Фермы металлические: конструкции
Металлические фермы — это комплекс стержней, образующих неизменные геометрические тела за счет соединения в, преимущественно, шарнирных узлах. Их используют с целью покрытия и перекрытия:
- мостов;
- зданий;
- башенных и мачтовых элементов телерадиопередающих центров;
- ЛЭП- опор.
Эти конструкции применяются в гидротехнических затворах, при строительстве транспортных эстакад и т. д. На изготовление ферм требуется меньше стали, но сам процесс более трудоемок в сравнении с балками.
Все металлоконструкции подобного типа подразделяют на:
- плоские — воспринимающие нагрузку, приложенную в их плоскости;
- пространственные — жесткие брусы, справляющиеся с любой нагрузкой.
Конструкции фермы в наибольшей мере зависят от угла наклона скатов. Если навес будет примыкать к самому зданию, делают отвесную кровлю, обеспечивающую быстрый сток воды и сход снега. Если постройки одиночные, можно использовать пологие крыши. Подбор угла осуществляют и исходя из объема выпадающих осадков: их увеличение приводит к необходимости более крутой крыши.
Уклоны для зданий подбирают следующим образом:
- для отдельно стоящих — до 15° с высотой ската до 1/9 длины пролета; металлоконструкция имеет трапециевидную форму;
- при высоте ската в 1/7 длины пролета угол составляет 15-22°;
- при высоте 1/5 длины пролета подбирают угол в 22-35°. Конструкции в основном делают треугольными или с ломанным нижним поясом, уменьшающим ее массу.
Элементы фермы металлической
Основными их составляющими являются решетка и пояса, составляющие контур. В решетку входят стойки и раскосы, стыкующиеся или соединяющиеся в узлах. Характеристика других элементов:
- расположенные под углом 45° раскосы соединяют углы двух поясов, работая в 2 направлениях деформации;
- стойки — фрагменты сооружения, расположенные в вертикальной плоскости между 2 поясами, принимают основную нагрузку;
- верхний пояс: ломаная или радиусная горизонтальная и наклонная балки, с крепящимися к ним верхними узлами;
- нижний пояс — горизонтальная продольная балка с креплением на ней нижних узлов;
- узлы — точки в обоих поясах, в которых соединяются стойки или раскосы.
Участок между соседними узлами поясов называется панелью, а отрезок между опорами — пролетом. Пояса ферм принимают продольную, а решетка — поперечную силу.
Виды ферм металлических
Будущую ферму подбирают, исходя из области ее применения, красоты, эстетичности и необходимости. Выделяют следующие виды конструкций:
- балочные разрезные — отличаются простотой изготовления и монтажа, хорошей металлоемкостью и отсутствием сложных узлов; находят применение в покрытиях мостов, зданий и т. д.;
- неразрезные — используются для перекрытия нескольких пролетов; для их изготовления нужно меньше стали, но эта разновидности ферм характеризуется хорошей жесткостью, из-за чего ее высоту можно уменьшить; не рекомендуется применять на слабых грунтах;
- рамные — металлоконструкции небольших габаритов, способствующие экономии металла, но характеризующиеся сложным монтажом;
- арочные — уменьшают расход стали, но увеличивают объем помещения и ограждающих поверхностей, используются для создания особой атмосферы;
- консольные — находят применение для башен, навесов, ЛЭП- опор;
- полигональные — используются для массивных многопролетных систем, в которых малозаметны узловые переломы поясов;
- трапецеидальные — обеспечивают жесткий рамный узел и увеличивают общую жесткость здания;
- металлические фермы с параллельными поясами нашли свое применение в производстве, что обусловлено унификацией длины решетки, повторяемости деталей и одной и той же схемы узлов;
- треугольные подходят для строительных балочных и консольных систем с нагрузкой, находящейся в центре консоли. Такие типы металлических ферм можно отнести к подстропильным. На их производство требуется большое количество металла из-за повышенной длины средних раскосов. При этом с колоннами предполагается исключительно шарнирное соединение. Такие фермы обеспечивают угол наклона более 20°. Их могут использовать и для создания равномерного освещения с одной стороны. В этом случае их названием является «шедовые покрытия».
При выборе фермы учитывают эпюру изгибаемых элементов, материал кровли, уровень уклона, обеспечивающий оптимальный водоотвод. Также необходимо учитывать, какой тип сопряжения (шарнирный или жесткий) будет использоваться с колоннами.
Самым экономичным типом профиля является трубчатый. Для труб характерна хорошая обтекаемость, уменьшающая ветровое давление, что наиболее актуально для сооружений, устремляющихся на значительное расстояние вверх. На них меньше образуется влаги, инея. Они состоят из нескольких труб, которые иногда сложно сопрягать.
Прямоугольные виды характеризуются наличием простых узлов. Бывает, что в местах изгиба возникают деформации, отрицательно влияющие на прочность стали. Самым оптимальным решением является сочетание разных видов профилей: гнуто-замкнутых, двутавров, тавров и решеток из уголков. Необходимые элементы фермы металлической определяются множеством факторов, при которых металлические конструкции работают так, как запланировано. При этом учитывают место приложения нагрузки, агрессивность воздействующих факторов и другие условия.
Основные плюсы использования ферм
Фермы строительные характеризуются следующими главными преимуществами при их эксплуатации:
- негорючесть;
- устойчивость к деформации;
- сравнительно небольшая масса из-за полых полостей;
- противостоят разрушению при сильных нагрузках;
- экологичность;
- сохранение прочности при формировании сложных и крупных конструкций;
- экономия металла;
- устойчивость к ржавлению и агрессивным средам.
Металлические фермы сокращают нагрузку на фундамент по сравнению с цельнометаллическими балками, обеспечивают меньший расход металла, но при этом гарантируют высокую прочность.
Проектирование элементов фермы и конструкции в целом
Расчет всей нагрузки, приходящейся на ферму, достаточно сложен, поэтому для его проведения лучше обратиться к профессионалам. На толщину стенок труб, расчет размеров влияют следующие данные:
- длина металлоконструкции;
- отрезок между колоннами;
- вес покрытия;
- значение межопорной длины;
- высота;
- предельная снежная нагрузка в зимний период;
- форма сооружений;
- геологические условия;
- противостояние ветру.
При допуске в расчетах ошибок конструкция может изменить свою форму, деформироваться под воздействием большой снеговой нагрузки, обрушиться при сильных порывах ветра, разрушиться в результате деформации, вызвать разрушение кровли. Если при строительстве отдать предпочтение тяжелым материалам, возможно несение больших неоправданных расходов на установку фермы.
Преимущества и недостатки разных металлов
Для профильной трубы используются углеродистые стали разного качества, легированными и конструкционными. На трубы может наноситься слой цинка. Если хотят получить облегченные конструкции, отличающиеся компактностью и сезонным использованием, используют алюминий.
При возведении небольших построек используют сталь марок Ст3сп, Ст3пс с хорошим уровнем прочности, обеспечивающей достижение необходимой надежности металлоконструкции. В низколегированных сталях марок 30ХГСА, 30ХГСН, 38ХА содержится всего от 2 до 4% легирующих элементов, не оказывающих существенного влияния на стойкость к появлению ржавчины.
Легированные и конструкционные стали характеризуются более продолжительным сроком службы по сравнению с углеродистыми, и они легче переносят циклические нагрузки. Но это характерно только для металла, подвергнутого термообработке. Такая технологическая операция для готовых изделий не проводится, так как закалка с отпуском отрицательно влияет на форму труб. Для снятия остаточного напряжения с металла и приобретения им большей мягкости используют отжиг бесшовных труб.
Самыми качественными считаются конструкционные стали марок 20А, 30А, 40, 45, которые стоят дороже. При монтаже конструкций до 20 м профтрубы из таких видов стали не следует приобретать. Получить требующиеся виды ферм металлических можно из более бюджетных вариантов труб.