Металлические фермы: полное руководство по конструкции, видам и применению
Металлические фермы представляют собой одни из наиболее важных и универсальных конструкций в современном строительстве. Эти инженерные решения обеспечивают прочность, надежность и экономичность при перекрытии больших пролетов без промежуточных опор
Что такое металлическая ферма
Металлическая ферма — это стержневая конструкция, состоящая из системы элементов, соединенных в геометрически неизменяемую структуру. Она не меняет свою форму при замене жесткого соединения шарнирными узлами и по прочности не уступает швеллерам и двутаврам, но значительно превосходит их по экономичности использования металла
Основные элементы конструкции
Металлическая ферма состоит из двух основных компонентов:
Пояс фермы — совокупность металлических элементов, образующих контур конструкции
Решетка фермы — система раскосов и стоек, привариваемых к поясам
Детальное описание элементов
Верхний пояс представляет собой балку, расположенную горизонтально или под небольшим наклоном, к которой крепится верх раскосов и стоек. Балка может быть прямой, радиусной или многоугольной. При эксплуатации верхний пояс работает преимущественно на сжатие.
Нижний пояс — массивная балка, служащая опорой и местом крепления нижней части других элементов. Располагается горизонтально и при эксплуатации работает на растяжение.
Стойки — вертикально расположенные детали, объединяющие верхний и нижний пояс в единую конструкцию. Они принимают нагрузку и передают ее на нижележащие элементы.
Раскосы — диагональные элементы, повышающие жесткость конструкции. Крепятся под углом к обеим балкам фермы и обеспечивают сопротивление сдвигу.
Узлы — места соединения вертикальных деталей с поясами стальной фермы.
Классификация металлических ферм
По статической схеме
Балочные фермы — простые в производстве и монтаже конструкции, используемые для транспортных галерей, мостов и перекрытий.
Арочные фермы — применяются для закрытия определенных архитектурных решений, позволяют сэкономить на стали, но требуют большого объема в помещении.
Рамные фермы — идеальны для зданий с большими пролетами, экономичны по расходу металла, но сложны в монтаже.
Комбинированные фермы — сочетают различные статические схемы
По очертанию поясов
Параллельные фермы — самые простые в изготовлении, так как используют одинаковые по длине элементы с одинаковой схемой расположения узлов и минимумом стыков.
Треугольные фермы — простые в монтаже конструкции, необходимые для кровли с крутым уклоном. Могут иметь один или два ската.
Трапециевидные фермы имеют прямые пояса с уклоном верхней балки. При использовании с колоннами образуют прочную жесткую конструкцию без средних длинных стоек.
Арочные фермы при небольшом расходе стали имеют красивый внешний вид и увеличивают покрываемую площадь.
Полигональные фермы применяются на крупных объектах с большими пролетами, отличаются минимальным расходом стали, но имеют сложные узлы.
По типу решетки
Треугольная решетка — наиболее жесткая система.
Крестовая решетка — обеспечивает высокую устойчивость.
Раскосая решетка — простая и надежная конструкция.
Ромбическая решетка — эффективна для определенных типов нагрузок.
Материалы для изготовления
Для производства металлических ферм используются различные виды металлопроката:
Профильные трубы — горячекатаные или гнутые, особенно популярны благодаря легкости и возможности сборки на стройплощадке
Двутавровые балки — для поясов ферм, работающих под высокими нагрузками
Уголки — традиционный материал для стоек и раскосов
Швеллеры — применяются в специальных конструкциях
Тавры — для определенных типов соединений
Способы соединения элементов
Сварные соединения
Сварка является наиболее распространенным способом изготовления стальных конструкций, обеспечивая неразъемное соединение с высокой прочностью. При проектировании сварных швов узлов ферм необходимо обеспечивать минимальное расстояние между соседними швами не менее пяти толщин соединяемых элементов.
Болтовые соединения
Болтовые соединения выполняются болтами нормальной и повышенной точности, а также высокопрочными болтами. Высокопрочные болты позволяют увеличить несущую способность соединения и сократить количество крепежных элементов.
Заклепочные соединения
Более надежный вид соединения по сравнению с болтовым, используется на ответственных узлах.
Расчет нагрузок на металлические фермы
Постоянные нагрузки
Включают собственный вес элементов кровли, металлических конструкций стропильной фермы, связей по покрытию и вес кровельного материала. Собственный вес стропильной фермы со связями можно получить по эмпирической формуле: g_ф = 1,2×k_ф×l, где k_ф = 7 — коэффициент веса фермы при соответствующем пролете.
Снеговые нагрузки
Снеговая нагрузка зависит от района строительства и определяется согласно соответствующим нормативным документам. Расчетное значение снеговой нагрузки определяется по формуле: s = s_0×μ, где s_0 — нормативное значение веса снегового покрова, μ — коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие.
Ветровые нагрузки
Ветровая нагрузка на сооружения представляет собой давление ветра на конструкцию на протяжении длительного времени. Расчетное значение средней составляющей ветровой нагрузки определяется по формуле W = W_0×k, где W_0 — нормативное значение ветрового давления.
Общая расчетная нагрузка на ферму определяется как сумма всех воздействующих нагрузок: Общая расчетная нагрузка = (Снеговая + Ветровая + Вес кровли) × Площадь покрытия.
Области применения металлических ферм
Промышленное строительство
Металлические фермы широко используются в промышленном строительстве для возведения заводов, цехов, ангаров. Они позволяют создавать каркасы зданий с большими пролетами и обеспечивают быстрый монтаж.
Гражданское строительство
В гражданском строительстве фермы применяются при возведении торговых центров, спортивных комплексов, бассейнов, кинотеатров. Используются в кровельных и межэтажных перекрытиях.
Сельскохозяйственные объекты
Особенно востребованы фермы с арочной формой и легким весом для строительства коровников, зернохранилищ, теплиц.
Инфраструктурные объекты
Для мостов, эстакад, путепроводов используются тяжелые неразрезные и рамные фермы, способные выдерживать динамические нагрузки.
Проектирование и расчет
Проектирование металлической фермы начинается с определения исходных данных: размеры конструкции, длина ферм, расстояние между опорами, высота ферм и опор. Необходимо учитывать климатические особенности региона, геологические условия и массу покрытия.
Современное проектирование использует специализированные программные комплексы, основанные на методе конечных элементов, такие как SCAD Office. Задача конструктора сводится к построению конструктивной схемы фермы, сбору и приложению нагрузок, определению типов соединений элементов.
Преимущества металлических ферм
Металлические фермы обладают рядом неоспоримых преимуществ:
Высокая прочность при сравнительно небольшой массе
Экономичность — меньший расход металла по сравнению со сплошными балками
Универсальность применения в различных типах сооружений
Возможность перекрытия больших пролетов без промежуточных опор
Быстрота монтажа и транспортировки
Долговечность при правильном уходе и эксплуатации
Устойчивость к различным климатическим воздействиям
Металлические фермы представляют собой оптимальное решение для современного строительства, сочетающее в себе техническую эффективность, экономическую целесообразность и архитектурную выразительность. Правильное проектирование, качественное изготовление и профессиональный монтаж обеспечивают долговечность и надежность этих конструкций на десятилетия эксплуатации.