"Строительные фермы"

ферма сечение стержень коробчатый

Классификация и область применения ферм

Происхождение термина «ферма» берет начало от латинского firmus, то есть «прочный, крепкий».

Фермой называется система стержней соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию. При узловой нагрузке жесткость узлов несущественно влияет на работу конструкции, и в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные. В этом случае все стержни ферм испытывают только растягивающие или сжимающие осевые усилия.

Фермы экономичнее балок по расходу стали, но более трудоемки в изготовлении. Эффективность ферм по сравнению со сплошностенчатыми балками тем больше, чем больше пролет и меньше нагрузка.

Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными.

Плоские фермы воспринимают нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении их связями. Пространственные фермы образуют жесткий пространственный брус, воспринимающий нагрузку в любом направлении (рис.9.1).

Рис. 9.1. Плоская (а) и пространственная (б) фермы

Основными элементами ферм являются пояса, образующие контур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек (рис. 9.2). Соединение элементов в узлах осуществляется путем непосредственного примыкания одних элементов к другим (рис 9.3,а) или с помощь ю узловых фасонок (рис. 9.3,б). Элементы ферм центрируются по осям центра тяжести для снижения узловых моментов и обеспечения работы стержней на осевые усилия.

Рис. 9.2. Элементы ферм

1 - верхний пояс; 2 - нижний пояс; 3 - раскосы; 4 – стойки

Рис. 9.3. Узлы ферм: а - с непосредственным примыканием элементов; б - на фасонках

Расстояние между соседними узлами поясов называется панелью (d в - панель верхнего пояса, d н - нижнего), а расстояние между опорами - пролетом (/).

Пояса ферм работают на продольные усилия и момент (аналогично поясам сплошных балок); решетка ферм воспринимает в основном поперечную силу, выполняя функции стенки балки.

Знак усилия (минус - сжатие, плюс - растяжение) в элементах решетки ферм с параллельными поясами можно определить, если воспользоваться “балочной аналогией”.

Стальные фермы широко применяются во многих областях строительства; в покрытиях и перекрытиях промышленных и гражданских зданий, мостах, опорах линий электропередачи, объектах связи, телевидения и радиовещания (башни, мачты), транспортных эстакадах, гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах и т. д.

Фермы имеют разную конструкцию в зависимости от назначения, нагрузок и классифицируются по различным признакам:

по статической схеме - балочные (разрезные, неразрезные, консольные);

по очертанию поясов - с параллельными поясами, трапециевидные, треугольные, полигональные, сегментные (рис. 9.5);

Рис.9.4. Системы ферм: а - балочная разрезная; б - неразрезная; в,е - консольная; г - арочная; д - рамная;

по системе решетки - треугольная, раскосная, крестовая, ромбическая и др. (рис.9.6);

по способу соединения элементов в узлах - сварные, клепанные, болтовые;

Рис. 9.5. Очертания поясов ферм: а - сегментное; б - полигональное; в - трапецеидальное; г - с параллельными поясами; д-и - треугольное

по величине максимального усилия - легкие - одностенчатые с сечениями из прокатных профилей (усилие N < 300 кН) и тяжелые - двухступенчатые с элементами составного сечения (усилие N > 300кН).

Промежуточными между фермой и балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами либо аркой (сверху). Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающий момент в балке и повышают жесткость системы (рис.9.4,^). Комбинированные системы просты в изготовлении (имеют меньшее число элементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижными нагрузками.

Эффективность ферм комбинированных систем можно повысить, создав в них предварительное напряжение.

В фермах подвижных крановых конструкций и покрытий больших пролетов, где уменьшение веса конструкции дает большой экономический эффект, применяют алюминиевые сплавы.

Рис. 9.6. Системы решетки ферм

а - треугольная; б - треугольная с дополнительными стойками; в - раскосная с восходящими раскосами; г - раскосная с нисходящими раскосами; д - шпренгельная; е - крестовая; ж - перекрестная; и - ромбическая; к - полу раскосная

Надежны е 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.

Преимущества и недостатки для частного строительства

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.

Виды ферм для разных задач

Вы удивитесь, насколько много видов металлических ферм:

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

Архитектура металлической фермы: элементы, узлы и напряжение

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

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

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

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

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

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

Давайте рассмотрим стандартные виды внутренних решеток металлических ферм:

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

В жизни выглядят все эти фермы так:

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

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.

Проектирование ферм для крыши дома

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:
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!

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:

Не знаете, как сделать легкое и жесткое перекрытие в строительных конструкциях с большой шириной пролета? В таких случаях лучше всего использовать плоские металлические фермы для крыши. Я расскажу, что такое ферма, и как ее можно сделать самому в условиях домашней мастерской.

Из чего состоит ферма

По определению ферма - это строительная конструкция из жестких стержней, которые соединяются между собой в узлах и образуют геометрически неизменяемую систему. Единственная неизменяемая геометрическая фигура в системе координат - это треугольник, поэтому любая фермическая конструкция состоит из множества соединенных между собой треугольников.

Технические параметры ферм характеризуются следующими величинами:

• Длина пролета - расстояние между двумя ближайшими опорными точками;
• Панель нижнего пояса - расстояние между двумя смежными узлами на нижней продольной балке;
• Панель верхнего пояса - расстояние между ближайшими двумя узлами на верхней продольной балке;
• Высота - габаритный размер фермы с параллельными поясами по вертикали.

Если балка верхнего пояса расположена не параллельно балке нижнего пояса, то указывается два значения высоты Н1 и Н2. Измеряется от балки нижнего пояса, до самой нижней и самой верхней точки балки верхнего пояса.

1. Нижний пояс - продольная горизонтальная балка, которая связывает все соединительные узлы в нижней части фермической конструкции;
2. Верхний пояс - продольная, наклонная или радиусная балка, связывающая все соединительные узлы в верхней части фермы;
3. Стойки - вертикальные поперечные связи, которые соединяют все узлы нижнего и верхнего поясов. Воспринимают и распределяют по всей ферме основную нагрузку на сжатие;
4. Раскосы - диагональные поперечные связи, соединяющие все узлы верхнего и нижнего поясов. Воспринимают нагрузку на сжатие и растяжение. Оптимальный угол наклона раскосов - 45°;

1. Узлы - точки соединения вертикальных стоек и диагональных раскосов с горизонтальными балками нижнего и верхнего пояса фермы. В строительной механике условно принимаются как шарнирное сочленение;
2. Узловые соединения . При изготовлении фермических конструкция применяется два способа соединения всех элементов в узлах:

• Сварное соединение с непосредственным примыканием всех элементов друг к другу;
• Болтовое или клепаное соединение - все пояса и решетки поперечных связей соединяются между собой при помощи фасонки из толстого листового металла.

При изготовлении сварной фермы из тонкостенной стальной трубы или уголка, для сваривания элементов между собой также иногда применяются фасонки.

Разновидности фермических конструкций

Основное преимущество ферм перед сплошными балками - это высокая несущая способность при малом удельном весе и небольшом расходе материалов. По своему устройству и характеру распределения нагрузок, фермические конструкции делятся на два вида:

1. Плоские фермы - это такие конструкции, в которых все стержни расположены в одной плоскости:

• Направление вектора приложенной нагрузки должно совпадать с плоскостью расположения фермы:
• Для противодействия боковым и сдвигающим нагрузкам плоские фермы нужно скреплять дополнительными продольными и диагональными связями.

1. Пространственные фермы - собираются из набора стержней, которые ориентированы во всех трех плоскостях:

• Они немного сложнее в изготовлении, но в то же время способны выдерживать одновременное воздействие вертикальных, горизонтальных и боковых нагрузок;
• За счет этого пространственные металлические конструкции можно устанавливать без связей с другими конструкциями, поэтому их нередко используют для изготовления одиночных балок, опорных столбов, мачт и пр.

В частном жилищном строительстве обычно используются плоские фермы, которые в свою очередь, также делятся на несколько видов:

1. Полигональные фермы:

• Для изготовления нижнего пояса используется одна сплошная балка, а верхний радиусный пояс собирается из нескольких прямых отрезков;
• Полигональные стальные фермы применяются для строительства арочных ангаров или полукруглых навесов и козырьков с большой шириной пролета.

1. Трапециевидные фермы:

• Нижний пояс изготавливается из одной сплошной балки, а верхний - из двух наклонных;
• Трапециевидная металлическая ферма чаще всего используется в промышленном строительстве при больших пролетах, поскольку способна выдерживать значительные весовые и ветровые нагрузки. Главный недостаток - большая высота.

1. Параллельные или прямоугольные фермы:

• Из названия понятно, что верхний и нижний пояса изготавливаются из двух параллельных балок, а очертание конструкции имеет прямоугольную форму;
• Это наиболее распространённый вид ферм. Их несложно изготовить своими руками и они практически не имеют ограничения по использованию.

1. Сегментные фермы:

• Изготавливаются по аналогии полигональной конструкции, только для верхнего пояса используются не прямые балки, а цельный сегмент окружности;
• Для изготовления сегментов я советую использовать прокатный станок для стальных труб;

1. Симметричная треугольная ферма:

• Изготавливаются в виде равнобедренного треугольника с вертикальными стойками и диагональными связями;
• Применяются при строительстве двухскатной кровли, а наклонные балки верхнего пояса используются в качестве стропил.

1. Несимметричные треугольные фермы:

• Имеют похожую конструкцию, но изготавливаются в виде прямоугольного треугольника;
• Применяются в качестве несущих стропильных ферм для односкатной наклонной кровли.

Как сделать ферму для крыши

Ниже представлена инструкция по изготовлению плоской параллельной фермы. Если вам нужна фермическая конструкция другой формы, вы ее сможете изготовить аналогично.

Этап 1: подготовка инструментов и материалов

Для изготовления ферм и пролетов понадобится гараж или просторная домашняя мастерская, набор слесарных инструментов и сварочное оборудование:

Иллюстрация	Описание работ
	Слесарные инструменты: Прочный и устойчивый металлический верстак; Большие слесарные тиски; Ножовка по металлу; Тяжелый молоток и кувалда; Набор напильников по металлу; Пассатижи и плоскогубцы; Линейка, рулетка, штангенциркуль и пр.
	Электроинструменты: Дисковая или ленточная отрезная машинка по металлу; Болгарка с набором зачистных и отрезных дисков по металлу; Электродрель или сверлильный станок с набором сверл; Точильный станок с наждачным камнем; Электродуговой сварочный аппарат с электродами 3-4 мм.
	Материалы: Стальные профильные трубы 20х20 - 60х60 мм; Стальной уголок или швеллер 20х20 - 50х50 мм; Стальной лист толщиной 4-10 мм. Антикоррозионная грунтовка и эмаль по металлу.

Этап 2: изготовление плоской фермы

В большинстве случаев строительные конструкции собираются из нескольких плоских ферм одного или двух одинаковых типоразмеров. Ниже я приведу пример изготовления одной из них:

Подготовка металла:

1. Металлопрокат распилить на нужные отрезки, в соответствии с чертежами;
2. После распиловки снять с торцов труб заусенцы и протереть их от заводской смазки уайт-спиритом и ацетоном;
3. Если на трубах есть следы коррозии, их надо удалить болгаркой с зачистным диском;
4. В трубах разметить и просверлить все необходимые отверстия;
5. Для удобства каждую группу отрезков связать малярным скотчем и пометить маркером.

Изготовление металлических ферм:

1. На сварочный стол уложить балки верхнего и нижнего пояса, и приварить к ним крайние боковые стойки;
2. После этого вварить внутрь все вертикальные стойки и диагональные раскосы;
3. Опорные пятки, кронштейны и монтажные пластины привариваются в самую последнюю очередь;
4. Сначала все детали надо собрать на точечных прихватках;
5. Когда вы убедитесь, что все сделано правильно, нужно обварить соединения сплошным швом;
6. Сварные швы зачистить от шлака и окалины;
7. Готовые навесы из профильной трубы покрасить антикоррозионной грунтовкой и эмалью по металлу.

Если вам нужно сварить много однотипных деталей, я рекомендую предварительно изготовить шаблон на листе плотного картона, оргалита или фанеры.

Заключение

Теперь вы знаете, для чего используются металлические фермы, и как их можно изготовить в гараже или в домашней мастерской. Советую также смотреть видео в этой статье, а все свои вопросы и пожелания оставлять ниже в комментариях.

В строительстве фермы охватывают разные сферы применения, выступая силовыми механическими и каркасными элементами конструкций. В сущности, они представляют собой стержневые системы, которые в зависимости от условий эксплуатации могут обеспечивать разную степень растяжения и сжатия. Но это упрощенное устройство данного элемента, поскольку встречаются и сложные системы, представляющие комплексные фермы. Виды ферм такого типа формируются прямолинейными стержнями, которые соединяются в узлы. Кроме строительства, стоит отметить и животноводческие хозяйства, в которых также применяются фермы, но уже другого рода.

Общая классификация строительных ферм

Конструкции такого типа достаточно широко представлены в разных исполнениях. Одним из главных способов их разделения является признак назначения. Так, выделяют мостовые, башенные и грузоподъемные крановые системы. В местах, где требуется обеспечить стропильную конструкцию, также задействуются конструкции покрытий, выступающие опорными компонентами. Распространенным признаком для классификации является и способ опирания, от которого зависит техническое устройство объекта. В частности, выделяют двухопорные, многоопорные, винтовые и арочные строительные фермы. Виды комбинированных опор можно назвать универсальными. При условии правильного расчета нагрузок и механизмов фиксации такие системы подходят для разных систем опирания, среди которых шарнирные и жесткие механизмы. Чтобы избежать деформирующих процессов и разрушений при эксплуатации, важно учесть и способность конструкции справляться с нагрузками. По признаку грузоподъемности выделяют легкие и тяжелые фермы. В первом случае профильные компоненты способны выдерживать до 300 т на 50-метровый пролет, а во втором - более 300 т.

Конструкционные особенности ферм

В большинстве случаев главной функцией строительных ферм выступает силовая поддержка. Основа конструкции как таковая имеет незначительную несущую способность, поэтому основное внимание в этом плане уделяется армирующим поясам, которые и определяют общую систему комплекса. Выделяют двухпоясные и трехпоясные конструкции. Очевидно, что с точки зрения несущей способности выгоднее использовать дополнительно укрепленные фермы. Виды ферм с тремя поясами обладают более высокими показателями прочности, сопротивления изгибу и кручению. Эти качества избавляют инженеров от потребности формирования дополнительных связок, поскольку основная система армирования обеспечивает достаточную стойкость сжатого контура. В то же время усиливающие пояса могут иметь разное конструкционное исполнение, различаться по габаритам и параметрам уклона. В промышленных и общественных зданиях, например, нашли применение рыбчатые и вспарушные системы контуров, в которых реализуется система параллельных поясов.

Виды деревянных ферм

Довольно значимым признаком разделения ферм является и материал. Несмотря на растущую популярность полимерных и комбинированных конструкций, по-прежнему основными видами являются металлические и деревянные устройства. Последние чаще всего используются в односкатных и двухскатных крышах. С их помощью формируются в разных версиях. К примеру, наслонные монтажные ноги предполагают создание опор на столбы или стены дома в односкатных конструкциях. С другой стороны, для двускатных систем используются разные виды среди которых арочные и висячие устройства. В первом случае выполняется основа из дощатых арок, которая обеспечивает поддержку кровельного покрытия за счет прогонов. Висячие ноги в процессе монтажа скрепляются затяжками, которые не дают отдельным элементам расходиться и деформировать каркас дома.

Металлические фермы

Основным признаком классификации таких ферм является тип сечения профильных элементов. Существуют замкнутые и открытые компоненты. Закрытые системы формируются с помощью элементов прямоугольной или круглой формы. Что касается открытых систем, в них применяются парные и одиночные уголки, швеллеры, тавровые изделия и другая продукция металлопроката в виде мелкого профиля. Далее стоит отметить разнообразие усиливающих компонентов, которые служат для поддержки поясов. Даже высокопрочные виды стальных ферм в зависимости от условий эксплуатации могут нуждаться в дополнительном креплении опоры. Распространенные железобетонные плиты, к примеру, требуют соответствующей силовой поддержки, которую можно обеспечить только металлическими фермами с накладками толщиной до 14 мм. Чем больше шаг пролета в ферме, тем выше требования к усиливающей фурнитуре.

Принципы работы строительных ферм

Для понимания рабочего процесса, на котором основываются системы ферм, следует обратиться к их традиционному устройству. Конструкция ферм включает треугольники, которые могут устанавливаться на шарниры. Например, сложные опоры типа стрелы башенного автокрана содержат треугольники разных размеров - мелкие и крупные. Поскольку любой стержень эффективнее проявляет свои эксплуатационные свойства в процессах сжатия-растяжения, а не изгиба, то основное усилие прилагается в местах, где находятся узлы соединения фермы. Виды ферм с все же являются редкостью - в большинстве случаев крепление выполняется жестко и с расчетом на неизменность позиции. Иными словами, даже если два стержня в вырезать, то они не будут вращаться.

Животноводческие фермы

В животноводческой отрасли ферма является объектом сельскохозяйственного назначения, на котором, как правило, осуществляется выращивание скота. Такие объекты могут входить в агротехнические комплексы совхозов, колхозов и других предприятий, занимающихся хозяйственной деятельностью. Современные фермы отличаются наличием средств механизации, которые позволяют минимизировать ручной труд в процессе содержания животных. В таких комплексах могут предусматриваться агрегаты, обеспечивающие автоматическую подачу корма, дойку, уборку и т. д. Набирает популярность и вид рыбной фермы, который требует уже других подходов к технической организации хозяйства. Например, владелец должен обеспечить возможность регулярной очистки воды, воздуха, предусмотреть те же системы кормления. Созданные условия и сформируют полноценный комплекс фермы.

Классификация ферм для животных по конструкции

Если строительные фермы ориентируются на функции выполнения силовой поддержки конструкций, то в данном случае предполагается извлечение финансовой прибыли. Этот фактор не может не влиять на подходы к технической организации таких объектов. Крупные предприятия выбирают комплексное строительство ферм с нуля. Такой вариант позволяет реализовать хозяйства, рассчитанные на большие объемы производств. Но в среде малого бизнеса все большее распространение получают виды животноводческих ферм, представляющие собой компактные мини-комплексы сборного типа. Как правило, они предусматривают в составе технического обеспечения полный комплект необходимого оборудования, но только с расчетом на меньшее количество голов.

Заключение

При всех отличиях в строительных и животноводческих фермах, можно выделить точки их схождения. Так, при организации хозяйств для свиней или коров неизбежно возникает необходимость сооружения больших помещений ангарного типа. Как раз в них и могут использоваться металлические или Виды ферм для скота практически в любом исполнении требуют обслуживания больших площадей, которые целесообразно устраивать с помощью панельных и стропильных систем. Оптимальным вариантом считается каркасная конструкция, включающая и элементы строительных ферм. Такие профили могут использоваться и частично, и в качестве полноценного компонента для технической поддержки конкретного объекта.

Термин truss (ферма) часто используется для описания любой сборки элементов - таких, как псевдо-рамы или пары стропил , часто означает инженерный смысл: «плоская рама из отдельных конструктивных элементов, соединённых концами в треугольники, для охвата большого расстояния» .

Область применения

Фермы широко используются в современном строительстве, в основном для перекрытия больших пролётов с целью уменьшения расхода применяемых материалов и облегчения конструкций, например - в строительных большепролётных конструкциях, типа мостов , стропильных систем промышленных зданий, спортивных сооружений , а также при возведении небольших лёгких строительных и декоративных конструкций : павильонов , сценических конструкций , тентов и подиумов ;

Фюзеляж самолёта, корпус корабля, несущий кузов автомобиля (кроме открытых кузовов, работающих как простая балка), автобуса или тепловоза, вагонная рама со шпренгелем - с точки зрения сопромата являются фермами (даже если у них отсутствует как таковой каркас - ферменную конструкцию в этом случае образуют подкрепляющие обшивку выштамповки и усилители), соответственно, в их расчётах на прочность применяются соответствующие методики .

История

• башенные (см. Мачта , Башня - Башенный кран , Эйфелева башня)
• крановые (см. Грузоподъёмный кран)
• мостовые (см. Мост)
• опорные конструкции (опоры ЛЭП)
• фермы покрытий (стропильные, подстропильные - служат опорой для стропильных ферм)
• фермы гидротехнических затворов
• фермы транспортных эстакад

и других сооружений.

По материалу исполнения

По материалу исполнения фермы подразделяются на:

• металлические (сталь , чугун , алюминиевые и другие сплавы);
• комбинированные.

Иногда различные материалы комбинируют для наиболее рационального использования всех их свойств.

По конструктивным особенностям

Тип поясов

Фермы могут быть двухпоясные и трёхпоясные, в редких случаях имеющие преимущества перед двухпоясными: они обладают высоким сопротивлением изгибу в горизонтальной плоскости и кручению , что избавляет от необходимости установки дополнительных связей и повышает устойчивость сжатого контура фермы.

В зависимости от характера очертания внешнего контура ферм (типа поясов), фермы имеют определённые габариты по длине и высоте, а также уклон :

Тип поясов	Пролёт (длина) ферм, L, м	Высота ферм, H, м	Уклон поясов ферм, i, %	Схема
Вспарушные	36	1/10...1/12 L	-
Параллельные	24-120	1/8...1/12 L	до 1,5%
Рыбчатые	48-100	1/7...1/8 L	-
Многоугольные (полигональные)	36-96	1/7...1/8 L	-	Ферма многоугольная (полигональная).
Параболические (сегментные)	36-96	1/7...1/8 L	-
Трапецеидальные	24-48	1/6...1/8 L	8,0...10,0%	Ферма пятиугольная (трапециевидная).
Треугольные	18-36	1/4...1/6 L	2,5...3,0%

Обычно вспарушные и рыбчатые типы ферм применяют в общественных зданиях, с параллельными поясами - в промышленных .

Оптимальная высота ферм по условиям минимальной массы и максимальной жёсткости получается при отношении высоты фермы к пролёту - H/L = 1/4...1/5, но с таким соотношением фермы неудобны для монтажа и транспортировки и завышают объёмы зданий .

Тип решётки

Тип решётки	Описание	Схема
Крестовая	Крестовая решётка работает только на растяжение, поэтому применяется в фермах, работающих на знакопеременную нагрузку.
Раскосная	Используется в невысоких фермах
Полураскосная	-
Ромбическая	Ромбическая решётка является разновидностью треугольной решётки
Треугольная	-
Шпренгельная	-

Рациональный угол раскосов к поясам ферм - 45°.

Безраскосная ферма применяется в междуэтажных перекрытиях для создания эксплуатируемого этажа в межферменном пространстве или технического этажа; её недостаток - повышенный расход стали из-за значительных изгибающих моментов в поясах и стойках .

Тип опирания

• профили открытого типа - одиночные и парные уголки , гнутосварные профиля, швеллеры , тавры, двутавры ;
• профили замкнутого типа - трубы круглого и прямоугольного сечения.

В случае применения открытых профилей на концах ферм предусматриваются специальные утолщения - бульбы .

Пояса

Для крепления прогонов, на верхний пояс ферм устанавливается уголок с отверстиями для болтов.

При опирании железобетонных плит покрытия верхний пояс фермы усиливается накладками толщиной t, мм:

• 12 - при шаге ферм 6 м;
• 14 - при шаге ферм 12 м.

При больших пролётах (более 12 м) и при необходимости изменения сечения поясов проектируются разрывы. Разрывы поясов обычно выносятся за пределы узлов для облегчения работы фасонки, пояса перекрываются накладками из уголков или пластин. При незначительных усилиях возможен стык поясов в узле. Стыкуемые пояса смещают по высоте не более 1,5 % для избежания возникновения изгибающего момента, который учитывают в расчётах.

Соединительные прокладки

Профили открытого типа (двойной уголок, швеллер и т.д.) в парном исполнении при больших длинах могут работать отдельно друг от друга (при сжатии могут сгибаться в разные стороны), поэтому для их большей устойчивости при совместной работе устанавливают соединительные прокладки - сухарики.

Если длина спаренных элементов ферм (поясов, стоек и раскосов) превышает 40r при сжатии и 80r при растяжении, где r - любой минимальный радиус инерции сечения профиля, то такие элементы соединяются вдоль между собой дополнительными прокладками - сухариками. При ширине профиля более 90 мм сухарики устанавливаются не сплошными, их разрывают на две узкие планки для экономии стали .

Фасонки

Элементы фермы могут соединяться между собой встык или через соединительную пластину - фасонку .

Толщина фасонок зависит от усилий в элементах фермы и для всех элементов принимается одинаковой, однако для большепролётных ферм толщина опорных фасонок допускается на 2 мм больше и принимается для стали С38/23 по таблице:

Для сталей отличных от С238/23 допускается уменьшать толщину фасонок умножением на коэффициент равный 2100/R, где R - расчётное сопротивление стали.

Принцип работы

Если произвольным образом скрепить на шарнирах несколько стержней, то они будут беспорядочно крутиться вокруг друг друга, и подобная конструкция будет, как говорят в строительной механике, «изменяемой», то есть если на неё надавить, то она сложится, как складываются стенки спичечного коробка. Если составить из стержней обычный треугольник, то, конструкция сложится, только если сломать один из стержней, или оторвать его от других, такая конструкция уже «неизменяемая».

Конструкция фермы содержит в себе эти треугольники. И стрела башенного крана и сложные опоры , все они состоят из маленьких и больших треугольников. Так как любые стержни лучше работают на сжатие-растяжение, чем на излом, то нагрузка к ферме прикладывается в точках соединения стержней.

Фактически стержни фермы обычно соединяют между собой не через шарниры, а жёстко. То есть, если два любых стержня отрезать от остальной конструкции, они не будут вращаться относительно друг друга, однако, в простейших расчётах этим пренебрегают и считают, что шарнир имеется.

Методы расчёта

Существует огромное количество способов расчёта ферм, простых и сложных ; это - аналитические методы и построение диаграммы сил. Аналитические способы основаны на примере рассечения ферм, один из самых простых - расчёт методом «сквозного сечения» или «вырезания узлов» (шарниров , соединяющих стержни). Данный способ универсален и подходит для любых статически определимых ферм. Для расчёта все силы , действующие на ферму, сводят к её узлам. Далее применяют два варианта расчёта.

Первый - сначала выполняется нахождение реакций опор обычными методами статики (составление уравнений равновесия), затем рассматривается любой узел, в котором сходятся только два стержня. Узел мысленно отделяют от фермы, заменяя действие разрезанных стержней их реакциями, направленными из узла. В этом случае действует правило знаков - растянутый стержень имеет положительное усилие. Из условия равновесия сходящейся системы сил (два уравнения в проекциях) определяются усилия в стержнях, затем рассматривается следующий узел, в котором опять только два неизвестных усилия, и так до тех пор, пока не будут найдены усилия во всех стержнях.

Другой способ - не определять реакции опор, а заменить опоры опорными стержнями, а затем вырезать все узлы (числом n ) и для каждого составить по два уравнения равновесия. Далее решают систему 2n уравнений и находят все 2n усилия, включая усилия в опорных стержнях (реакции опор). В статически определимых фермах система должна замкнуться.

Метод вырезания узлов имеет один существенный недостаток - накопление ошибок в процессе последовательного рассмотрения равновесия узлов или проклятие размеров матрицы системы линейных уравнений , если составляется глобальная система уравнений для всей фермы. Этого недостатка лишён метод Риттера . Есть и архаичный графический метод расчёта - диаграмма Максвелла - Кремоны , полезный, однако, в процессе обучения. В современной практике используются компьютерные программы, большинство из которых основано на методе вырезания узлов или методе конечных элементов . Иногда в расчётах применяют метод замены стержней Геннеберга и принцип возможных перемещений .

Расчётные длины элементов

Расчётные длины элементов ферм (поясов, стоек и раскосов) принимается равной длине элемента, умноженной на коэффициент приведения длины μ :

• в плоскости фермы:
  • μ = 1,0 - для сжатого верхнего пояса в плоскости фермы (полная геометрическая длина элемента между центрами узлов);
  • μ = 1,0 - для опорных раскосов ферм (в виду малого влияния защемления), которые рассматриваются как продолжение пояса;
  • μ = 0,8 - для всех стоек и раскосов, кроме опорного, в связи с некоторым защемлением концов раскосов, вызванным растянутыми элементами, примыкающими к фасонкам.
• из плоскости фермы:
  • μ = 1,0 - для сжатых раскосов и стоек (полная расчётная геометрическая длина между центрами узлов);
  • μ = 1,0 - для сжатых поясов; если прогоны прикреплены к связям, что затруднительно при монтаже, или по прогонам уложен жёсткий настил (профлист прикреплён шурупами к прогонам через примерно 30 см и по профлисту выполнена монолитная железобетонная плита), или в беспрогонном покрытии сборные плиты покрытия приварены к поясам ферм.

Состав проекта и оформление

Рабочий проект состоит из двух частей: Пояснительная записка и чертежи марки КМ (конструкции металлические), выполняемые проектировщиком, на основе которой выполняются чертежи марки КМД (конструкции металлические, деталировочные) конструкторским отделом завода-изготовителя с учётом наличия материалов (прокатная сталь и др.) и технологических возможностей и ограничений завода и монтажной организацией (механизмов для конструирования: сварочные аппараты и др.; механизмов для монтажа: краны, тали и др.).

В чертежи марки КМ входит

• заглавный и титульный листы;
• пояснительная записка;
• схемы расположения элементов;
• узлы сопряжения элементов;
• габаритные и привязочные размеры;
• техническая спецификация металлопроката.

В чертежи марки КМД входит

• заглавный и титульный листы;
• монтажные схемы;
• деталировочные чертежи элементов и монтажных метизов.

Рабочие чертежи выполняются в специальной марочной системе.

Галерея

Сечение ферменной крыши Queen post, см. en:Timber roof truss .

Опора ЛЭП.