Фермы из профильной трубы: рассчитываем и изготавливаем своими руками. Как сварить фермы из профильной трубы Стропильная ферма 12 метров из профильной трубы

Главная / Беседки для дачи

Когда площадь сооружения достаточно большая, вопрос обеспечения надежности и прочности конструкции приобретает особую важность. Появляется необходимость в усилении стропильной системы, стропила которой могли бы перекрыть довольно длинные пролеты.
Фермы из профильной трубы представляют собой металлоконструкции, собранные при помощи решетчатых стержней. Изготовление металлических ферм – процесс более трудоемкий, чем в случае сплошных балок, но более экономичный. В производстве используют парный материал, а в качестве соединяющей детали – косынки. Всю конструкцию собирают, используя сварку или клепки.

С их помощью можно перекрывать пролеты любой длины, однако, стоит отметить, что для правильного монтажа необходим грамотный расчет. Тогда при условии качественного выполнения сварочных работ остается только в дальнейшем перенести трубные сборки наверх и смонтировать по верхней обвязке, согласно разметке.

Несущие фермы из профильной трубы имеют немало неоспоримых преимуществ:

минимальный вес;
они долговечны;
выносливы;
узлы очень крепкие, поэтому способны противостоять высоким нагрузкам;
с их помощью можно возводить конструкции со сложной геометрией;
позволяют сэкономить финансовые средства, поскольку расценки на изготовление металлоконструкций из профильной трубы достаточно приемлемы для решения широкого круга задач.

Конструкции ферм из профильной трубы

В основе деления этих конструкций на конкретные виды лежат разные параметры. Начнем с главного –

Количества поясов.

Различают:

опоры, компоненты которой расположены в единой плоскости;
висячие, в их состав входят два пояса, по расположению их называют соответственно нижним, верхним.

Форма и контуры

По первому параметру различают:

арочные фермы из профильной трубы,
бывают и прямыми;
односкатные либо двухскатные.

В соответствии с контуром различают:

имеющие параллельный пояс. Это оптимальный вариант для обустройства мягкой кровли. Такая опора собирается очень просто, поскольку ее компонентами являются идентичные детали и, что немаловажно, размеры решетки совпадают с размерами стержней для пояса;

односкатные. Отличаются жесткими узлами, которые позволяют воспринять значительные внешние нагрузки. На их сооружение уходит небольшое количество материала, поэтому эти конструкции достаточно экономичны;
полигональные. Хотя они в состоянии выдерживать большой вес, однако, их монтаж трудоемок и довольно сложен;
треугольные. Они практически незаменимы при устройстве крыш с большим углом наклона. Единственный их минус в большом количестве отходов при сооружении.

Угол наклона. Типовые фермы из профильной трубы делят на три группы:

22°- 30°. Высота и длина металлоконструкции в этом случае соотносятся, как один к пяти. Это оптимальный вариант для перекрытия небольших пролетов в бытовом строительстве. Главным их преимуществом является небольшой вес. Больше всего для подобного аналога подходят треугольные.

Для пролетов, имеющих длину более 14 м используют раскосы, которые устанавливаются сверху вниз. По верхнему поясу располагают панель (порядка 150 – 250 см в длину). Таким образом, при этих исходных данных мы имеем конструкцию, включающую два пояса. Количество панелей при этом четное.

Если пролет превышает 20 м, то возникает необходимость в подстропильной металлоконструкции, связанной опорными колоннами.

Отдельного упоминания стоит так называемая ферма Полонсо. В ее составе имеются две треугольные системы, соединенные одна с другой через затяжку. Такое конструктивное решение позволяет избежать установки в средних панелях длинных раскосов, что приводит к значительному снижению общего веса.

15°- 22°. Соотношение высоты и длины в этом случае равно один к семи. Наибольшая допустимая длина под подобный каркас составляет 20 м. Если по условиям эксплуатации необходимо увеличить ее высоту, то нижний пояс выполняют ломаным.
меньше 15°. В подобный проектах рекомендуется использовать трапециевидные металлические стропила. Наличие в них коротких стоек способствует увеличению противодействия продольному изгибу.

Внимание!

Фермы из профильной трубы для односкатной крыши с углом наклона 6–10° должны иметь асимметричную форму.

Высоты определяют через деление длины пролета на семь, восемь либо девять частей, взяв за основу особенности заданной конструкции.

Расчет для навеса

Проведение расчетов основывается на требованиях СниП:

Обязательным компонентом любого расчета и последующего монтажа конструкции является чертеж.

Подготавливается схема с указанием зависимости между длиной металлоконструкции и уклоном кровли.

В ней также учитываются очертания поясов опоры. Контур пояса определяется назначением конструкции, типом покрытия кровли и углом наклона.
При выборе размеров, как правило, следуют принципу экономии, если, конечно, ТТ не требуют иного. Высоту конструкции определяет тип перекрытия, минимальный общий вес, возможность перемещения, длину же – установленный уклон.

Размеры панелей рассчитывают с учетом нагрузок, воспринимаемых конструкцией. При этом следует помнить, что углы раскосов у разных металлических стропил отличаются, панель же должна им соответствовать. Для треугольной решетки искомый угол равен 45°, для раскосой – 35°.
Завершает расчет определение промежутка между узлами. Обычно он соответствует ширине панели.

Расчеты выполняют с учетом того, что увеличение высоты приводит к росту несущей способности. На подобном навесе снежный покров не будет задерживаться. Одним из способов усиления ферм из профильной трубы является установка нескольких прочных ребер жесткости.

Для определения размеров металлоконструкции для навесов следуют следующим данным:

для сооружений шириной не более 4,5 м используют изделия размером 40 на 20 на 2 мм;
менее 5,5 м – 40 на 40 на 2 мм;
свыше 5,5 м оптимальными будут изделия размером 40 на 40 на 3 мм либо 60 на 30 на 2 мм.

При расчете шага необходимо учесть, наибольшее возможное расстояние от одной опоры навеса до другой равно 1,7 м. При нарушении этого ограничения прочность и надежность сооружения будет под вопросом.

Когда будут полностью получены необходимые параметры, при помощи формул и особых программ получают соответствующую схему конструкции. Теперь остается продумать, как сварить ферму правильно.

На заметку

При расчетах должны учитываться:

закупочная стоимость одной тонны металла;
расценки на изготовление металлоконструкций из профильной трубы (либо можно просуммировать взятые в отдельности расходы на сварку, антикоррозийную обработку, монтаж).

Разнообразие металлических ферм из трубы

Как правило, для изготовления ферм из профильной трубы применяют металлический профиль. Его форма бывает овальной, круглой, квадратной, но чаще всего используется прямоугольная профильная труба.

По строению конструкции из профильной трубы делятся на два типа: структурные элементы каркаса могут фиксироваться в одной плоскости; ферма может быть сложена из нижнего и верхнего поясов.

Кроме того, классификация ферм из прямоугольных труб основывается на таких факторах, как уровень нагрузки на профиль, угол наклона элементов, общий уклон конструкции, длина отдельных пролетов, а также характер расположения перекрытий.

Исходя из этих параметров, все типовые фермы из профильной трубы состоят из таких групп:

Фермы, угол уклона которых достигает порядка 22-30º. Чтобы такая конструкция была устойчивой, ее высота должна равняться 1/5 доли длины изделия или быть несколько меньше. Как правило, эту норму берут за основу при расчете необходимой высоты конструкции, то есть заданную длину изделия просто делят на 5. Предпочтительна такая разновидность фермы, если конструкция должна быть максимально облегченной. Если предполагаемая длина строения будет более 14 метров, то положение раскосов в конструкции фермы из профильной трубы для навеса будет вертикальным. Главное здесь - сделать правильный расчет навеса , учесть все нюансы. На верхнем ярусе фиксируются куски профиля длиной 150-250 см. В результате весь каркас будет состоять из двух поясов, с количеством панелей, кратным двум. Обратите внимание на тот факт, что если ферма имеет очень большую длину – более 20 метров, понадобятся дополнительные опорные столбы, которые будут поддерживать стропильную систему и позволят перераспределить нагрузку по всей конструкции. Нередко для сооружения каркаса для перекрытий пользуются схемой фермы Полонсо. Она представляет собой треугольную конструкцию, соединение в которой имеет форму затяжки. При ее сооружении раскосы получаются не очень длинными, что существенно облегчает массу всей фермы. Благодаря этому качеству, фермы из профильной трубы Полонсо применяют довольно часто.
Уклон кровли на ферме достигает показателей в 15-22º. Данный тип сооружения предпочтителен для строений, длина которых не превышает 20 метров. По высоте такая конструкция не должна превышать 1/7 части длины строения. Если же потребуется увеличить высоту фермы, то ее нижний пояс должен состоять из ломаных сегментов.
Каркасы с общим уклоном не более 15º. Как правило, если речь идет о такой разновидности фермы, то ее изготавливают в форме трапеции. Исходя из назначения постройки, а также угла укладки кровли, высоту конструкции владелец определяет самостоятельно. Отталкиваться следует от показателей между 1/7 и 1/12 частью длины постройки. Каркас под кровлю в форме трапеции изготавливают с применением панелей из металла, длина которых должна быть в пределах 1,5-2,5 метра. Если чертеж фермы из профильной трубы не предусматривает устройство подвесного потолка, то вместо раскосов можно воспользоваться треугольной решеткой.

По форме фермы из стальных профильных труб можно разделить на:

прямые;
арочные;
односкатные и двускатные.

Наиболее востребованным и часто применяемым типом ферм из стального профиля являются арочные. Их конструкция довольно прочна и эффективна, к тому же, такую ферму можно перекрыть листами поликарбоната. Однако чтобы добиться максимально равномерного распределения нагрузки на профиль арочной фермы, следует тщательно провести расчеты. Для сооружения ферм арочного типа могут применяться как одиночные профильные трубы, так и предварительно сваренные вместе.

Чертеж фермы из стального профиля

Составление чертежа и расчет фермы из профильной трубы производится с соблюдением такой методики:

В первую очередь следует заняться расчетами планируемой или фактической длины помещения, например, гаража, ангара, сарая или летнего навеса из профильной трубы . Полученные данные будут учитываться при просчетах высоты фермы из профиля. А вот длина стального каркаса может варьироваться в зависимости от угла наклона крыши.
Следующим шагом определяют, какой формы профиль будет использован. Выбор в значительной степени зависит от функционального назначения ангара, угла уклона крыши, а также типа кровельного материала.
После проведения всех замеров предстоит выяснить, возможно ли будет транспортировать ферму на место монтажа, если ее сборку производить на стройплощадке.
Придется позаботиться и об оснащении механизма для строительного подъема кровли, если по длине объект достигает величин в пределах 12-36 метров.
Далее производятся расчеты параметров панелей, исходя из уровня предполагаемых нагрузок, которым постройка будет подвергаться перманентно или периодически. Для фермы из треугольного профиля наклон будет составлять 45º.
На конечном этапе закладывают шаг между узлами и изготавливают чертеж будущей фермы из профильной трубы, исходя из полученных данных.

Отметим, что для получения максимально правильных расчетов при подготовке чертежей для арочной фермы, лучше воспользоваться инженерным калькулятором. К тому же, в помощь проектировщикам сейчас разработаны специальные компьютерные программы и алгоритмы, так что нет необходимости считать вручную.

Как рассчитать арочную профильную ферму

Для того чтобы разобрать методологию расчета арочной фермы из профильной трубы, приведем пример с конкретными цифрами.

Отдельные участки фермы будут размещены на расстоянии в 105 см, причем максимальная нагрузка приходится на узловые точки. При этом высота арки не будет больше 3 метров. Более того, желательно выполнить арку с высотой в 1,5 м, что сделает ее более прочной, безопасной и достаточно привлекательной внешне. Длина фермы (L) будет равна 6 метрам, а стрела нижнего пояса (f) составляет 1,3 метра. В нижнем ярусе радиус окружности (r) будет равен 4,1 метрам, а угол между радиусами равняется α=105.9776º.

Для расчета длины профиля для нижнего яруса, воспользуемся формулой:

mн=π×Rα/180, где

mн – длина профиля для нижнего яруса;

R – радиус окружности;

π – постоянная величина.

Таким образом, получим следующий расчет:

mн=3,14×4,1×106/180 = 7,58 метров.

При этом в нижнем поясе шаг между угловыми точками составит 55,1 см, а вот для крайних отрезков по обеим сторонам в поясе шаг нужно определить самостоятельно. Можно воспользоваться округленным значением в 55 см, однако, в любом случае нежелательно увеличивать длину шага.

Если ферма из профиля требуется для сооружения небольших размеров, то можно ограничиться количеством пролетов в 8-16 штук. Если взять меньшее число пролетов, то панели по длине будут достигать 95,1 см с шагом между поясами в пределах 87-90 см. При наибольшем же числе отрезков шаг будет равен 40-45 см.

Нормативы расчета профиля для фермы

Для правильного выбора профиля, особенно, если он будет использоваться в крупных конструкциях, следует отталкиваться от показателей СНиП:

07-85 – сведения о характере зависимости между весом конструкционных элементов сооружения и воздействием снежных нагрузок;
П-23-81 – последовательность проведения работ со стальными профильными трубами.

Для наглядности, рассмотрим реальный пример расчетов для односкатной фермы из профильной трубы. Строиться будет навес с размерами 4,7×9 метров. В передней части он должен опираться на опорные столбы, а задняя часть будет закреплена на жилом доме. Расположена постройка будет в Краснодарском крае, где уровень снеговой нагрузки в зимнее время составляет 84 кг/м 2 . Общий уклон конструкции составит всего 8 градусов.

Каждая из стоек будет иметь высоту в 2,2 метра, и весить порядка 150 кг. При этом нагрузка на них будет достигать 1100 кг. В таком случае неприемлемы ни круглые, ни овальные профильные трубы. Воспользоваться нужно квадратными 45 мм профилированными изделиями с толщиной стенки в 4 мм.

Как вариант, конструкцию фермы можно слегка видоизменить, добавив к ней 2 параллельно идущих пояса с косой решеткой между ними, в таком случае можно обойтись профилями со стенкой 3 мм и сечением 25 мм. Высота фермы в 40 см предполагает использование профилированных труб сечением 35 мм и стенками в 4 мм.

Соотношение сечения профиля и толщины стенок в зависимости от нагрузки можно найти в ГОСТ 30245.

Чтобы профили в арочной ферме были защищены от воздействия окружающей среды и были надежны, они должны быть изготовлены из качественного материала, предпочтительно, из легированной стали с достаточным включением углерода.

При разработке проекта металлической фермы стоит обращать внимание на ряд нюансов:

чтобы облегчить общий вес металлической фермы, можно при строительстве ангара установить вспомогательные решетки – вариант приемлем, если наклон крыши достаточно мал;
ломаная форма нижнего пояса поможет существенно сократить массу конструкции со средним углом уклона;
прочность кровли можно обеспечить, если размещать фермы с шагом не более 175 см.

Сборка и сварка ферм из профилированных металлических труб должна производиться с соблюдением таких норм:

Для прочного соединения всех конструкционных деталей сооружения применяют спаренные уголки и прихватки.
В нижнем поясе для сварки элементов используются равносторонние уголки.
Для верхнего пояса фермы при сварке используют двутавровые уголки. Фиксируются встык они по наименьшим сторонам, имеющим различную длину.
Чтобы нагрузка была равномерно распределена по всей конструкции, используют парные швеллеры и пластины-накладки. Как правило, таким приемом пользуются, когда нужно сделать навес длиннее.
Все сварные швы по завершении работ нужно тщательно перепроверить. После этого можно произвести зачистку.
Если нужно, то в конце производится окрашивание фермы антикоррозийным составом. Если же профиль из легированной стали, то в покраске он не нуждается.

Таким образом, для многочисленных построек хозяйственного или промышленного применения очень часто изготавливают фермы из профилированных труб. Ввиду значительной сложности и трудоемкости процесса расчетов, проектирование и создание чертежа лучше доверить профессионалам.

В современном строительстве всё чаще использует металлические фермы из профильной трубы. Эти конструкции очень часто используются при создании габаритных помещений, на масштабных стройках, они незаменимы при возведении стропильных систем, обладающих высокой степенью надежности, а также при создании конструкций для монтажа пролетов не менее 10м в длину

Преимущества

Итак, рассмотрим базовые преимущества использования металлических профильных труб при создании стропильных ферм:

конструкция обладает высокопрочными характеристиками;
выносливость, повышенные эксплуатационные свойства;
металлический профиль делает систему легче в целом, а также позволяет экономить время и физические ресурсы;
приемлемая стоимость;
деформационная устойчивость (незначительные деформации вследствие механических повреждений и при воздействии иных неблагоприятных факторов);
пригодность для окрашивания с целью получения желаемого эстетического эффекта.

Сфера применения

Прежде всего профильные трубы используются при создании каркасов из металлического профиля, для создания навесов и возведения различных построек. С помощью таких громоздких конструкций можно защитить огромную площадь от солнечного воздействия, снега и дождя. При сооружении мостов фермы из массивной профильной трубы выполняют ключевую роль, а также очень востребованы как надежные перекрытия, которые используются как в стройке производственного масштаба, так и в индивидуальном строительстве.

Широкое применение металлоконструкции обрели в создании таких важных объектов, как автотранспортные дороги, объекты электроснабжения, спортивные сооружения и здания культурного назначения и т.д.

Разновидности профильных труб

Совершенно очевидно, что для разнообразных строительных конструкций необходимо подбирать наиболее подходящие виды профильных труб. Быстро сориентироваться в современном ассортименте труб можно на сайтах компаний, предлагающих металлопрокат, например тут: http://www.rostov.spk.ru/sic/shop/_t_/g=metalloprokat/s=trubnyy-prokat/p=truba_profilnaya/ Они будут отличаться не только формой профиля и размерами, но и требованиями, которые предъявляют к ним те или иные ГОСТы.

Профильные трубы бывают:

квадратные – имеют равные стороны;
прямоугольные – имеют различные соотношения сторон;
овальные – наиболее сложные в изготовлении и потому наиболее дорогие.

Крайне важно грамотно подобрать параметры того вида металлической трубы, которая будет использоваться в конструкции фермы.

К примеру, если сооружение имеет небольшие размеры (не более 4,5 м в ширину), то оптимальные параметры стальной трубы для него составят 4x2см с олщиной профиля - 2-2,5мм.

Если сооружение немного больше (не более 5,5 м в ширину), стоит увеличить сечение трубы 4x4x0,2см.

При строительстве более крупных сооружений (более 5м шириной), понадобится профиль большего сечения -от 4x4x0,3 см или 6x3x0,2 см.

По способу изготовлению труб металлопрокат делится на следующие виды:

электросварные;
электросварные холодной деформации;
горячекатаные;
холоднокатаные.

Разновидности стропильных металлических ферм

По форме конструкции, фермы из металлопрофиля можно разделить на:

прямые;
арочные;
односкатные;
двухскатные;

Особняком среди многочисленных видов стропильных систем стоит ферма из металлического профиля с параллельными поясами. Такие фермы наиболее просты в изготовлении и монтаже, потому что собираются из однотипных деталей. Стыков в такой системе немного, она имеет унифицированные свойства и нередко используется как основа для мягкой кровли.

Чем отличается односкатная ферма? Прежде всего тем, что в ней используются узлы оптимальной жесткости, длинные стержни в центральной части стропильной конструкции отсутствуют, таким образом делая ее наиболее экономичным вариантом.

Для тяжеловесных строений используется усложненный вариант – ферма полигональной конструкции. В данном случае профиль используется очень экономно, при этом сама конструкция отличается прочностью и надежностью.

При возведении металлической фермы треугольной формы, профиль, напротив, расходуется в повышенном объеме. Однако, эта конструкция довольна проста в изготовлении и пригодна для создания кровель с большим уклоном. Опорные узлы такой конструкции обладают повышенной сложностью.

Все перечисленные виды металлических ферм могут успешно сочетаться в одном сооружении, к примеру, в виде висячей конструкции с наличием верхнего и нижнего поясов.

Расчет и проектирование

Одним из самых важных этапов при создании той или иной конструкции является проектирование и расчет. На этом этапе учитываются все детали, которые в дальнейшем позволят конструкции оставаться прочной и выносливой в течение длительного времени. Здесь важно не просчитаться и не допустить ошибку при расчете следующих показателей:

величина нагрузки на конструкцию фермы;
угол уклона конструкции;
расположение перекрытий;
протяженность пролетов.

На основании вышеперечисленных условий проектирования, создается грамотный и жизнеспособный проект конструкции, призванный отвечать всем предъявляемым к нему требованиям. Главным элементом проекта является рабочий чертёж стальной фермы, а также спецификация элементов для неё.

Если в проекте у вас предусмотрена двухскатная кровля, то для нее существует только четыре варианта ферм:

стандартный вариант (треугольник со стропильными распорами);
треугольник, имеющий лобовые врубки;
конструкция из пятиугольных сегментов, повышенная жесткость которой обеспечивается дополнительными ребрами;
многоугольная конструкция для пролетов протяженностью свыше 24 м, предназначенные для повышенных нагрузок.

Таким образом, чтобы правильно рассчитать и спроектировать ту или иную конструкцию, необходимо для начала изобразить ее схематически, с точным указанием величины уклона кровли и протяженности самой конструкции. Эти показатели находятся в четкой взаимосвязи. Уже на этом этапе нужно определиться с контуром поясов фермы, этот параметр также тесно связан с функциональными особенностями металлической фермы.

При определении угла наклона кровли, не забудьте выбрать материал покрытия. Также необходимо учесть высоту и длину конструкции, рассчитать строительный подъем (при длине свыше 36 м); определить оптимальные параметры панелей в соответствии с величиной нагрузки и рассчитать расстояния между узлами.

Основные элементы ферм

Составляющими металлоконструкций из профильных труб являются:

стойки;
раскосы;
пояса (верхний, нижний).

Стойки и раскосы – это неотъемлемые элементы для создания решетки, а пояса отвечают за контуры конструкции.

Узлы соединений элементов конструкции образуются либо путем их примыкания друг к другу или создаются с использованием фасонок.

Конструкция металлической фермы

При создании любой металлической фермы нужно помнить, что центрирование всегда производят с учетом осевого направления от центра тяжести. В таком случае достигается снижение нагрузки на узловые соединения, а также такой подход позволяет стержням работать на основные осевые усилия. Выполнять чертёж ферм из профильных труб несколько проще ввиду того, что их оси инерции расположены строго по центру сечения.

Угол кровельного уклона 22-30°. В данном случае важно правильно рассчитать высоту конструкции. Длина пролета фермы делится на 5. Этот вид конструкции обладает небольшим весом, легкость – ее основное преимущество.

Если на вашей схеме длина пролета составляет более 14м, то оптимальным вариантом металлической фермы будет конструкция, расположение раскосов в которой идет по направлению сверху вниз. При этом в верхней части укладывается панель длиной 1,5-2,5 метра, общее количество панелей обязательно должно быть четным, а конструкция будет двухпоясной.

Нередко в промышленных и складских промзданиях используются стропильные фермы с длиной от 20м. Такие конструкции требуют создания сооружений подстропильного типа, связанных между собой опорными колоннами.

Наиболее распространенными и легко возводимыми являются конструкции, состоящие из нескольких треугольных ферм, соединенных между собой затяжкой. Этот вариант призван облегчать общий вес громоздкой конструкции и избегать образования длинных раскосов в центральной ее части. Потолок подобной фермы фиксируется затяжкой на верхнем узле пояса.

Угол кровельного уклона 15-22°. Высота конструкции здесь рассчитывается иначе. Длина пролета делится на 7, при этом длина фермы не должна превышать 20 м. В противном случае понадобятся затяжки, а нижний пояс выполняется при помощи ломанной формы.

Угол кровельного уклона менее 15°. Это минимальная величина уклона, и наиболее подходящей формой для такого уклона будет трапецевидная ферма. Чтобы рассчитать ее высоту, длину пролета делим на 7-9 (в зависимости от величины уклона).

Если ферма устанавливается в виде раскосов, то вполне возможно использовать треугольную решетку.

Изготовление

Чтобы конструкция в итоге отличалась прочностью, высоким качеством эксплуатационных свойств, важно производить ее изготовление с соблюдением четкой последовательности необходимых действий.

Вот базовые правила, которые необходимо соблюдать для достижения оптимального результата:

Сборка и скрепление элементов фермы производится с помощью прихваток или спаренных уголков;
В создании верхнего пояса участвуют два разносторонних тавровых уголка, стыкующихся между собою наименьшими сторонами;
При создании нижнего пояса используются только равносторонние уголки.
Если ферма очень большая и обладает значительной длиной, то ее элементы соединяются с помощью специальных накладных пластин, а также парных швеллеров для того, чтобы нагрузка на конструкцию распределялась равномерно.
Монтаж раскосов нужно выполнять при соблюдении угла, близкого к 45°, стоек - строго 90°. И те, и другие крепятся с помощью крестообразных равносторонних уголков (или тавровых уголков).
Тавры более всего подходят при изготовлении цельносварных систем.

Только после завершения сборки конструкции с помощью прихваток можно выполнять сварку (ручную или автоматическую), после которой необходимо зачистить все швы. В заключении конструкция полностью подлежит обработке специальным антикоррозийным составом и покраске.

Если при возведении металлической фермы были учтены все вышеописанные правила, то большая вероятность того, что она будет отвечать всем требованиям государственных стандартов и нормам безопасности.

Несущая способность фермы напрямую зависит от ее высоты, и это важно помнить при создании проекта и выполнении чертежей узловых соединений. Трубы из металлопрофиля – наиболее легкий, экономичный и наименее затратный вариант создания конструкций, обладающих высокой прочностью, поэтому именно они стали оптимальным средством для создания стропильных систем больших и малых размеров.

Используя профильные трубы для строительства ферм, можно легко создать конструкцию, которая способна выдержать значительные усилия. Подобные конструкции отличаются легкостью и подходят для постройки зданий, строительства каркасов под дымоходы, монтажа опор под кровли и козырьки. Формы и габаритные размеры ферм зависят от назначения конструкции и ее применения, независимо от того, домашнее это хозяйство или промышленный объект. В этой статье мы расскажем о том, как произвести правильный и точный расчет фермы из металлической профильной трубы. Если этого не сделать, то конструкция вряд ли выдержит необходимые нагрузки.

Варианты конструкций ферм

Металлические конструкции из профильных труб характеризуются проведением масштабных работ, но они гораздо экономичнее и легче ферм, сооруженных из сплошных материалов. Профильные трубы получают из круглых труб по технологии горячей или холодной прокатки. В результате имеются трубы, напоминающие в поперечном разрезе различные геометрические фигуры, такие как прямоугольник, квадрат, многогранник, овал, полуовал и так далее. Для строительства фермы больше подходят квадратные трубы, поскольку они прочнее из-за наличия двух одинаковых ребер прочности.

Ферма – это конструкция из металла, которая характеризуется наличием верхнего и нижнего уровней, которые соединяются в виде решетки. Причем соединения не могут носить произвольный характер, а их количество рассчитывается по определенной формуле.

В конструкцию решетки входят:

стойки, установленные вертикально;
раскосы (подкосы), установленные под углом по отношению к стойкам;
шпренгели (вспомогательные подкосы).

Фермы, в основном, предназначаются для соединения пролетов различного хозяйственного назначения. Благодаря наличию таких элементов как раскосы, они выдерживают значительные нагрузки без деформации даже при перекрытии больших по длине пролетов.

Как правило, фермы изготавливаются на земле или на специальных производственных площадях. Все элементы фермы соединяются между собой с применением сварки или клепки. Чтобы построить навес, козырек, крышу капитального строительного объекта или других построек, готовые, собранные на земле фермы поднимают и монтируют на конструкции соответствующей постройки, придерживаясь всех размеров.

Соединение пролетов осуществляется различными по форме фермами из металла, например:

односкатными;
двухскатными;
прямыми;
арочными.

Фермы, напоминающие треугольник и изготовленные из подобных труб, служат в качестве стропил, а так же элементами классических односкатных конструкций. Арочные фермы пользуются огромной популярностью из-за своей эстетичности, а также устойчивости против больших нагрузок. При этом арочные фермы собираются по более уточненным данным, для того, чтобы усилия распределялись равномерно по всем элементам фермы.

Особенности конструкции

Конструкция фермы для различных строительных объектов зависит от предполагаемых рабочих нагрузок, а также от ее хозяйственного назначения.

В зависимости от числа поясов бывают:

опорные конструкции, элементы которых состоят из одной плоскости;
подвесные конструкции, которые отличаются наличием верхнего и нижнего поясов.

Строительные конструкции предполагают применение ферм с различным контуром:

с параллельным поясом (самый элементарный вариант, где используются одинаковые элементы);
односкатные треугольные (все опорные узлы отличаются повышенной прочностью, из-за чего конструкция способна противостоять значительным нагрузкам);
полигональные (выдерживают усилия от массивного настила, но отличаются сложностью в монтаже);
трапецеидальные (имеют схожие данные с полигональными, но не настолько сложные в монтаже);
двухскатные треугольные (используются для монтажа крутой двухскатной крыши из профильной трубы, но имеют большие затраты ресурсов);
Сегментные (годятся для конструкций, где предусмотрена установка светопрозрачной кровли; установка непростая, так как нужно изготавливать элементы с правильной геометрией для одинакового распределения нагрузки).

В зависимости от угла наклона, классические фермы относятся к таким видам:

Угол от 22 до 30 градусов, когда отношение высоты к длине составляет 1:5. Годится для простых конструкций обычных навесов из профильной трубы.

Для накрытия пролетов малой и средней величины используются, в основном, треугольные виды ферм, сваренные из труб меньшего диаметра, так как они достаточно прочные и легкие.

Если длина пролета составляет больше 14-ти метров, то в конструкции предусматривают раскосы, закрепленные сверху вниз, а по верхнему поясу располагают панель, величиной 150-250 см, для получения двухпоясной конструкции, имеющей четное количество панелей.

При величине пролетов больше 20-ти метров, во избежание прогиба фермы, предусматривается установка подстропильных элементов конструкции, с креплением к опорным колоннам.

Особое внимание следует обратить на ферму «Полонсо», которая состоит из двух треугольных конструкций, скрепленных одна с другой оригинальным способом. В такой конструкции нет необходимости в монтировании длинных раскосов в средней части, что позволяет снизить общий вес конструкции.
Угол от 15 до 22 градусов, с отношением высоты к длине, как 1:7. Позволяет изготавливать фермы для соединения пролетов, имеющих длину до 20-ти метров. Если нужно увеличить высоту фермы, то придется сформировать нижний уровень ломаным.
Угол меньше 15 градусов. Подобный каркас должен состоять из трапециевидных элементов. Подобные фермы располагают короткими стойками, благодаря которым ферма выдерживает продольный изгиб. При углах наклона от 6 до 10 градусов фермы должны иметь ассиметричную конструкцию. Определяют высоту фермы с помощью деления длины пролета на 7, 8 или 9, в зависимости от конструкционных особенностей проекта.

Как рассчитывается ферма из стальной профильной трубы

Расчет любой металлической конструкции – это важный и ответственный этап, независимо от того, строительство какой конструкции предполагается.

Расчет стропильной системы из профильной трубы сводится к следующим моментам:

Определению размера пролета конструкции, который планируется перекрыть, а так же выбору конфигурации скатной крыши, с эффективным углом наклона ската (скатов).
Подбору оптимальных контуров поясов фермы с учетом характера постройки, формы и габаритов крыши, угла наклона, расчетных нагрузок.
Определению оптимальной высоты конструкции в центре пролета (H), на основании следующей формулы (где L – это длина фермы). Для параллельных, полигональных и трапецеидальных поясов: H=1/8×L. При этом величина уклона верхнего пояса должна соответствовать 1/8×L или 1/12×L. Для фермы треугольной формы: H=1/4×L H=1/5×L.
Выяснению условий сбора конструкции в зависимости от ее габаритов. Если размеры металлоконструкции внушительные, то лучше сварить ее тут же, на строительной площадке, и лишь затем с помощью строительного крана установить ее на место, а если размеры небольшие, то ферму лучше сварить в условиях заводских площадей, после чего доставить ее транспортом к месту установки. Хотя последний вариант и является более затратным, он более надежный, так как производить работы в неподготовленном месте весьма проблематично.
Расчету величины панелей в зависимости от расчетных нагрузок, действующих на кровлю в процессе ее эксплуатации.
Определению угла крепления раскосов решетки, который может находиться в пределах 35-50 градусов, хотя рекомендуется их устанавливать под углом в 45 градусов.
Следующий этап – это определение удаления между крепежными узлами, хотя обычно расстояние равняется ширине панели. При размерах пролета 36 метров и больше необходимо вычислить величину строительного подъема – обратно погашаемого изгиба, которую испытывает конструкция в процессе эксплуатации.
Учитывая все измерения и вычисления, рисуется технический чертеж с указанием всех необходимых размеров, по которым и будет осуществляться изготовление металлоконструкции из металлической трубы.

Чтобы не допускать большого рассогласования в расчетах, лучше воспользоваться строительным калькулятором. На основании специальной программы можно рассчитать любую конструкцию из металла, в том числе и стропила крыши из профильной трубы.

Арочная ферма – пример расчета

Во время сборки фермы в виде арки для обычного навеса потребуется осуществить правильные расчеты. На данном примере, соответствующем размеру пролета в 6 метров, промежутками между арками в 1,05 метра, высотой конструкции в 1,5 метра, что соответствует арочной ферме, показано, как осуществляются все необходимые расчеты. Подобная конструкция отличается не только своей прочностью, но и эстетичностью. Длина пролета нижнего уровня арочной фермы соответствует величине 1,3 метра(f), а радиус окружности в нижнем поясе составляет 4,1 метра(r). Угол между радиусами составляет 105, 9776º (а).

Длина профильной трубы (mh) для обустройства нижнего пояса вычисляется по формуле:

mh=Pi×R×a/180, где:

mh – это длина профиля для нижнего пояса;

Pi – постоянная величина (3,14);

R – радиус окружности фермы;

a – угол между радиусами;

в итоге должно получиться:

mh=3,14×4,1×106/180=7,58 м.

Узлы конструкции устанавливают на участках нижнего пояса на расстоянии 55,1 см. Для простоты сборки желательно округлить это расстояние до 55 см, при этом, увеличивать шаг установки узлов не рекомендуется. Удаление между крайними точками следует рассчитать отдельно.

При длине пролета не больше 6 метров допускается не делать сложных расчетов и не использовать сварку. Достаточно использовать одинарную или двойную балку, осуществив изгиб элемента конструкции под нужным радиусом. Несмотря на это, нужно правильно подобрать толщину металлических элементов, чтобы арка смогла выдержать все нагрузки.

Профильная труба для строительства ферм – требования к материалу

Изготовление рабочих конструкций ферм, особенно больших по размеру, требует определенных характеристик трубопроката.

Поэтому профильные трубы выбираются:

на основании СНиП 07-85 (действие нагрузки снега на все элементы конструкции);
на основании СНиП П-23-81 (о технологии работ со стальными профильными трубами);
в соответствии с ГОСТ 30245 (соответствие диаметра профильных труб к толщине стенок).

Все основные данные занесены в определенные документы, что позволяет ознакомиться с информацией на предмет наличия видов профильных труб и подобрать те материалы, которые пригодны для конкретных проектов.

Как правило, для изготовления ферм применяется только качественная металлопродукция. Например, для прочных ферм берется только легированная сталь, которая более устойчива к атмосферным воздействиям. В связи с этим подобные конструкции не требуют дополнительной защиты от коррозии.

Ознакомившись с технологией сборки решетчатых ферм, достаточно просто устанавливается легкий и прочный каркас для кровли или светопрозрачного материала.

При этом желательно учитывать некоторые нюансы:

Если требуется прочная и надежная конструкция, то больше подойдет металлическая труба в виде квадрата.
Для большей жесткости главные элементы фермы соединяются с применением металлических уголков и прихваток.
При креплении деталей фермы в верхнем поясе желательно применить двутавровые разносторонние уголки, соединяя детали с более узкой стороны.
При креплении деталей нижнего пояса используют равносторонние уголки (двутавровые).
Для соединения основных частей конструкции из металла большой длины используют накладные пластины из металла.

Ну и самое главное – это решить, как сварить ферму из профильной трубы. Особенно это актуально, если ее нужно сделать тут же, на строительной площадке. Подобные конструкции собираются с помощью сварки, а поскольку к качеству сварочных работ предъявляются высокие требования, то без хорошего сварщика и оборудования здесь никак не обойтись.

Стойки фермы крепятся под прямыми углами, а раскосы - под углами в 45 градусов. Для начала лучше заняться заготовкой основных и вспомогательных элементов фермы, порезав профильную трубу на отрезки, согласно размерам, указанным на рабочих чертежах. После этого приступают к сварке конструкции на земле, постоянно контролируя геометрические размеры.

В процессе сварки нужно контролировать качество каждого сварного шва. Это очень важно, поскольку ферма находится на высоте и несет определенную опасность для окружающих.

Расчёт металлоконструкций стал камнем преткновения для многих строителей. На примере простейших ферм для уличного навеса мы расскажем, как правильно рассчитать нагрузки, а также поделимся простыми способами самостоятельной сборки без использования дорогостоящего оборудования.

Общая методология расчёта

Фермы применяют там, где использовать цельную несущую балку нецелесообразно. Эти конструкции отличаются меньшей пространственной плотностью, при этом сохраняют устойчивость воспринимать воздействия без деформаций благодаря правильному расположению деталей.

Конструкционно ферма состоит из внешнего пояса и заполняющих элементов. Суть работы такой решётки довольно проста: поскольку каждый горизонтальный (условно) элемент не может выдержать полную нагрузку ввиду недостаточно большого сечения, два элемента располагаются на оси главного воздействия (силы тяжести) таким образом, чтобы расстояние между ними обеспечивало достаточно большое сечение поперечного среза всей конструкции. Ещё проще можно объяснить так: с точки зрения восприятия нагрузок ферму рассматривают так, будто она выполнена из цельного материала, при этом заполнение обеспечивает достаточную прочность, исходя лишь из расчётного приложенного веса.

Конструкция фермы из профильной трубы: 1 — нижний пояс; 2 — раскосы; 3 — стойки; 4 — боковой пояс; 5 — верхний пояс

Такой подход крайне прост и зачастую его с лихвой хватает для сооружения простых металлоконструкций, однако материалоёмкость при грубом расчёте получается крайне высокой. Более подробное рассмотрение действующих воздействий помогает снизить расход металла в 2 и более раз, такой подход и будет наиболее полезным для нашей задачи — сконструировать лёгкую и достаточно жёсткую ферму, а потом собрать её.

Основные профили ферм для навеса: 1 — трапециевидный; 2 — с параллельными поясами; 3 — треугольный; 4 — арочный

Начать следует с определения общей конфигурации фермы. Обычно она имеет треугольный или трапециевидный профиль. Нижний элемент пояса располагают преимущественно горизонтально, верхний — под наклоном, обеспечивающим правильный уклон кровельной системы . Сечение и прочность элементов пояса при этом следует выбирать близкими к таким, чтобы конструкция могла поддерживать свой собственный вес при имеющейся системе опоры. Далее производится добавление вертикальных перемычек и косых связей в произвольном количестве. Конструкцию нужно отобразить на эскизе для визуализации механики взаимодействия, указав реальные размеры всех элементов. Далее в дело вступает её величество Физика.

Определение сочетанных воздействий и реакции опоры

Из раздела статики школьного курса механики мы возьмём два ключевых уравнения: равновесия сил и моментов. Их мы будем применять, чтобы вычислить реакцию опор, на которые положена балка. Для простоты вычислений опоры будем считать шарнирными, то есть не имеющими жёстких связей (заделки) в точке касания с балкой.

Пример металлической фермы: 1 — ферма; 2 — балки обрешётки; 3 — кровельное покрытие

На эскизе нужно предварительно отметить шаг обрешётки системы кровли, ведь именно в этих местах должны находиться точки сосредоточения приложенной нагрузки. Обычно именно в точках приложения нагрузки и размещаются узлы схождения раскосов, так проще выполнить расчёт нагрузки. Зная общий вес кровли и число ферм в навесе, нетрудно вычислить нагрузку на одну ферму, а фактор равномерности покрытия определит, равны ли будут приложенные силы в точках сосредоточения, или же они будут отличаться. Последнее, к слову, возможно, если в определённой части навеса один материал покрытия сменяется другим, имеется проходной трап или, например, зона с неравномерно распределённой снеговой нагрузкой. Также воздействие на разные точки фермы будет неравномерным, если её верхняя балка имеет скругление, в этом случае точки приложения силы нужно соединить отрезками и рассматривать дугу как ломанную линию.

Когда все действующие усилия проставлены на эскизе фермы, приступаем к вычислению реакции опоры. Относительно каждой из них ферму можно представить не иначе как рычаг с соответствующей суммой воздействий на него. Чтобы вычислить момент силы в точке опоры, нужно умножить нагрузку на каждую точку в килограммах на длину плеча приложения этой нагрузки в метрах. Первое уравнение гласит, что сумма воздействий в каждой точке и равняется реакции опоры:

200 · 1,5 + 200 · 3 + 200 · 4,5 + 100 · 6 = R 2 · 6 — уравнение равновесия моментов относительно узла а , где 6 м — длина плеча)
R 2 = (200 · 1,5 + 200 · 3 + 200 · 4,5 + 100 · 6) / 6 = 400 кг

Второе уравнение определяет равновесность: сумма реакций двух опор будет в точности равна приложенному весу, то есть зная реакцию одной опоры, можно легко найти значение для другой:

R 1 + R 2 = 100 + 200 + 200 + 200 + 100
R1 = 800 - 400 = 400 кг

Но не ошибитесь: здесь также действует правило рычага, поэтому если ферма имеет существенный вынос за одну из опор, то и нагрузка в этом месте будет выше пропорционально разнице расстояний от центра масс до опор.

Дифференциальный расчёт усилий

Переходим от общего к частному: теперь необходимо установить количественное значение усилий, действующих на каждый элемент фермы. Для этого перечисляем каждый отрезок пояса и заполняющие вставки списком, затем каждый из них рассматриваем как сбалансированную плоскую систему.

Для удобства вычислений каждый соединительный узел фермы можно представить в виде векторной диаграммы, где векторы воздействий пролегают по продольным осям элементов. Всё, что нужно для вычислений — знать длину сходящихся в узле отрезков и углы между ними.

Начинать нужно с того узла, для которого в ходе вычисления реакции опоры было установлено максимально возможное число известных величин. Начнём с крайнего вертикального элемента: уравнение равновесия для него гласит, что сумма векторов сходящихся нагрузок равна нулю, соответственно, противодействие силе тяжести, действующей по вертикальной оси, эквивалентно реакции опоры, равной по величине, но противоположной по знаку. Отметим, что полученное значение — лишь часть общей реакции опоры, действующая для данного узла, остальная нагрузка придётся на горизонтальные части пояса.

Узел b

-100 + S 1 = 0
S 1 = 100 кг

Далее перейдём к крайнему нижнему угловому узлу, в котором сходятся вертикальный и горизонтальный сегменты пояса, а также наклонный раскос. Сила, действующая на вертикальный отрезок, вычислена в предыдущем пункте — это давящий вес и реакция опоры. Сила, действующая на наклонный элемент, вычисляется по проекции оси этого элемента на вертикальную ось: из реакции опоры вычитаем действие силы тяжести, затем «чистый» результат делим на sin угла, под которым раскос наклонён к горизонтали. Нагрузка на горизонтальный элемент находится также путём проекции, но уже на горизонтальную ось. Только что полученную нагрузку на наклонный элемент мы умножаем на cos угла наклона раскоса и получаем значение воздействия на крайний горизонтальный сегмент пояса.

Узел a

-100 + 400 - sin(33,69) · S 3 = 0 — уравнение равновесия на ось у
S 3 = 300 / sin(33,69) = 540,83 кг — стержень 3 сжат
-S 3 · cos(33,69) + S 4 = 0 — уравнение равновесия на ось х
S 4 = 540,83 · cos(33,69) = 450 кг — стержень 4 растянут

Таким образом, последовательно переходя от узла к узлу, необходимо вычислить действующие в каждом из них силы. Обратите внимание, что встречно направленные векторы воздействий сжимают стержень и наоборот — растягивают его, если направлены противоположно друг от друга.

Определение сечения элементов

Когда для фермы известны все действующие нагрузки, пора определяться с сечением элементов. Оно не обязательно должно быть равным для всех деталей: пояс традиционно выполняют из проката более крупного сечения, чем детали заполнения. Так обеспечивается запас надёжности конструкции.

где: F тр — площадь поперечного сечения растянутой детали; N — усилие от расчётных нагрузок; R y γ с

Если с разрывающими нагрузками для стальных деталей всё относительно просто, то расчёт сжатых стержней производится не на прочность, а на устойчивость, так как итоговый результат количественно меньше и, соответственно, считается критическим значением. Рассчитать можно на онлайн-калькуляторе, а можно и вручную, предварительно определив коэффициент приведения длины, определяющий, на какой части общей протяжённости стержень способен изгибаться. Этот коэффициент зависит от метода крепления краёв стержня: для торцевой сварки это единица, а при наличии «идеально» жёстких косынок может приближаться к 0,5.

где: F тр — площадь поперечного сечения сжатой детали; N — усилие от расчётных нагрузок; φ — коэффициент продольного изгиба сжатых элементов (определяется по таблице); R y — расчётное сопротивление материала; γ с — коэффициент условий работы.

Также нужно знать минимальный радиус инерции, определяемый как квадратный корень из частного от деления осевого момента инерции на площадь сечения. Осевой момент определяется формой и симметрией сечения, лучше взять это значение из таблицы.

где: i x — радиус инерции сечения; J x — осевой момент инерции; F тр — площадь сечения.

Таким образом, если разделить длину (с учётом коэффициента приведения) на минимальный радиус инерции, можно получить количественное значение гибкости. Для устойчивого стержня соблюдается условие, что частное от деления нагрузки на площадь поперечного сечения не должно быть меньше произведения допустимой сжимающей нагрузки на коэффициент продольного изгиба, который определяется значением гибкости конкретного стержня и материалом его изготовления.

где: l x — расчётная длина в плоскости фермы; i x — минимальный радиус инерции сечения по оси x; l y — расчётная длина из плоскости фермы; i y — минимальный радиус инерции сечения по оси y.

Обратите внимание, что именно в расчёте сжатого стержня на устойчивость отображена вся суть работы фермы. При недостаточном сечении элемента, не позволяющем обеспечить его устойчивость, мы вправе добавить более тонкие связи, изменив систему крепления. Это усложняет конфигурацию фермы, но позволяет добиться большей устойчивости при меньшем весе.

Изготовление деталей для фермы

Точность сборки фермы крайне важна, ведь все расчёты мы проводили методом векторных диаграмм, а вектор, как известно, может быть только абсолютно прямым. Поэтому малейшие напряжения, возникающие вследствие искривлений из-за неправильной подгонки элементов, сделают ферму крайне неустойчивой.

Сначала нужно определиться с размерами деталей внешнего пояса. Если с нижней балкой всё достаточно просто, то для нахождения длины верхней можно воспользоваться либо теоремой Пифагора, либо тригонометрическим соотношением сторон и углов. Последнее предпочтительно при работе с такими материалами, как угловая сталь и профильная труба. Если угол ската фермы известен, его можно вносить как поправку при подрезке краёв деталей. Прямые углы пояса соединяются подрезкой под 45°, наклонные — путём добавления к 45° угла наклона с одной стороны стыка и вычитанием его же с другой.

Детали заполнения вырезают по аналогии с элементами пояса. Основная загвоздка в том, что ферма — изделие строго унифицированное, а потому для её изготовления потребуется точная деталировка. Как и при расчёте воздействий, каждый элемент нужно рассматривать индивидуально, определяя углы схождения и, соответственно, углы подреза краёв.

Довольно часто фермы изготавливают радиусными. Такие конструкции имеют более сложную методику расчёта, но большую конструкционную прочность, обусловленную более равномерным восприятием нагрузок. Изготавливать скругленными элементы заполнения смысла нет, а вот для деталей пояса это вполне применимо. Обычно арочные фермы состоят из нескольких сегментов, которые соединяются в местах схождения заполняющих раскосов, что нужно учитывать при проектировании.

Сборка на метизах или сваривание?

В заключение было бы неплохо обозначить практическую разницу между способами сборки фермы свариванием и с помощью разъёмных соединений. Начать следует с того, что сверление в теле элемента отверстий под болты или заклёпки практически не влияет на его гибкость, а потому на практике не учитывается.

Когда речь зашла о способе скрепления элементов фермы, мы установили, что при наличии косынок длина участка стержня, способного изгибаться, существенно сокращается, за счёт чего можно уменьшить его сечение. В этом преимущество сборки фермы на косынках, которые крепятся сбоку к элементам фермы. В таком случае особой разницы в методе сборки нет: длины сварочных швов будет с гарантией достаточно, чтобы выдержать сосредоточенные напряжения в узлах.

Если же сборка фермы производится стыкованием элементов без косынок, здесь нужны особые навыки. Прочность всей фермы определяется наименее прочным её узлом, а потому брак в сваривании хотя бы одного из элементов может привести к разрушению всей конструкции. При недостаточном навыке ведения сварочных работ рекомендуется провести сборку на болтах или заклёпках с использованием хомутов, угловых кронштейнов или накладных пластин. При этом крепление каждого элемента к узлу должно осуществляться не менее чем в двух точках.