Металлические фермы: от выбора схемы до монтажа

Металлическая ферма — решетчатая несущая система из верхнего и нижнего поясов. Соединяющую их решетку образуют стойки, раскосы либо оба вида элементов. Она позволяет перекрывать значительные пролеты без промежуточных опор, поэтому применяется при строительстве ангаров, складов, производственных зданий, навесов, спортивных объектов и других сооружений.

В этой статье вместе с основателем калининградской мастерской по работе с металлом МК-СТАЛЬ Юрием Михайловичем Чернобыльцем разберем, какие бывают фермы, как они устроены и от чего зависит выбор сечений элементов. Отдельно рассмотрим этапы проектирования, изготовления и монтажа конструкции.

Как устроена и работает металлическая ферма

Основу конструкции образуют верхний и нижний пояса. Их соединяют вертикальными стойками и наклонными раскосами. Когда на кровлю действуют ее собственный вес, снег или ветер, нагрузка через эти элементы передается на колонны, стены либо другие опоры.

При этом одни детали сжимаются, а другие растягиваются. Распределение усилий зависит от формы, расположения опор и условий эксплуатации. По этой причине размеры всех элементов подбирают как части единой системы.

У каждой детали есть свое назначение. Основные элементы представлены в таблице.

Расстояние между опорами называется пролетом, а участок пояса между двумя соседними узлами — панелью.

Ферма может оказаться легче сплошной балки при перекрытии большого расстояния, однако ее производство сложнее. Вместо одного прокатного элемента требуется подготовить несколько деталей, точно собрать решетку и выполнить предусмотренные проектом соединения.

Плоские и пространственные фермы

По расположению элементов фермы делят на:

• Плоские — состоят из поясов, стоек и раскосов, расположенных в одной плоскости. В покрытиях зданий несколько таких изделий устанавливают параллельно, а затем соединяют прогонами и связями. Эти дополнительные элементы удерживают фермы в заданном положении и не дают им отклоняться в сторону.
• Пространственные — имеют объемную форму, их стержни расположены в нескольких плоскостях и образуют единую жесткую систему. Такое строение позволяет воспринимать нагрузки, действующие с разных направлений. Пространственные решения применяют при возведении башен, мачт, опор и покрытий сложной формы.

В ангарах, навесах и модульных зданиях обычно устанавливают ряд плоских стропильных ферм и объединяют их в общий каркас. Расположение прогонов и связей, а также способы их крепления указывают в проекте.

Виды ферм по статической схеме

Даже одинаковые по форме изделия могут по-разному опираться на каркас. Одно перекрывает отдельный пролет, другое проходит над несколькими опорами, а третье образует единую систему с колоннами. От этого зависит распределение нагрузки, устройство соединений и сложность монтажа. Основные статические схемы представлены в таблице.

Статическую схему выбирают при проектировании, когда уже известны размеры сооружения, количество опор и особенности основания. Изменение их расположения влияет на усилия во всех элементах, поэтому готовую схему нельзя произвольно удлинять или переносить на другой объект без повторной проверки.

Основные формы металлических ферм

После выбора способа опирания определяют форму фермы. Ее задают очертания верхнего и нижнего поясов. Они могут быть параллельными, образовывать треугольник, трапецию, ломаную или дугообразную линию. От выбранного варианта зависят высота сооружения, уклон кровли, устройство узлов и сложность изготовления.

Основные формы и их особенности приведены в таблице.

Одного очертания недостаточно, чтобы подобрать сечения элементов. Для двух внешне одинаковых ферм могут потребоваться разные профили — все зависит от длины пролета, расстояния между опорами, веса кровли, снеговой и ветровой нагрузки. Окончательное решение принимают на основании расчета.

Из каких профилей изготавливают фермы

МК-СТАЛЬ производит изделия из черного металла. В зависимости от проекта применяются трубы, уголки и другие виды металлопроката. Марку стали, размеры сечения и толщину стенки определяют по рабочей документации.

Профильная труба

Квадратные и прямоугольные замкнутые профили удобны при изготовлении навесов, каркасов и других сравнительно легких сооружений. Они обладают жесткостью в двух направлениях и позволяют получать аккуратные узлы.

При использовании трубы важны точность резки и подгонки, качество сварных соединений и защита участков, в которые может попадать влага. Открытые торцы закрывают в соответствии с принятым конструктивным решением.

Круглая труба

Круглое сечение имеет одинаковые геометрические характеристики относительно центральных осей и создает меньшее аэродинамическое сопротивление, чем угловатый профиль. Его применяют в мачтах, башнях и пространственных системах. Минус такого решения — более сложная подготовка мест сопряжения.

Уголок

Одиночные и парные уголки используют для поясов и решетки. Детали можно соединять непосредственно или через фасонки — металлические пластины, объединяющие несколько стержней в одном узле. Открытое сечение удобно для сборки, но требует доступа к поверхностям при очистке и нанесении защитного покрытия.

Двутавры, тавры и комбинированные сечения

При значительных усилиях пояса могут изготавливаться из тавровых либо двутавровых профилей. В одной ферме допустимо сочетание нескольких видов проката: например, более мощного сечения в поясах и легкого — в решетке. Такое решение принимается по расчету и отражается в чертежах.

Какие данные нужны для проектирования

При расчете фермы учитывают все действующие нагрузки и их возможные сочетания. Такую работу должен выполнять специалист.

Проектировщику потребуются:

• назначение и размеры сооружения;
• величина пролета;
• расположение и тип опор;
• форма и уклон кровли;
• подвесное оборудование и другие дополнительные нагрузки;
• условия внутри и снаружи здания;
• предполагаемый способ доставки и монтажа;
• требования к огнезащите и антикоррозионному покрытию, если они предусмотрены проектом.

Свойства грунта учитывают при расчете фундамента и опор. Если основание под одной частью здания просядет сильнее, соответствующая колонна может опуститься ниже остальных. Вместе с ней изменится положение фермы, а нагрузка на ее элементы распределится иначе. Возможность такой осадки особенно важно учитывать при проектировании неразрезных и рамных систем, соединенных с несколькими опорами.

Что проверяют при расчете

Работа проектировщика не ограничивается определением общей нагрузки. Необходимо:

1. Составить расчетную схему сооружения.
2. Определить постоянные, временные и климатические воздействия.
3. Рассмотреть требуемые сочетания нагрузок.
4. Найти усилия в поясах, стойках и раскосах.
5. Подобрать сечения по прочности, устойчивости и предельной гибкости.
6. Проверить перемещения и прогибы.
7. Рассчитать сварные или болтовые узлы.
8. Предусмотреть связи, обеспечивающие устойчивость при эксплуатации и во время монтажа.

Как уклон кровли влияет на ферму

Уклон определяет очертание верхнего пояса, высоту изделия и геометрию решетки. При его выборе учитывают тип кровельного материала, требования производителя покрытия, водоотведение, архитектуру объекта и климатические нагрузки.

Готовые соотношения высоты фермы к пролету можно использовать лишь для предварительной компоновки. Они не заменяют расчет. Даже при одинаковом уклоне потребуются разные сечения, если изменятся шаг несущих элементов, масса кровли или расположение опор.

Чем опасны ошибки в расчетах

Слишком слабое сечение может привести к чрезмерному прогибу, потере устойчивости отдельных стержней, повреждению кровли или деформации всего каркаса. Риск возникает не только от постоянного веса. Неблагоприятное сочетание снега и ветра способно изменить распределение усилий, особенно в навесах и открытых сооружениях.

Неоправданно тяжелый профиль также нельзя считать правильным решением. Он увеличивает стоимость металла, нагрузку на опоры и фундамент, усложняет перевозку и требует более грузоподъемной техники. Задача расчета — получить необходимую надежность без избыточной массы.

Этапы изготовления металлической фермы

Производство ведется по чертежам, в которых указаны размеры, сечения, марки деталей, расположение отверстий, типы швов и сборочных соединений.

1. Проверка документации Перед запуском заказа уточняют комплектность чертежей, габариты, спецификацию металлопроката и требования к покрытию. Одновременно оценивают, можно ли доставить изделие целиком или его придется разделить на отправочные секции.

2. Подготовка деталей Прокат размечают и режут на заготовки. При необходимости выполняют отверстия под крепеж, подготавливают кромки и поверхности в местах будущих соединений.

3. Сборка Пояса, стойки и раскосы раскладывают в заданном положении. Детали фиксируют, проверяют диагонали, высоту и общую геометрию. Отклонение одного узла способно вызвать несовпадение монтажных отверстий или изменить положение следующей секции каркаса.

4. Соединение элементов В цеху применяют предусмотренную документацией сварку. Разъемные и монтажные участки собирают на болтах. Для крупного изделия может использоваться комбинированная схема: отдельные части сваривают на производстве, доставляют на объект и соединяют во время укрупнительной сборки.

5. Контроль и защитная обработка После сборки проверяют размеры, расположение узлов и качество выполненных соединений. Поверхность очищают и покрывают антикоррозионной грунт-эмалью выбранного заказчиком цвета.

МК-СТАЛЬ может изготовить ферму целиком либо секциями. Вариант поставки зависит не только от длины, но и от массы, доступности подъезда, возможностей разгрузки и условий подъема на объекте.

Как проходит монтаж

До доставки проверяют готовность колонн, стен, закладных деталей и других опор. Их положение должно соответствовать проектным осям и отметкам.

Монтаж включает несколько операций:

1. Приемку и раскладку доставленных элементов.
2. Укрупнительную сборку, если изделие состоит из секций.
3. Строповку и подъем к месту установки.
4. Временное закрепление.
5. Выверку положения относительно осей и опорных отметок.
6. Выполнение постоянных сварных или болтовых соединений.
7. Установку связей, прогонов и других деталей, обеспечивающих устойчивость.
8. Контроль собранного каркаса.

Крупные элементы поднимают краном. Пока ферма не получила предусмотренного проектом раскрепления, она может быть неустойчива из своей плоскости. Поэтому нельзя снимать стропы и временные крепления только потому, что изделие уже установлено на опоры.

Изготовление ферм в Калининграде

МК-СТАЛЬ выполняет изготовление металлических ферм из черного металла по чертежам заказчика. Изделие можно заказать целиком или отдельными секциями с последующей сборкой на площадке. Компания также выполняет доставку и монтаж в Калининграде и области.

Если рабочая документация уже подготовлена, отправьте чертежи и спецификацию для предварительной оценки. При их отсутствии сообщите назначение и размеры сооружения, длину пролета, вид кровли и адрес объекта. Специалист уточнит исходные данные и определит, какие документы потребуются для расчета заказа.

Материал подготовлен при участии эксперта

Юрия Михайловича Чернобыльца, основателя «МК-СТАЛЬ».