

Фото 1. Магнитная мозаика.

Детали такого ремесленного набора можно использовать для сборки гораздо более сложных трехмерных конструкций, чем те, что показаны на фото 1. Однако, поскольку трехмерные структуры пока не представляют интереса, мы оставим их создание и исследование детям и рассмотрим две плоские структуры.

Если мы соберем конструкцию, похожую на ферму (рис. 2.a) с тремя стержнями и тремя шариками, то независимо от того, как мы приложим силу Q к шарниру C (в плоскости конструкции, конечно, с какой-либо опорой, например, столом, на шарнирах A и B), до тех пор, пока сила, приложенная к шарниру C, не превысит сдерживающие силы магнита и шариков. конструкция может сохранять свою треугольную геометрию. Если к этой конструкции добавить еще один брусок и шарик, как показано на рис. 2.б, то такая конструкция становится очень неустойчивой и даже если она не сломается сразу под действием силы тяжести, то сломается при малейшем воздействии некоторой силы Q, т.е. геометрическая форма изменится. Чтобы сделать конструкцию на рис. 2.b геометрически инвариантной, между шарнирами D и B можно добавить один стержень. Добавление двух стержней и одного шара к конструкции на рис. 2.а для получения нового треугольника дает достаточно длинную, геометрически неизменную, статически определимую ферму. В общем, существуют различные возможные варианты расположения стержней, некоторые из которых представлены ниже.

Конечно, кроме плоских ферм, где оси всех стержней находятся в одной плоскости, как описано выше, в строительстве также используются пространственные фермы, где оси элементов не находятся в одной плоскости, как показано на фото 1. Проектирование пространственных ферм часто может быть сведено к проектированию некоторых плоских ферм. Однако расчет пространственных и плоскостных ферм не является темой данной статьи.

Стропила опираются на установленное перекрытие, а не на стены. Это обеспечивает равномерное распределение нагрузки и исключает перегрузку стены стропилами.

Конструкционные особенности

Металлические устройства, независимо от их структуры, контуров и формы, имеют свои характеристики и специфические параметры. Но все же, в зависимости от способа установки, кроме классических, где конструктивное устройство поддерживается с двух концов, иногда встречаются конструктивные конструкции, полученные путем подвешивания за один конец, т.е. без поддержки. Обычно они устанавливаются на перекрытиях зданий, где скат крыши значительно выступает от наружной стены.

Контуры и формы ферм

В зависимости от конструкции фермы могут быть прямыми, одно- или двускатными. Контуры можно разделить на несколько типов.

1. Те, которые разработаны так, чтобы оба аккорда были параллельны друг другу. Обычно используется на перекрытиях промышленных зданий с плоскими, мягкими крышами, а также под виадуками и мостами. Поскольку это самая простая конструкция, в которой опоры и стойки имеют одинаковый размер, ее очень легко собрать.
2. Трапециевидные строения с односторонним фронтоном. К таким конструкциям относятся те, у которых хорда прямая, но верхняя хорда наклоняется в одну сторону под определенным углом. Такие конструкции можно использовать в сочетании с колоннами для создания достаточно прочного каркаса. Здесь нет колонн средней длины и не требуется большого уклона.
3. Полигональные фермы. Характеризуются сложной конструкцией и самым длительным временем сборки, но выдерживают очень высокие вертикальные нагрузки по сравнению с аналогичными изделиями. Используется для перекрытия тяжелых зданий с большими пролетами.
4. Фермы треугольной формы. Используется в качестве стропильной системы при возведении круто скатных крыш. Легко собираются, но имеют недостатки. Они имеют острые опорные узлы и длинные стойки или раскосы в центре конструкции, что приводит к большому расходу материала при изготовлении.

Виды решеток

Имеются следующие типы решеток

• Треугольные решетки. Это наиболее жесткая и эффективная система в конструкциях с параллельными, треугольными или трапециевидными очертаниями.
• Щелевые решетки. Состоит из самых длинных стоек, которые работают одновременно на сжатие и растяжение, в то время как вертикальные стойки работают только на сжатие.

Существуют также специальные крестовые и пружинные решетки.

Зависимость конструкции от угла наклона

Важным параметром ферменных конструкций является угол наклона, который делит их на три группы.

• В первую группу входят конструкции с углом наклона от 6 до 150 и отношением высоты к длине от 1:7 до 1:9. Обычно к трапециевидным блокам добавляются короткие стойки для повышения их устойчивости к прогибу при приложении вертикальной нагрузки. Верхние и нижние размеры панелей должны быть одинаковыми, их количество зависит от длины пролета и характеристик самих ферм.
• Вторая группа состоит из конструктивных устройств с углом наклона 15-22° и отношением высоты к длине 1:7, с максимальной длиной не более 20 м/п. Такие конструкции часто изготавливаются со сложенными нижними стрингерами и могут быть на 30% легче, чем треугольные фермы.
• Третья группа имеет угол наклона 22-300° и отношение длины к высоте 1-5. Эти фермы легкие и в основном имеют треугольную форму. Они могут крепиться непосредственно к внешним стенам дома. Длина пролета должна составлять 14-20 м/п, а количество панелей должно быть равномерным — 1,5-2,5 м.

Изготовление конструкций

Как правило, металлические ферменные конструкции выбираются в зависимости от проектируемого наклона верхних колонн, ширины возводимого пролета и назначения. Для наиболее часто используемых перекрываемых пролетов промышленных зданий, мостов и балок стандартная длина строительных ферм составляет 12, 18 и 24 м/п.

Общие требования

Для более тяжелых и ответственных конструкций (мосты и виадуки) используются двутавровые балки и швеллеры. Все гидротехнические сооружения собираются из элементов круглого сечения или профильных труб.

Угловые арматурные стержни чаще всего используются при сборке стандартных балок. В этом случае для изготовления всех элементов используются парные уголки, которые изготавливаются путем закладывания специальной металлической пластины (рым) между заготовками и сваривания их вместе. Углы сопряжены таким образом, что поперечное сечение имеет Т-образную форму.

Однако в настоящее время такие металлические конструкции используются реже из-за трудоемкости сборки, сварки и покраски. Стальные профили и круглые трубы все чаще используются для замены таких конструкций.

Правильный расчет

Важно понимать, что правильный расчет несущих конструкций возможен только при наличии специальных знаний, с учетом требований СНиП и многих других факторов. Проектировщики используют специальные программы для обеспечения точности расчетов.

При проведении проектных расчетов инженерного оборудования очень важно, чтобы все полученные цифры были внесены на проектные чертежи, без которых собрать конструкцию будет практически невозможно.

Сначала, до составления проектных чертежей, составляется схема ферм, показывающая основную взаимосвязь между наклоном верхней хорды и общей длиной будущего изделия. Необходимо также учитывать такие факторы, как

1. Оконтуривание опорных поверхностей для будущей установки крыши и перекрытий. Это позволяет рассчитать угол наклона верхней хорды несущей конструкции.
2. Экономия на материалах, необходимых для изготовления конструкции (если только требования заказчика не являются противоположными этой экономии).
3. Правильные расчеты с учетом максимальных нагрузок, воспринимаемых изделием. Следует помнить, что ширина всех панелей должна быть одинаковой, даже если углы наклона опор разные.
4. Расстояние между точками крепления рассчитывается в последнюю очередь, но обычно выбирается в зависимости от ширины панели.

После расчета основных параметров необходимо определить конструкцию. Лучший способ сделать это — использовать специальную программу, свободно доступную в Интернете. Например, вы можете использовать программу «Truss Calculator».

Традиционно деревянные стропильные фермы изготавливались в основном на строительной площадке. В настоящее время многие домостроители предпочитают использовать их заводского производства. Они изготавливаются на специальном оборудовании. Сборочное прессовое оборудование.

Принцип действия

Если соединить несколько стержней произвольно, они будут произвольно вращаться, и такая структура является тем, что в архитектурной механике называется «изменяемой», т.е. она может быть сложена, так же как стенки спичечного коробка могут быть сложены при приложении давления. Если из палки сделать обычный треугольник, то он будет совсем другим. Теперь, сколько бы вы ни давили, вы не сможете сформировать структуру, пока не сломаете одну из палочек или не оторвете ее от других палочек. Эта структура уже является «неизменной». Конструкция фермы содержит этот треугольник. Стрелы башенных кранов и сложные опоры состоят из треугольников различных размеров.

Важно отметить, что все стержни более эффективны при сжатии и растяжении, чем при разрыве, поэтому нагрузки на фермы необходимо прикладывать в местах соединения стержней.

На практике стержни фермы обычно жестко соединены, а не шарнирно. Это означает, что любые два стержня могут быть извлечены и отсоединены от остальной конструкции без какого-либо относительного вращения. Однако в простейших расчетах это игнорируется и предполагается, что шарнир есть.

Принцип расчёта ферм вырезанием узлов

Существуют различные методы расчета ферм, от простых до сложных. Самым простым является расчет путем вырезания узлов. Этот метод подходит для простейших плоских ферм и используется для обучения студентов университетов.

Для расчета фермы все силы, действующие на ферму, сводятся к ее узлам. После определения сил, действующих на ферму, рассчитываются силы реакции опор фермы. После определения реакций выберите узловую точку, если таковая имеется, в которой встречаются только два стержня и приложена некоторая сила. Остальная часть фермы зажимается в головке, в результате чего образуется узел, содержащий некоторые известные силы (например, силы реакции опоры) и две неизвестные силы (силы, действующие на незакрепленные стержни фермы). Найдите неизвестную силу на стержнях, построив равенство сил вдоль любых двух осей. Затем, когда эта сила известна, разрежьте следующий шарнир, и так далее, пока не будут известны силы на всех стержнях.

С помощью сварки. Сварка используется в производстве, если требуется высокопрочное соединение. Предварительно металлические части фермы скрепляются между собой монтажными болтами, а наиболее ответственные узлы фиксируются заклепками.

Обзор видов

При выборе типа конструкции и материала каркаса крыши необходимо также учитывать материал самой стены. Колонны из металла или железобетона, ферменные системы и стены из кирпича обеспечивают надежную опору для несущих фундаментов.

Фермы можно классифицировать по этим параметрам в силу их характеристик.

• Дизайн здания.
• Статическая схема.
• Тип решетки.
• Внешняя форма кода фермы.

Наиболее важным критерием для классификации ферм является внешняя форма балок. Он рассчитывается с учетом параметров пролета, конструктивных характеристик крыши и предполагаемых уровней нагрузки. Материал также выбирается в зависимости от наклона ската (с учетом наклона ската на максимальной высоте).

1. Параллельные стропильные фермы чаще всего используются для плоских крыш.
2. Если материал, из которого изготовлена крыша, представляет собой стальной лист или асбестоцементный лист, то наиболее подходящей является трапециевидная опорная система.
3. В гражданском строительстве чаще встречаются треугольные формы.
4. При выборе сетки также учитываются изменения формы. Если используется трапециевидная или параллельная система ребер, оптимальной является треугольная сетка. Сетки укрепляются дополнительными стойками.
5. Часто используются решетки, оснащенные коньковыми фермами.

По признаку конструктивного оформления

Все фермы могут быть разделены в соответствии с их конструкцией

1. Тяжелый (двустенный), с двумя профильными листами в узлах.
2. Легкие (одностенные), состоящие из одной пластины.

Тяжелые конструкции используются при строительстве зданий с большими пролетами (промышленные здания). При строительстве огромных промышленных зданий «скелет» крыши выступает в качестве каркаса, на котором размещается несущая система.

По материалу

В зависимости от типа материала могут быть построены ферменные системы.

Советы по выбору формы

Рассмотрим, как выбрать правильную конфигурацию пресс-формы. Следующие критерии считаются важными для выбора правильной конфигурации

• Тип кровельного покрытия.
• Имеется ли перекрытие потолка.
• Угол наклона крыши.
• Характеристики стропильных соединений.

Если необходимо построить плоскую крышу, покрытую битумной черепицей, подойдет прямоугольная или трапециевидная форма.

Если уклон превышает 12° и кровельный материал тяжелый, лучше использовать треугольную конструкцию.

Фермы крыши изготавливаются в различных конструкциях. Это стало возможным благодаря использованию новейших технологий и оборудования. По этой причине лучшим выбором будет сотрудничество со специализированным подрядчиком.

Вывод

Стропильные конструкции необходимы для придания крышам надежности и долговечности.

• Фермы из металла или дерева защищают крышу от дождя, солнца, ветра и мороза.
• Тип материала следует выбирать исходя из устойчивости основания, фундамента и стен здания.
• Фермы передают нагрузку на стены.
• Они классифицируются в зависимости от балок, формы конструкции, статистической схемы и типа обрешетки.
• Фермы представляют собой треугольные, прямоугольные, трапециевидные и параллельные балки.
• Стропила могут быть металлическими, деревянными или из стекловолокна.
• Чтобы сделать фермы более прочными, можно добавить кронштейны.
• Рассчитайте возможные нагрузки для здания и перекрытия.

Расстояние между соседними узлами хорды обычно называют панелью, а расстояние между опорами — пролетом. На ферменные хорды действуют те же продольные силы и моменты, что и на хорды сплошной балки, в то время как на решетчатые хорды действуют в основном поперечные силы, поэтому этот элемент играет роль, аналогичную роли стенки балки.

Особенности несложных ферм в виде треугольника

Длина пролета влияет на способ укладки стропил. При определении формы конструкции также учитывается наличие или отсутствие дополнительных опор, например, внутренних стен. Если в здании их нет, а длина пролета менее 6 м, устанавливаются простые фермы. Она будет опираться только на внешние стены.

Важно: Треугольные фермы включают в себя два стропила. Конструкция также оснащена двумя толкающими стойками и стяжками.

Если длина пролета превышает 6 м, необходимо добавить опорную конструкцию в центре фермы. Устанавливаются еще несколько толкающих стоек, а в середине стропил закрепляются тяги. Конструкция не препятствует движению в чердачном пространстве. Тяги не препятствуют движению людей.

Важно: Опорные стропила, используемые для жесткого или шарнирного соединения вертикально выровненных элементов, являются веллерами.

Деревянные фермы в опалубке парапета устанавливаются только на поверхности стен высокой прочности. Кроме того, они должны быть соединены балками перекрытия. Причина использования ферм таким образом заключается в том, что на конструкцию действуют напряжения расширения. Это происходит из-за изгиба стропил в местах их крепления.

Стропильная система опирается не на стены дома, а на специальные брёвна. Это равномерно распределяет нагрузку. В результате нагрузка не прикладывается к стене, с которой соприкасается каждое стропило.

Специальный брус называется мауэрлат. Он не используется при строительстве крыши, если стены дома сделаны из бревен. Его функцию выполняет верхний венец. Если же дом имеет кирпичные стены, то при строительстве крыши обязательно монтируются стропильные фермы. С их помощью нагрузка равномерно передается на несущие стены здания. В качестве таких конструкций можно использовать фермы из металла. Ведь они обладают наибольшей прочностью.

Каждая строительная ферма состоит из узлов. Это места, где соединяются как минимум 2 элемента. Узлы являются самыми слабыми частями конструкций. Они должны быть собраны без зазоров. В противном случае ферма не будет обладать необходимым уровнем жесткости.

• Места опирания стропил на мауэрлат;
• места крепления дополнительных усиливающих элементов;
• места соединения двух стропил, если это необходимо для увеличения их длины.

Элементы фермы соединяются между собой различными способами. Можно выполнить скользящий или жесткий узел. При создании второго варианта необходимо учитывать, что древесина склонна к расширению и сжатию в зависимости от погоды. Поэтому деревянные элементы могут деформироваться, если они закреплены жестко.

В этом варианте детали постоянно соединены друг с другом. Поэтому для ферм используются пиломатериалы, изготовленные исключительно из высококачественной древесины. Дополнительно его обязательно обрабатывают специальными водоотталкивающими составами. Если для жесткого соединения использовать элементы из низкокачественных пиломатериалов, то в результате деформации деталей соединение может разрушиться. Этот вариант выполняется путем пропила, глубина которого не должна превышать 1/3 высоты детали. Жесткое соединение элементов также может быть осуществлено путем пришивания упорных брусьев к стропилам.

Несущие стены дома воспринимают все нагрузки, которые действуют на крышу. Поэтому они должны иметь усиленную конструкцию. В то же время рекомендуется покрывать крышу как можно более легким материалом.

Крыша является стержнем здания, чтобы обеспечить надежный каркас, строители устанавливают на основание крыши деревянную ферму. Она обеспечивает не только устойчивость крыши при воздействии большого количества снега и обильных осадков, но и удерживает материал, которым покрыт дом.

Основы расчета металлической фермы

Для расчета длины и других размеров металлической фермы выберите форму крыши, размер всей конструкции. Затем устанавливают размер крыши, количество, форму и шаг между фермами.

Для крыши выбирают тип ферм, а форма последней зависит от назначения и расположения здания. Односкатные металлические фермы обычно консольные и примыкают к дому, а отдельно стоящие навесы имеют многоугольные, треугольные, сегментные конструкции, арки. Беседки часто имеют крышу с шестью и более скатами или крышу причудливой конструкции с нестандартными фермами.

Рекомендуемые статьи о металлоконструкциях

В любом случае важно рассчитать нагрузку на всю крышу и отдельную ферму, ориентируясь на вес снежного покрова, кровли, обрешетки и самих металлоконструкций. Точные расчеты лучше доверить специалисту, который будет опираться на СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия. Пересмотренная редакция СНиП 2.01.07-85», а также СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции. Пересмотренная редакция СНиП II-23-81».

При расчете используется метод вырезания узлов, т.е. мест, где стержни соединяются шарнирно, именно этот метод используется в современных компьютерных программах. В качестве альтернативы используется метод Риттера или метод замены стержня Хеннеберга.

Изготовление трапециевидных или треугольных металлических ферм не представляет особой сложности. Если у вас есть хорошие навыки сварки и сборки, вы можете самостоятельно собрать навесы и беседки. Однако строительство большого навеса с фермами длиной от 10 м требует проекта, подготовленного специалистом.

Влияние угла наклона.

Конструкция ферм зависит, прежде всего, от угла наклона склона. Эта характеристика выбирается в зависимости от формы крыши и планировки будущего строения. Для навесов, примыкающих к зданиям, требуются более крутые скаты крыши, чтобы быстро сбрасывать снег и воду. Для отдельно стоящих домов крыша должна быть относительно плоской.

Еще одним важным фактором при выборе поля является количество осадков, выпадающих в данной местности. Чем выше уровень осадков, тем больший угол требуется. На самом деле, крутые скатные крыши накапливают меньше осадков.

Для компактных крыш, которые не зависят от других зданий, обычно выбирается уклон около 15°. Примерная высота откоса составляет от 1/7 до 1/9 длины пролета. Форма металлической балки должна быть трапециевидной.

Если угол составляет от 15° до 22°, высота фронтона означает 1/7 часть длины пролета.

Для уклонов от 22° до 30-35° оптимальная высота фронтона составляет 1/5 длины пролета. Чаще всего здесь используются треугольные конструкции. В некоторых случаях для уменьшения веса металлической фермы нижняя хорда складывается.

Параметры базовых углов.

Чтобы не ошибиться при расчете количества и длины отдельных элементов, важно рассчитать основные углы между элементами. Нижняя хорда перпендикулярна опоре, а угол наклона верхней хорды к горизонтали зависит от уклона крыши. Хотя угол наклона 45° по горизонтали и вертикали считается оптимальным для опор, опоры устанавливаются только вертикально.

Уклон крыши либо задается проектом, либо определяется на основе коэффициента. Так, для угла наклона до 15° он составляет от 1/7 до 1/9 длины пролета, для 15-22° — 1/7 длины пролета, а для 22-35° — 1/5 длины пролета.

Знание уклона крыши дает информацию о длине заготовки фермы, что очень важно для достижения высокого качества строительства.

Стоимость изготовления металлических ферм

В гражданском строительстве часто используются конструкции из профильных труб, поскольку они легкие и могут быть собраны непосредственно на месте.

Стоимость изготовления металлических ферм зависит от их сложности и особенностей монтажа, но самое главное — от следующих характеристик конструкции

Качество и долговечность конструкции связаны как с индивидуальными факторами, так и с соответствием стандартам на момент установки. Стоимость установки ферм зависит от следующих характеристик

• Тип структуры и степень ее сложности. Например, строительство гаража и строительство торгового центра требуют разных навыков.
• Размер структуры. Стоимость изготовления и установки конструкции снижается по мере увеличения ее общей площади.
• Месторасположение Месторасположение управления строительной площадкой и затраты на транспортировку оборудования и мастеров.
• Срочность заказа Если фермы должны быть изготовлены и вся конструкция собрана как можно быстрее, необходимо ввести посменную работу и использовать дополнительное оборудование и рабочих.

Вышеперечисленные нюансы могут значительно увеличить стоимость производства, монтажа и завершения проекта металлической фермы.

Производство ферм — достаточно простая задача, при условии, что чертежи подготовлены заранее и обеспечено качество сборки. Также важно, чтобы мастер был внимательным и безошибочным на каждом этапе процесса.