Однако именно угловые крыши используются сегодня для строительства довольно прочных скатных крыш для домов и гаражей. Если только в вашем регионе не выпало много снега:
Металлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовления
Прочные и долговечные металлические фермы являются одним из современных видов металлопроката. Они представляют собой интегрированную форму, которая не меняет своих геометрических параметров, даже когда жесткие блоки заменяются модульными. Из них получаются прочные и надежные конструкции, такие как навесы, павильоны и даже целые крыши жилых домов. Но являются ли такие конструкции более практичными, чем обычные деревянные?
В этой статье мы расскажем вам о типах, особенностях и преимуществах металлических ферм. Надеюсь, вы увидите вопрос прочности ферм в совершенно ином свете, особенно если хотите забыть о занозах, жучках-древоточцах и постоянных заботах об обработке элементов крыши.
Содержание
Прочные металлические фермы сегодня широко используются при строительстве частных домов и промышленных зданий. И даже при строительстве складов, спортивных сооружений, торговых центров и выставочных павильонов, а также при возведении высотных офисных зданий не обойтись без такой надежной строительной системы. Неудивительно, ведь металлические балки особенно хорошо подходят для перекрытия больших проемов.
Металлические трубы имеют много 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 точки зрения статики использование ферм даже предпочтительнее балок. Кроме того, благодаря меньшему весу они могут выдерживать гораздо большие нагрузки, чем обычные двутавровые балки и швеллеры. В то же время фермы менее металлические.
Металлические фермы в чем-то похожи на стальные фермы, но они гораздо экономичнее в плане расхода материалов. В то же время их эффективность сопоставима. А отличие металлической фермы от простой балочной конструкции заключается в том, что готовая ферма прекрасно работает на растяжение и сжатие.
И в отличие от деревянных балок, металлические балки не гниют, не плесневеют и не повреждаются грибками или насекомыми. Их гораздо труднее сломать тонной снега. Кроме того, эти балки монтируются быстрее, чем балки из других материалов.
Виды ферм для разных задач
Вы будете удивлены тем, как много существует типов металлических ферм:
Рассмотрим подробнее наиболее популярные формы металлических ферм, которые чаще всего производятся 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 известные и менее известные типы металлических ферм:
Что такое ферма
Крыша является осью здания; чтобы создать надежный каркас, строители устанавливают деревянную балку в основании крыши. Она не только обеспечивает устойчивость крыши во время большого количества снега и обильных осадков, но и удерживает материал, которым покрыт дом.
Фермами крыши называют жесткую конструкцию, каркас скатной крыши, если крыша прямая, фермы не используются. После установки крыши напряжение распределяется по фермам и предотвращает ослабление основания крыши под воздействием ветра и других тяжелых нагрузок.
Для строительства мостов использовались деревянные фермы. Однако конструкция оказалась ненадежной из-за осадков и насекомых в древесине, поэтому строительный материал был использован для устройства крыши.
Деревянная крыша покрывается железом, листовым металлом или металлочерепицей, и воздействие погоды не столь разрушительно.
Виды и материалы изготовления
В зависимости от предназначения стропила делятся на различные типы.
- Деревянная стропильная ферма-каркас собирается на участке и поднимается и закрепляется на готовый дом. Дерево легкий материал, поэтому с транспортировкой не возникает проблем, собирать каркас на крыше неудобно и не безопасно, а такой тип конструкции экономит время и силы.
- Ферма-перекрытие — такой формой стропил перекрывают площадь между лестничными пролетами.
Деревянные рамы делятся на 4 типа в зависимости от их формы.
- С параллельным поясом-укрепляют межэтажное пространство.
- Треугольный-предназначен для строительства крыш, для перекрытия одного основания берется 2-3 стропильные фермы, которые соединяются при помощи деревянного бруса.
- Прямоугольный — еще один вид для укрепления кровли, но для крыш с большим уклоном не используется.
- Если крыша нестандартной формы, используется ферма по типу трапеции или с искривлением верхнего пояса.
Балки выпиливаются из деревянных свай или бревен, но при необходимости используются и другие материалы:
- стальное основание и деревянный каркас-конструкция выдерживает большие нагрузки, чем строительная ферма полностью из дерева. Вес будет распределяться по железному основанию, сокращая давление на деревянный каркас;
- если сооружение небольшое, сарай или погребка, для каркаса крыши можно использовать фанерную трубу, материал легок в перевозке и монтаже. По надежности, конечно, уступает деревянным брусьям и железу, но если конструкция, не несущая подойдет;
- сочетание стеклопластика и дерева, не часто изготавливается из такого материала, в основном по индивидуальному заказу. Изделие прочное и легкое, конструкция легко поднимается с земли на здание, а также может собираться на строении;
- клееный брус и доски — основной материал, из которого создается каркас для крыш. Хоть конструкция получается массивной, но в строительстве используется чаще всего.
Изготовление и сборка ферм
Расположение и форма каркаса крыши определяется проектом здания, даже если строительство домов идет по одной схеме, необходимо учитывать некоторые соображения:
- наклон кровли;
- каким способом будет соединяться конструкция;
- чем будет покрываться крыша;
- присутствует ли в строении потолочное перекрытие между этажами и чердаком.
Если крыша должна быть плоской и покрыта легким строительным материалом, заказывается и устанавливается прямоугольная или трапециевидная ферма заводского изготовления.
Сплошные треугольные фермы, установленные на круто скатной крыше, могут выдерживать тяжелые кровельные материалы.
Треугольная форма используется для жилых помещений, остальные — для технических и вспомогательных помещений.
Длина основания крыши определяет, в каком направлении укладываются балки. Чтобы определить, какая форма подходит, следует учесть наличие или отсутствие дополнительной опоры в виде внутренней стены. Если нет опорной конструкции и длина менее шести метров, достаточно простой фермы крыши, прикрепленной к внешней стене.
Для пролетов длиной более шести метров требуется ферма, прикрепленная к центру балки. Кроме того, для крепления балок необходимо установить опоры и стержни. Это создает надежное перекрытие в основании чердака, по которому можно ходить, не опасаясь, что конструкция не выдержит веса.
Рамы в фермах используются для постоянных стен. Они также соединяются с потолком балками или досками. Без этой конструкции каркас балок будет провисать в месте соединения с карнизом.
Балки опираются на установленную плиту, а не на стену. Это обеспечивает равномерное распределение нагрузки, стена не перегружается балками.
Крыша под фермой называется мауэрлат, этот материал не используется, когда крыша устанавливается на доме с деревянными стенами, так как он не выдерживает нагрузки. Если стена кирпичная, необходимо использовать стропильную ферму, чтобы вес равномерно распределялся по несущей конструкции.
Если требуется более прочный материал, используются металлические балки, способные выдержать нагрузку кровельного покрытия.
Ферменные конструкции состоят из узлов, которые являются слабыми местами фермы. При сборке в узлах не должно быть зазоров, иначе строительный материал не будет достаточно жестким и прочным. Узлы включают:
Разновидности металлических ферм
Проектирование начинается с выбора контура и конструктивной схемы будущего изделия. Характеристики выбираются в соответствии с предполагаемым использованием и архитектурно-строительным проектом здания. Оцениваются все имеющиеся варианты.
Ограждающие конструкции зданий, мосты, транспортные туннели и многие другие сооружения состоят из разъемных балочных систем. Они характеризуются простотой конструкции и монтажа, отсутствием сложных компонентов и достаточной металлоемкостью. Когда требуется пролет 40 м, такие негабаритные поперечные балки собираются на месте.
Если требуется не менее двух пролетов, необходимо установить сплошные балки. Этот тип требует меньше стали для изготовления конструкции, но имеет более высокую жесткость. Это означает, что высота такой стальной фермы может быть уменьшена. Этот метод строительства не рекомендуется для слабых полов, так как расположение опор вызывает дополнительные усилия. Кроме того, отсутствие уклона затрудняет монтаж.
Ферменные каркасы экономичны по расходу металла, имеют относительно небольшие размеры, но требуют довольно сложной сборки. Использование таких изделий оправдано в зданиях с большими проемами.
Арочные системы также снижают расход стали, но неизбежно увеличивают объем помещения и прилегающих к нему территорий. Соответствующие балки выбираются в соответствии с архитектурными требованиями.
Консольные балки используются в качестве элементов навесов, башен и опор для линий электропередач.
Важно, чтобы контур конструкции соответствовал ее конструктивному исполнению и типу нагрузок, от которых зависит профиль изгибающего момента. При выборе кровельных балок необходимо учитывать материал кровли и уклон крыши, чтобы обеспечить необходимый водоотвод. Также учитывается тип соединения с колоннами — жесткое или шарнирное — и некоторые другие технические характеристики.
Экономическая эффективность стальных балок зависит от самих балок. Минимальное количество стали, необходимое для изготовления фермы, описывается диаграммой моментов. Например, сегментная балка с параболической хордой является лучшим выбором для однопролетной балочной системы с равномерно распределенной нагрузкой. Однако изготовление изогнутых хорд требует много времени, поэтому такие балки редко используются на практике.
Более распространенными являются многоугольные фермы. В компактных системах с большими пролетами дополнительные трудности проектирования, связанные с прерыванием балок в узлах, менее заметны. Должно быть ясно, что условия транспортировки заставляют нити в таких структурах быть соединенными в каждом узле.
Использование полигональных контуров для легких стальных балок не считается рациональным, так как работа с чрезмерно сложными узлами несопоставима со снижением стоимости стали.
Трапециевидные балки не совсем точно соответствуют диаграмме моментов, но имеют статические преимущества за счет упрощения узлов. Размещение таких конструкций на крыше создает жесткий каркас, который увеличивает жесткость здания.
Типы сечений стержней металлических ферм
С точки зрения потребления стали трубчатый профиль считается наиболее благоприятным. Труба имеет хорошую аэродинамическую конструкцию, которая обеспечивает меньшее давление ветра, что важно для высоких конструкций, таких как башни, мачты и краны. Поскольку фермы из металлических труб меньше накапливают инея и влаги, они лучше защищены от пятен ржавчины. Их легко чистить и красить, что положительно сказывается на сроке службы конструкций. Для предотвращения коррозии на внутренних поверхностях труб их необходимо герметизировать.
На схеме показаны: a, b — трубные профили; f, d, e, g, k и l — на основе прокатных уголков; h — двутавровые балки; i — тавровые балки.
Недостатками этого подхода, которые не позволяют использовать такие системы повсеместно, являются высокая цена труб и определенные конструктивные сложности при соединении элементов.
Прямоугольные профили с загнутыми концами имеют те же преимущества, что и трубчатые профили, но используются чаще, поскольку имеют более простые соединения элементов. Само собой разумеется, что проектирование балок с криволинейным сечением и безпазовыми соединителями должно быть предельно точным. Из-за технологических трудностей толщина изогнутых секций не может превышать 10-12 мм, что препятствует широкому применению таких металлических ферм. Сильные пластические деформации в местах изгиба оказывают негативное влияние на хрупкую прочность стали.
Нередко прибегают к более рациональному решению, при котором отдельные элементы балки состоят из различных типов профилей. Для балок используются двутавровые балки, параллельные гнутые профили, тавровые балки, решетки из парных или одиночных уголков.
Для пространственных ферм, таких как башни, мачты, стрелы кранов, существует общая хорда для двух ферм. Важно, чтобы его сечение не мешало нормальному соединению элементов на разных уровнях. Здесь обычно предпочтительно трубчатое сечение.
Для четырехгранных ферм с малыми силами простейшим сечением балки является один угол или пара углов с общим сечением. При возникновении значительных усилий в конструкцию включаются двутавровые балки. Важно, чтобы сжатые элементы стальных ферм были одинаково устойчивы в вертикальных направлениях.
Выбор конкретного сечения элементов конструкции зависит от условий эксплуатации: Учитываются тип и расположение нагрузок, агрессивность окружающей среды и ряд других факторов. Также важно оценить возможность строительства стропильной фермы крыши из определенных элементов, доступность ассортимента продукции и рентабельность такой инвестиции.
Преимущества и недостатки разных металлов для строительства металлических ферм
В качестве материалов для изготовления стальных балок из трубчатых профилей используются углеродистые и углеродистые стали нормального класса и качества, а также конструкционные и легированные стали. Также можно использовать трубки с защитным цинковым покрытием. Алюминий используется для строительства компактных сезонных конструкций.
Углеродистая сталь St3sp, St3ps, которая иногда может быть оцинкована, используется для строительства небольших зданий с балками в частном секторе. Этот материал обладает достаточной прочностью, чтобы сделать конструкцию надежной. Сталь не отличается значительной устойчивостью к ржавчине.
Изделия из конструкционных и легированных сталей также со временем корродируют под воздействием осадков. Небольшой процент легирующих элементов не может защитить металлическую опору от такого разрушения. Обычно используются низколегированные стали, такие как 30ΧГСА, 30ΧГСН, 38ΧΑ, содержащие от 2 до 4% легирующих элементов, что никак не влияет на их коррозионную стойкость.
Что касается долговечности, то конструкционные и легированные стали служат гораздо дольше углеродистых и лучше выдерживают циклические нагрузки. Однако это свойство проявляется в металле только после термической обработки. Поскольку закалка может негативно сказаться на форме трубы, готовые изделия не подвергаются термической обработке. Иногда трубы отжигают без сварки — это снимает остаточные напряжения в металле, делая его намного мягче.
Конструкционные стали, такие как 20A, 45, 40 и 30A, считаются сталями более высокого класса и поэтому стоят дороже. Цена легированных сталей еще выше, и поставщик может поставить 3 стальные трубы вместо требуемых труб. Поэтому если вы планируете строить сооружения шириной до 20 м, лучше избегать покупки трубных секций из вышеупомянутых видов стали. Приобретать оцинкованные профили стоит при условии, что строительство ведется с использованием тележечной системы.
Основные преимущества фермы
По сравнению с обычными балками из цельного металла, балки имеют следующие преимущества:
- значительная длина при небольшом весе;
- долгий срок эксплуатации при активной нагрузке;
- исключение прогибов;
- устойчивость к внешним воздействиям;
- способность выдерживать динамические и статические воздействия;
- возможность производства конструкции на стройплощадке.
Обратите внимание, однако, что большая стропильная ферма требует тяжелых элементов, которые должны быть подняты на необходимую высоту с помощью специальной техники. Эти системы не выдерживают высоких температур, что может привести к провисанию и обрушению крыши в случае пожара. Строительство не будет дешевым, учитывая выгодные характеристики.
Как выбрать и установить
Чтобы металлические фермы были надежными и качественными, рекомендуется соблюдать определенные правила. Прямоугольные и квадратные системы характеризуются более прочным армированием. Предпочтительным материалом является высокоуглеродистая легированная сталь, так как она более устойчива к агрессивным воздействиям окружающей среды.
При правильном выборе изделия обеспечивают достаточную несущую способность всей конструкции. Рекомендуется соединять отдельные компоненты с помощью специальных подвесов и парных уголков. Для верхнего пояса используются двутавровые балки, соединенные по короткой стороне. Чаще всего для соединения частей используются углы с равными сторонами. Продольные конструкции усилены перекрывающимися пластинами.
Необходимо следить за тем, чтобы угол колонн составлял ровно 45º, а угол стоек — 90º. Сначала собирается основание, а затем свариваются остальные части. Обязательно проверьте прочность шва.
Кроме того, необходимо соблюдать алгоритм установки. Для этого заранее размечают участок, затем устанавливают вертикальные опоры и собирают детали. В некоторых случаях трубы могут быть сразу же укреплены и забетонированы в котлованах. Для проверки опор используется отвес, а для проверки параллельности — струна.
Рекомендуется закрепить опоры с помощью сварки. Узлы и отдельные детали выравниваются на земле, а затем крепятся к фундаменту с помощью стоек и распорок. После этого балки необходимо поднять на высоту и соединить с опорами и трубами. После сборки балку еще необходимо очистить и подготовить к покрытию и последующей покраске.
Металлические фермы жесткие и надежные, но реже используются при строительстве загородных домов и коттеджей. Чаще всего металлические фермы используются в промышленных объектах, когда крыша состоит из больших проемов. Построить систему несложно, при условии, что конструкция продумана и реализована заранее, а также обеспечена правильная сборка и установка. Если вы доверите эту работу в руки профессионалов, то получите долгие годы качественного строительства.
Монтажные работы
Процесс изготовления стальных элементов требует точного, поэтапного выполнения мероприятий. Сначала выполняются работы по устройству фундамента под фундамент и стены. Затем балки транспортируются на строительную площадку. Сборка, сварка, зачистка и покраска производятся на земле. Затем готовые конструкции поднимаются краном на место установки. Дальнейшая работа ведется в соответствии с планом.
Структурные особенности
Для правильного распределения нагрузки необходима рамная конструкция. Нагрузка не должна быть сосредоточена в одной точке, а распределена по всей ферме. В зависимости от структуры балки существует несколько вариантов:
- Сегментно-прямоугольные.
- Трапециевидная двускатные.
- Сегменто-безраскосые.
- Арочно-бескаркасные.
При выборе типа носителя для использования необходимо проанализировать каждый тип и сравнить характеристики и другие особенности. Выбор также зависит от того, что именно вам нужно. Для строительства зданий и промышленных сооружений или других зданий и сооружений.
Существуют также плоские балки и объемные балки. Они принципиально отличаются друг от друга, поэтому сначала нужно рассмотреть их характеристики. Плоские изделия имеют только размеры ширины и длины. Объемные конструкции изготавливаются в трех измерениях. Несущая способность конструкции определяется на основе размеров исходных деталей и проектного чертежа.
Для проектирования объемных конструкций необходимы следующие компоненты и узлы изделия:
- Нижний пояс. Это элемент основания, представляющий собой балку, расположенной в горизонтальной плоскости. Ее устанавливают на стены для последующего крепления к ней остальных элементов. А именно элементы жесткости, — диагональные и вертикальные элементы.
- Верхний пояс. Он также является основанием для связей, как и верхний пояс. Если конструкция имеет прямоугольную форму, тогда балка устанавливается параллельно основанию. В трапециевидных конструкциях верхний пояс делится на участки, повторяющие заданную форму. Для арочных и сегментных сооружений создают арку с заданным изгибом.
- Раскосы и стойки. Представляют собой элементы жесткости. Вертикальные ребра выступают в качестве сток. А диагональные элементы металлической конструкции — раскосы.
- Узлы. Это место, где соединяются стойки и раскосы с верхним или нижним поясом. Проект создается так, чтобы нагрузка конструкции концентрировалась в узловых точках.
Как происходит процесс производства
Черные конструкции относятся к категории повышенной безопасности. Это связано с тем, что прочность и целостность здания зависит от его качества. В их конструкции используются прямые и плоские уголки, круглые трубы, швеллеры и холоднокатаные сварные балки.
В ходе изготовления фермы может применяться сваривание и болтовое соединение. Рассмотри их более подробно:
- Соединение заклепками или болтами. В конструкции сначала делают отверстия с помощью плазменной резки. Используемые крепежные элементы должны обладать высоким уровнем прочности. В этом случае будут применяться метизы, гайки, шайбы, граверы. С помощью болтового соединения обеспечивается быстрая установка фермичной конструкции на стройплощадке. Также при необходимости, можно произвести демонтаж, и это также займет немного времени.
- Соединение стальных элементов на молекулярном уровне. В этом случае понадобится сварка. Сейчас существует большое количество разнообразия. Это и контактная, электрическая, дуговая. Самыми эффективным является сварка под флюсом для фермичных конструкций. Такая технология соединения позволяет несколько упростить и автоматизировать этот процесс. Сварочные машины могут формировать внешние и внутренние швы при двойном проваривании. Для проверки качества будет использоваться лазерное и ультразвуковое устройства. Используемый для изготовления ферм металлопрокат может быть выполнен из низколегированных, обычных, конструкционных, углеродистых и высокопрочных марок стали. Оцинкованные материалы могу использоваться с целью защиты от внешних факторов.
Приложения
Несущие фермы — это стальные рамы больших размеров и объемов. Первоначально такие конструкции использовались для строительства зданий с большими проемами: Лаборатории, химические и металлургические заводы, навесы и склады, павильоны и комплексы. Заводы контролируются на предмет качества и безопасности. Поэтому вы можете быть на сто процентов уверены в их безопасности. Сегодня кровельные фермы используются для строительства 1-2 скатных крыш и других вариантов. Именно поэтому им уделяется все больше внимания со стороны профессиональных ассоциаций строителей.
Применение ферм неограниченно. Они используются при строительстве мостов, гидротехнических сооружений и других конструкций. При строительстве кранов этот тип конструкции является сегодня стандартным.
