Тем не менее, угловые крыши в нынешнее время активно применяются для проектирования довольно прочных скатных крыш как для жилых домов, так и для гаражей. Если только в вашем регионе отсутствует обилие снега:
Металлические фермы: самостоятельный расчет и особенности изготовления
Металлические фермы, отличающиеся прочностью и долговечностью, представляют собой один из самых современных видов металлопроката. Эти конструкции имеют интегрированную форму и сохраняют свои геометрические характеристики даже в случае замены жестких блоков на модульные. Из металлических ферм производятся не только прочные навесы и павильоны, но и целые крыши для жилых и коммерческих зданий. Вопрос, который возникает у многих, касается практичности таких конструкций по сравнению с традиционными деревянными фермами.
В данной статье мы рассмотрим различные типы металлических ферм, их особенности и преимущества. Надеюсь, чтение данного материала поможет вам по-новому взглянуть на вопрос прочности ферм, особенно если вы хотите избежать таких проблем, как занозы, жучки-древоточцы и постоянные заботы по уходу за деревянными элементами крыши.
Содержание
Металлические фермы находят широкое применение при строительстве как частных домов, так и промышленных сооружений. Их также активно используют при возведении складов, спортивных комплексов, торговых центров и выставочных павильонов, а также в высотных офисных зданиях. Это обусловлено тем, что металлические балки отлично подходят для перекрытия крупных проемов.
Среди множества достоинств металлических труб можно выделить несколько ключевых:
- Хорошая устойчивость к деформациям даже при больших нагрузках.
- Относительно низкий вес благодаря полым конструкциям, что облегчает их транспортировку и установку.
- Доступная стоимость материала, что делает их привлекательным выбором для частного строительства.
- Возможность создания безопасных и сложных конструкций без снижения прочности.
- Высокий уровень пожаробезопасности.
- Долговечность, надежность и высокая прочность конструкций.
С точки зрения статического анализа, металлические фермы имеют преимущества в сравнении с обычными балками. В силу своего меньшего веса они могут выдерживать более значительные нагрузки, чем традиционные двутавровые балки и швеллеры. Однако при этом металлические фермы используют меньше металла, что делает их более экономичными.
Металлические фермы схожи со стальными, однако они более выгодны с точки зрения расхода материалов. Их эффективность сопоставима, но металлические фермы обеспечивают более высокую несущую способность и надежность, так как готовая ферма надежно справляется с растяжением и сжатием.
Следует отметить, что в отличие от деревянных аналогов, металлические балки не подвержены гниению, плесени и разрушению от вредителей, таких как насекомые. Они значительно более устойчивы к нагрузкам, связанным с весом снега. Дополнительно монтаж металлических балок занимает меньше времени по сравнению с установкой деревянных.
Виды ферм для различных задач
Вы будете приятно удивлены, насколько разнообразны металлические фермы:
Давайте подробнее рассмотрим наиболее распространенные формы металлических ферм, которые производятся на российских заводах:
- Параллельные – это простейшие и самые экономичные конструкции, для которых используются детали одинаковой формы.
- Классические арочные фермы, которые имеют верхний и нижний пояс в виде дуги, соединенные между собой усилительными ребрами. Разные разновидности арок различаются по радиусу, который определяется такими факторами, как размер стропильной системы, желаемый дизайн крыши и сложность ее конструкции.
- Треугольные односкатные фермы, которые часто используются для создания крыш с крутыми скатами.
- Треугольные двускатные фермы больше подходят для крыш с более пологими скатами, но они могут быть источником значительных отходов в процессе производства.
- Полигональные фермы, которые отлично работают при тяжелом настиле, но отличаются сложным монтажом.
- Трапецеидальные фермы, схожие с полигональными, но более простые в конструкции, что облегчает их установку.
- Сегментные фермы, которые обычно используются для зданий со светопрозрачной кровлей и требуют высокой точности изготовления из-за необходимости распределять нагрузки равномерно.
Среди менее распространенных, но всё же известных типов металлических ферм можно выделить:
Что такое ферма
Крыша является важнейшим элементом здания; для создания надежного каркаса строители устанавливают деревянные балки в основании крыши. Эти балки обеспечивают устойчивость конструкции даже в условиях значительных снеговых нагрузок и обильных осадков, а также поддерживают верхний кровельный материал.
Под фермами крыши понимаются жесткие конструкции, образующие каркас для скатной крыши. Если крыша выполняется в прямой форме, фермы не используются. После установки крыши нагрузки равномерно распределяются по фермам, что предотвращает слабину основания крыши под воздействием ветра и других значительных нагрузок.
Ранее для строительства мостов применяли деревянные фермы. Однако такая конструкция оказалась ненадежной под воздействием осадков и благодаря уязвимости древесины к насекомым, поэтому более устойчивые и долговечные строительные материалы стали основой для крыш.
Деревянные крыши чаще всего покрываются кровельным железом, листовым металлом или металлочерепицей, что способствует меньшему разрушению под воздействием природных факторов.
Виды и материалы изготовления
В зависимости от назначения стропила подразделяются на несколько различных типов.
- Деревянная стропильная ферма-каркас, собранная на месте и затем поднятая и закрепленная на готовом здании. Древесина – легкий материал, что упрощает транспортировку, однако сборка каркаса прямо на крыше может быть небезопасной и трудоемкой, поэтому такой тип конструкции позволяет значительно сэкономить время и трудозатраты.
- Ферма-перекрытие – такая форма стропил используется для перекрытия пространства между лестничными пролетами и обеспечивает надежное соединение.
Деревянные рамы также можно классифицировать на четыре вида в зависимости от их форм.
- С параллельным поясом – укрепляют межэтажное пространство и обеспечивают структурную жесткость.
- Треугольные фермы – предназначены для строительства крыш, при этом для перекрытия одной площади требуется 2-3 стропильные фермы, соединенные деревянными брусьями.
- Прямоугольные фермы – еще один вид, используемый для укрепления кровли, однако они не подходят для крыш с большим углом наклона.
- Для крыш нестандартной формы могут применяться фермы трубець или с искривлением верхнего пояса.
Фермы могут быть изготовлены из различных материалов, включая:
- Стальное основание с деревянным каркасом – эта конструкция сможет выдерживать более высокие нагрузки по сравнению с полностью деревянными фермами. Давление будет распределяться по железному основанию, что уменьшает нагрузку на деревянный каркас;
- Для небольших строений, таких как сарай или погреб, можно использовать фермы, изготовленные из фанерных труб, что облегчает как транспортировку, так и монтаж. Однако по качеству и надежности они уступают деревянным и металлическим фермам;
- Сочетание стеклопластика и дерева — такой материал редко используется для строительства, в основном по индивидуальному заказу. Конструкция отличается легкостью и прочностью, что позволяет легко поднять ее на здание или собрать непосредственно на месте;
- Клееный брус и доски — являются основными материалами, из которых создаются каркасы для крыш. Несмотря на то, что конструкции получаются массивными, на практике такие фермы применяются чаще всего.
Изготовление и сборка ферм
Положение и форма каркаса крыши зависят от проекта самого здания. Даже если строительство ведется по единой схеме, необходимо учитывать определенные аспекты:
- Угол наклона крыши;
- Способы соединения различных конструкций;
- Материал, которым будет покрыта крыша;
- Наличие потолочного перекрытия между этажами и чердаком.
В случае, если крыша должна быть плоской и покрываться легким материалом, целесообразно заказывать и устанавливать прямоугольные или трапециевидные фермы заводского производства.
Сплошные треугольные фермы, особенно установленные на круто скатной крыше, могут выдерживать серьезные нагрузки от тяжелых кровельных материалов.
Форма в виде треугольников обычно применяется для жилых зданий, в то время как другие формы могут быть использованы для технических и вспомогательных помещений.
Длина основания крыши влияет на направление укладки балок. Чтобы определить необходимую форму, нужно учесть наличие или отсутствие дополнительных опор, например, внутренних стен. Если опорные конструкции отсутствуют и длина составляет менее шести метров, достаточно будет простой фермы, прикрепленной к внешней стене.
Для пролетов длиной более шести метров потребуется ферма, прикрепленная к центральной балке. Кроме того, для крепления балок необходимо установить дополнительные опоры и стержни. Это обеспечит надежное перекрытие в основании чердака, по которому можно передвигаться, не опасаясь, что конструкция не выдержит веса человека.
Рамы в фермах используются для создания жестких стен. Они соединяются с потолочными балками или досками. Без данной конструкции каркас балок может провиснуть в месте соединения с карнизом.
Балки располагаются на установленной плите, а не на стенах, что обеспечивает равномерное распределение нагрузки и предотвращает их перегрузку.
Крыша под фермой носит название мауэрлат; при установке крыш на деревянных стенах этот материал не используется, так как он не выдерживает нагрузки. В случае кирпичной стены важно применение стропильной фермы для равномерного распределения веса по несущей конструкции.
При необходимости использования более прочного материала применяются металлические балки, которые смогут выдерживать значительную нагрузку от кровельного покрытия.
Конструкции ферм состоят из узлов, которые являются наиболее уязвимыми местами всей конструкции. При сборке в узлах не должно быть зазоров, так как их наличие может снизить жесткость и прочность всей фермы. Узлы включают в себя:
Разновидности металлических ферм
Проектирование начинается с выбора контура и конструктивной схемы будущего изделия. Характеристики ферм выбираются в зависимости от их предполагаемого применения и архитектурного проекта здания. Необходимо проанализировать все имеющиеся варианты.
Ограждающие конструкции зданий, мосты, транспортные тоннели и многие другие строения используют разъемные балочные системы. Они отличаются простотой конструкции и монтажа, отсутствием сложных компонентов и хорошей металлоемкостью. При необходимости пролетов в 40 м такие негабаритные поперечные балки обычно собираются прямо на строительной площадке.
Если требуется более двух пролетов, необходимо устанавливать сплошные балки. Этот тип конструкций требует существенно меньшего количества стали при производстве, но при этом обеспечивает более высокую жесткость. Это означает, что высота такой стальной фермы может быть снижена, что также облегчает монтаж. Однако этот метод не рекомендуется для слабых полов, так как расположение опор может создавать дополнительные нагрузки. Также отсутствие уклона затрудняет монтажные работы.
Ферменные каркасы несомненно экономичнее в расходе металла, имеют компактные размеры, но требуют довольно сложной сборки. Использование таких изделий наиболее целесообразно в зданиях с крупными проемами.
Арочные системы также позволяют сократить расход стали, но одновременно увеличивают объем помещения и прилегающей к нему территории. Соответствующие балки выбираются исходя из требований архитектуры.
Консольные балки используют в качестве опор навесов, башен и линий электропередачи.
Важно, чтобы контур конструкции соответствовал ее конструкции и типу нагружающих факторов, от которых зависит профиль изгибающего момента. При выборе крыши необходимо оценить материал кровли и уклон крыши для обеспечения необходимого стока воды. Также стоит учесть тип соединения с колоннами: жесткое или шарнирное, а также другие важные технические характеристики.
Экономическая эффективность стальных балок зависит от их качества. Минимальное количество стали, необходимое для изготовления фермы, отображается на диаграмме моментов. Например, сегментная балка с параболической хордой является одним из лучших вариантов для однопролетной системы с равномерно распределенной нагрузкой. Однако изготовление изогнутых хорд требует значительных временных затрат, поэтому такие балки редко применяются в практике.
Более распространенными являются многоугольные фермы. В компактных системах с большими пролетами дополнительные проблемы проектирования, связанные с прерыванием балок в узлах, менее выражены. Важно отметить, что условия транспортировки требуют соединения нити в таких конструкциях в каждом узле.
Использование полигональных контуров для легких стальных балок не считается рациональным, так как работа с чрезмерно сложными узлами несопоставима с уменьшением стоимости стали.
Трапециевидные балки, хоть и не совсем точно соответствуют диаграммам моментов, имеют статические преимущества благодаря упрощению узлов. Размещение этих конструкций на крыше создает жесткий каркас, который увеличивает прочность здания.
Типы сечений стержней металлических ферм
С точки зрения экономии стали, трубчатый профиль считается наиболее предпочтительным. Труба обладает хорошей аэродинамической формой, что ведет к меньшему давлению ветра, что особенно важно для высоких конструкций, таких как башни, мачты и краны. Также фермы из металлических труб меньше подвержены образованию инея и влаги, следовательно, они имеют меньшую предрасположенность к коррозии. Их проще чистить и красить, что значительно увеличивает срок службы конструкций. Для защиты от коррозии внутренние поверхности труб необходимо герметизировать.
На схеме показаны: a, b – трубные профили; f, d, e, g, k и l – профили на основе прокатных уголков; h – двутавровые балки; i – тавровые балки.
К сожалению, недостатками данного подхода, которые мешают широкому использованию подобных систем, являются высокая стоимость труб и некоторые конструктивные сложности при соединении элементов.
Прямоугольные профили с загнутыми концами также имеют преимущества, схожие с трубчатыми, и используются чаще, благодаря простоте соединений. Как и следовало ожидать, проектирование балок с криволинейным сечением и безпазовыми соединениями должно быть выполнено с предельной точностью. Из-за технологических трудностей толщина изогнутых сечений не может превышать 10-12 мм, что ограничивает область их применения. Пластические деформации в местах изгиба могут негативно сказаться на прочности конструкции.
Нередко также используют более рациональное решение, согласно которому отдельные элементы балки состоят из различных типов профилей. Для балок могут применяться двутавровые балки, параллельные гнутые профили, тавровые балки, решетки из парных или одиночных уголков.
Для пространственных ферм, например, в башнях, мачтах или стрелах кранов, обычно используется общая хорда для двух ферм. Важно, чтобы его сечение не мешало нормальному соединению элементов на разных уровнях, в этом случае чаще всего применяется трубчатое сечение.
Для четырехгранных ферм с небольшими силами простейшим сечением является один угол или два угла с общим сечением. При возникновении значительных усилий в конструкции используются двутавровые балки. Важно, чтобы сжатые элементы стальных ферм сохраняли одинаковую устойчивость в вертикальных направлениях.
Конкретный выбор сечения элементов зависит от условий эксплуатации. Учитываются типы и расположение нагрузок, агрессивность окружающей среды и множество других факторов. Кроме того, важно учитывать возможность постройки стропильной фермы крыши из определенных элементов, доступность ассортимента и экономическую целесообразность инвестиций.
Преимущества и недостатки различных металлов для строительства металлических ферм
Для изготовления стальных балок из трубчатых профилей применяются углеродистые стали различного класса и качества, а также конструкционные и легированные стали. Также могут использоваться трубы с защитным цинковым покрытием. Алюминий обычно применяется для строительства легких временных конструкций.
Углеродистая сталь классов St3sp, St3ps, иногда оцинкованная, применяется для строительства небольших зданий с балками в частном секторе. Этот материал обладает достаточной прочностью для обеспечения надежности конструкции. Однако сталь не отличается высокой стойкостью к ржавчине.
Изделия из конструкционных и легированных сталей также со временем подвержены коррозии под воздействием осадков. Небольшое количество легирующих элементов не предоставляет надежной защиты металлическим опорам. Обычно используются низколегированные стали, такие как 30ХГСА, 30ХГСН, 38ХА, содержащие от 2 до 4% легирующих элементов, что незначительно влияет на их коррозионную стойкость.
Из-за своей долговечности конструкционные и легированные стали служат гораздо дольше углеродистых и лучше выдерживают циклические нагрузки. Однако это свойство становится ощутимым только после термической обработки металла. При этом закалка может негативно повлиять на форму трубы, поэтому готовые изделия часто не подвергают термической обработке. Иногда трубы отжигаются без сварки, что позволяет снят остаточные напряжения в металле, что делает его более «мягким» и податливым на дальнейшую обработку.
Конструкционные стали, такие как 20А, 45, 40 и 30А, считаются сталями более высокого класса, что сказывается на их цене. Легированные стали стоят еще дороже, и в конечном итоге поставщик может предложить меньше стальных труб, чем вам требуется. Поэтому, если вы планируете строить сооружения шириной до 20 м, лучше уклониться от использования трубных секций из указанных выше видов стали. Оцинкованные профили стоит заказывать только в случае, если строительство осуществляется с использованием тележечной системы.
Основные преимущества фермы
В сравнении с обычными балками из цельного металла, фермы обладают следующими ключевыми преимуществами:
- Большая длина при минимальном весе;
- Долговечность при постоянной нагрузке;
- Отсутствие прогибов;
- Высокая стойкость к внешним воздействиям;
- Способность выдерживать динамические и статические нагрузки;
- Возможность изготовления конструкций непосредственно на строительной площадке.
Тем не менее, стоит отметить, что большая стропильная ферма требует использование тяжелых элементов, которые необходимо поднимать на определенную высоту с помощью специальной техники. Эти системы не устойчивы к высоким температурам, что может привести к провисанию и обрушению крыши в случае пожара. Строительство таких конструкций может оказаться затратным, несмотря на все их явные преимущества.
Как выбрать и установить
Для того чтобы металлические фермы были прочными и надежными, рекомендуется следовать определенным рекомендациям. Прямоугольные и квадратные системы, как правило, обладают более надежным армированием. Оптимальным материалом считается высокоуглеродистая легированная сталь, поскольку она более устойчив к агрессивной среде.
При правильном выборе металлических изделий гарантируется достаточная несущая способность всей конструкции. Рекомендуется соединять отдельные компоненты с помощью специальных подвесов и парных уголков. Для верхнего пояса можно использовать двутавровые балки, которые соединяются по короткой стороне, а для соединений частей лучше использовать углы с равными сторонами. Продольные конструкции обычно усиливаются перекрывающимися пластинами.
Важным является также соблюдение угла 45º между элементами колонн и 90º для стоек. Сначала собирается каркас и затем свариваются остальные части. Не менее важно проверять прочность сварных швов.
Кроме того, обязательно соблюдать алгоритм установки, который включает разметку участка, установку вертикальных опор и сборку деталей. В некоторых случаях трубы могут быть усиливающими и забетонированными в месте заливки фундамента. Для проверки опор используется отвес, в то время как струна применяется для сверки параллельности.
Рекомендуется фиксировать опоры с помощью сварки. Измерители и отдельные элементы выравниваются на земле, а затем встраиваются с помощью стоек и распорок. После этого балки поднимаются на нужную высоту и соединяются с опорами и трубами. Далее требуется очистка балки и подготовка ее к покраске и покрытию.
Металлические фермы представляют собой жесткие и надежные конструкции, но в основном реже используются при строительстве загородных домов и коттеджей. Чаще всего такие фермы находят применение в промышленных объектах, где крыша оборудована большими проемами. Процесс строительства данной системы не сложен, при условии, что конструкция заранее спланирована и неверно выполнена, а также обеспечены правильная сборка и установка. Если же доверить эту работу профессионалам, вы сможете наслаждаться качественным строительством на протяжении многих лет.
Монтажные работы
Изготовление стальных элементов требует точного выполнения всех мероприятий поэтапно. Сначала проводятся работы по устройству фундамента под стены. Далее, балки транспортируются на строительный объект. Затем выполняется сборка, сварка, зачистка и покраска, которые осуществляются на земле. После завершения всех работ готовые конструкции поднимаются с помощью крана на место установки. Все последующие работы выполняются в соответствии с предварительным планом.
Структурные особенности
Для корректного распределения нагрузки необходима рамная конструкция. Нагрузка не должна быть сосредоточена в одной точке, а равномерно распределена по всей ферме. В зависимости от структуры балки можно выделить несколько вариантов:
- Сегментно-прямоугольные.
- Трапециевидные двускатные.
- Сегменто-безраскосые.
- Арочно-бескаркасные.
При выборе носителя для использования необходимо подробно проанализировать каждый тип и сравнить их характеристики и особенности. Выбор также зависит от вашего проекта: будет ли это строительство зданий, промышленных объектов или других сооружений.
Существуют плоские и объемные балки, которые различаются своим принципиальным устройством, поэтому их характеристики следует рассмотреть отдельно. Плоские конструкции имеют лишь размеры ширины и длины, в то время как объемные — изготавливаются в трех измерениях. Несущая способность конструкции определяется на основе размеров исходных деталей и проектных чертежей.
Для проектирования объемных конструкций необходимы следующие компоненты и узлы изделия:
- Нижний пояс. Это элемент основания, представляющий собой балку, расположенную в горизонтальной плоскости. Ее устанавливают на стенах для последующего крепления остальных элементов, таких как жесткие диагональные и вертикальные элементы;
- Верхний пояс. Так же, как и нижний пояс, служит основой для связей. В случае прямоугольной формы конструкции верхняя балка устанавливается параллельно основанию, для трапециевидных конструкций верхний пояс делится на участки в соответствии с заданной формой. Для арочных и сегментных конструкций создается арка с вовлеченным изгибом;
- Раскосы и стойки. Эти элементы усиливают жесткость конструкции, при этом вертикальные ребра исполняют роль стенок, а диагональные элементы конструкции выполняют функцию раскосов;
- Узлы. Это точки соединения стоек и раскосов с верхним или нижним поясом. Проектирование должно предусматривать оптимальное распределение нагрузки конструкции по узловым точкам.
Как проходит процесс производства
Черные конструкции характеризуются повышенной безопасностью, что напрямую связано с прочностью и целостностью здания. В их строительстве применяются прямые и принтованные уголки, круглые трубы, швеллеры и холоднокатаные сварные балки.
Изготовление фермы может включать как сваривание, так и болтовое соединение. Рассмотрим их подробнее:
- Соединение заклепками или болтами. В данном случае в конструкции сначала делаются отверстия с помощью плазменной резки. Используемые крепежные элементы должны обладать высоким уровнем прочности. Это метизы, гайки, шайбы и граверы. Благодаря болтовому соединению осуществляется быстрая установка ферм на строительном объекте. При необходимости возможно осуществить быстрый демонтаж;
- Соединение стальных элементов на молекулярном уровне. При этом используется метод сварки. На сегодняшний день существует множество технологий, включая контактную, электрическую, дуговую. Наиболее эффективной считается сварка под флюсом для ферм. Эта технология позволяет минимизировать трудозатраты и автоматизировать процесс. Сварочные машины способны выполнять внутренние и внешние швы, а также проверять их качество посредством лазерных и ультразвуковых устройств. Для основы фермы могут использоваться низколегированные, обычные, конструкционные, углеродистые и высокопрочные марки стали. Если необходимо, оцинкованные материалы также могут быть использованы для защиты от коррозии.
Приложения
Несущие фермы – это стальные рамы больших размеров и объемов. Изначально такие конструкции применялись для строительства зданий с крупными проемами, например, лабораторий, химических и металлургических заводов, навесов, складов, павильонов и комплексов. Заводы контролируются на предмет качества и безопасности, поэтому при использовании таких конструкций можно быть уверенными в их надежности. На данный момент кровельные фермы также активно применяются для строительства одно- и двускатных крыш и других форм. Поэтому этому типу конструкций уделяется все больше внимания со стороны профессиональных строительных ассоциаций.
Применение ферм не ограничивается указанным диапазоном. Они активно используются при строительстве мостов, гидротехнических сооружений и многих других конструкций. В ходе строительства кранов такое решение является сегодня стандартом.
