Металлические фермы: классификация, расчет, изготовление и монтаж

25.05.2025

Время на чтение минут

Автор:
Пресс-центр ООО "Технологии приборостроения"

Металлические фермы - один из наиболее распространенных конструктивных элементов в строительстве в наши дни. Способность перекрывать большие пролеты при малом собственном весе, помогла конструкциям найти широкое применение в промышленном и гражданском строительстве: от ангаров и складов до спортивных сооружений и мостов. Их надёжность, долговечность и простота монтажа делают фермы оптимальным выбором для зданий с высокими требованиями по прочности и пролетам без промежуточных опор.

Конструкция металлической фермы

Одним из самых важных элементов фермы является пояс. Обычно фермы оснащаются верхним и нижним поясами, которые представляют собой горизонтальные балки, соединяющие другие элементы конструкции. Наряду с поясами важную роль в конструкции металлической фермы играют ребра жесткости. Эти элементы расположены между поясками и служат для укрепления фермы, повышения ее устойчивости и предотвращения прогибов. В конструкции металлической фермы всегда присутствуют стойки и опоры. Стойки — это вертикальные элементы, которые поддерживают ферму и передают её нагрузку на фундамент или другие несущие конструкции.Опоры могут быть в виде колонн и более сложных конструктивных элементов, в зависимости от конкретного проекта.

Прогоны - еще одна важная частью фермы. Эти горизонтальные балки соединяют стойки между собой и служат для поддержки кровельного покрытия. Они распределяют нагрузку от кровли или других конструктивных частей здания на ферму. Особое внимание в проектировании металлических ферм уделяется узлам соединения. Это места, где разные элементы конструкции соединяются между собой. Узлы соединения должны быть прочными и долговечными, поскольку именно через них передаются все силы, воздействующие на конструкцию.

Принцип работы

Принцип работы металлической фермы основан на равномерном распределении нагрузки, что позволяет значительно снизить ее деформацию. Когда на ферму воздействуют различные внешние нагрузки, они передаются через верхний и нижний пояса на вертикальные элементы (стойки), а затем на опоры. Этот процесс позволяет ферме эффективно справляться с большими весами и сохранять свою устойчивость даже при нагрузках, которые могут возникать в самых различных эксплуатационных условиях.

Разновидности металлических ферм

Фермы с параллельными поясами — это тип ферм, в которых верхний и нижний пояса параллельны друг другу. Этот тип ферм является одним из самых универсальных и используется в самых различных сферах строительства, включая жилые, коммерческие и промышленные здания.

Фермы треугольного очертания представляют собой конструкции, где элементы фермы имеют форму треугольников, что позволяет эффективно перераспределять нагрузку. Фермы треугольного очертания широко применяются в строительстве спортивных сооружений, торговых комплексов, складских помещений.

Неразрезные фермы представляют собой конструкции, в которых элементы фермы соединяются таким образом, что не образуют независимых участков, то есть ферма функционирует как единое целое. Они зарекомендовали при возведении крупных производственных и складских объектов, где нужно учитывать высокие нагрузки и требования к долговечности.

Рамные фермы состоят из двух или более вертикальных или наклонных стоек, соединенных горизонтальными балками. Рамные фермы часто применяются в зданиях с несколькими уровнями, как склады, торговые комплексы и спортивные арены.

Арочные фермы - конструктивные системы, где элементы фермы образуют арку. Широко применяются в местах, где пролеты должны быть максимально большими, например, в мостах, туннелях, спортивных сооружениях и складских помещениях.

Существует множество других разновидностей металлических ферм, как: консольные фермы, полигональные, трапецеидальные, сегментные ферма с параболическим поясом, фермы с параллельными поясами, фермы треугольного очертания.

Сечения элементов металлических ферм

Сечения элементов металлических ферм играют ключевую роль в их прочности, долговечности и устойчивости. В зависимости от типа конструкции и требований к прочности и устойчивости, выбираются различные виды сечений.

Трубчатое сечение представляет собой один из самых популярных вариантов, особенно в строительстве металлических ферм, благодаря своей высокой прочности и легкости.

Прямоугольные гнуто-замкнутые сечения — это элементы, которые представляют собой прямоугольные трубы, изготовленные путем гибки и замыкания плоской полосы металла. Эти сечения обладают хорошей жесткостью и могут эффективно использоваться для ферм, подвергающихся сильным изгибным и сжимающим нагрузкам.

Сечения на основе прокатных уголков широко применяются в строительстве металлических ферм, особенно в случае, когда требуется высокая прочность на растяжение или сжатие.

Тавровое сечение состоит из горизонтальной балки (пояса) и вертикальной стойки (стержня). Это сечение обладает хорошей жесткостью при использовании в металлоконструкциях.

Сечение из швеллеров обладает хорошими характеристиками на изгиб и демонстрирует высокую устойчивость к деформациям при сжатии и растяжении.

Двутавровое сечение. Двутавровые балки имеют форму буквы «Н», что позволяет им работать в режиме сжатия и растяжения.

Полосовые сечения используются преимущественно для создания диафрагм и ребер жесткости, что позволяет значительно повысить устойчивость и прочность всей конструкции.

Преимущества и недостатки различных металлов для строительства металлических ферм

Для возведения небольших построек на частных участках, в составе которых имеются металлические фермы, чаще всего выбирают углеродистую сталь марки Ст3сп или Ст3пс, иногда оцинкованную. Этот материал обладает достаточной прочностью для обеспечения надежности конструкции. Однако в плане устойчивости к ржавчине углеродистые стали не имеют значительных отличий.

Со временем даже изделия из конструкционных и легированных сталей подвергаются коррозии под действием осадков. Небольшое количество легирующих элементов в таких материалах не даёт должной защиты от разрушения. Например, низколегированные стали, как 30ХГСА, 30ХГСН, 38ХА, содержащие 2–4% легирующих компонентов, не обеспечивают повышенной коррозионной стойкости.

Конструкционные стали, как 20А, 45, 40, 30А, обладают более высокими характеристиками, что делает их дороже. Легированные стали стоят ещё дороже, но нередко продавцы могут предложить трубы из стали марки 3 вместо требуемых. Поэтому при планировании установки конструкций шириной до 20 метров лучше отказаться от покупки труб из этих марок. Покупка оцинкованного профиля оправдана, если строительство предусматривает использование краб-систем.

Проектирование фермы

Первоначально проектирование начинается с определения всех необходимых исходных данных, как размеры будущей металлической конструкции, длина ферм, расстояние между опорами и высота самих ферм и опор. Необходимо принимать во внимание климатические особенности региона, в частности предельную снеговую нагрузку в зимний период. Важно оценить геологические условия, как сейсмическая активность и вероятность оползней, которые могут повлиять на устойчивость конструкции. Еще одним немаловажным фактором является масса покрытия, так как это оказывает влияние на прочностные характеристики ферм.

Проектирование металлической фермы требует подготовки чертежа с точными размерами, что позволяет эффективно закупать нужное количество материалов и ускоряет процесс сборки и монтажа.

Приведем таблицу допустимых нагрузок на металлические фермы:

Угловой наклон кровли

Одним из ключевых факторов, влияющих на проектирование фермы, является угловой наклон кровли. Угол наклона влияет на распределение нагрузок и определяется в зависимости от формы кровли и от назначения и расположения постройки. Если речь идет о навесе, примыкающем к зданию, то для эффективного стока воды и быстрого скатывания снега потребуется более крутой угол наклона. В случае с отдельно стоящими постройками можно использовать более пологую крышу.

При проектировании ферм для разных типов крыш учитывается количество осадков в регионе. Чем больше осадков, тем более крутым должен быть угол наклона крыши, чтобы они быстрее скатывались с поверхности. В зависимости от этого, выбираются разные типы конструкций: для навесов с углом наклона в 15° оптимальной является трапециевидная ферма, для угла от 15 до 22° – высота ската составляет 1/7 длины пролета, а для более крутых крыш с углом наклона 22-35° – 1/5 длины пролета, где часто используют треугольные конструкции.

Процесс проектирования металлической фермы требует правильного выбора формы и размеров и точных расчетов, которые должны учитывать множество факторов. Для расчетов лучше всего воспользоваться профессиональными программами, которые позволяют использовать метод вырезания узлов или методы, как метод Риттера или Геннеберга, для определения нужных характеристик конструкции.

Проектирование ферм для больших объектов, например, для навесов длиной от 10 метров, требует участия специалистов, так как только они смогут рассчитать все нагрузки и гарантировать безопасность сооружения.

Изготовление металлических ферм

Производственные этапы

Первым этапом производственного процесса является разметка и подготовка деталей, в том числе нарезка труб, уголков и других металлических элементов по заранее определенным размерам. Эта операция может осуществляться с помощью станков с ЧПУ, что позволяет достичь высокой точности и минимизировать возможные ошибки при раскрое.

Далее идет процесс сварки и сборки фермы. Сварка металлических деталей проводится с использованием различных методов — дуговой сварки, аргонодуговой или газовой сварки, в зависимости от типа конструкции и материала. Важно, чтобы сварные соединения были выполнены с максимальной точностью, так как от качества сварки зависит долговечность и надежность всей конструкции.

После того как ферма собрана, проводятся дополнительные операции по шлифовке и удалению заусенцев, что помогает избежать дальнейших повреждений при эксплуатации. На следующем этапе ферма может подвергаться антикоррозионной обработке, например, нанесению защитного цинкового покрытия или покраске. В зависимости от условий эксплуатации и типа конструкции выбор обработки может варьироваться.

Когда ферма готова, она проходит проверку качества на соответствие проектным характеристикам и техническим стандартам. Это может включать в себя контроль за геометрией, проверку сварных швов и испытания на прочность и устойчивость.

Транспортировка

Транспортировка металлических ферм является важным этапом в процессе изготовления и установки. После того как ферма изготовлена, она должна быть правильно упакована и подготовлена для транспортировки к месту установки. Из-за значительных размеров и веса металлических конструкций перевозка может требовать специализированного транспортного средства, как самосвалы, прицепы, специально оборудованные для перевозки крупных грузов.

Важно, чтобы все элементы фермы были надежно закреплены во время транспортировки, чтобы избежать их повреждения или деформации. Кроме того, транспортировка ферм может потребовать получения специальных разрешений, если транспортные средства превышают стандартные размеры или вес.

Стоимость изготовления

Стоимость изготовления металлической фермы зависит от множества факторов, начиная от типа используемого материала и его качества, до сложности проектирования и производства. Одним из основных факторов, влияющих на цену, является выбор металла. Например, использование легированных сталей или металлов с антикоррозийной обработкой повышает стоимость, так как эти материалы дороже и требуют дополнительных затрат на их обработку.

На цену влияет сложность конструкции. Если ферма требует нестандартных решений, например, имеет сложную форму или дополнительные элементы, стоимость производства может существенно увеличиться. Не меньшую роль в формировании стоимости играет объем заказа. Массовое производство металлических ферм, как правило, позволяет снизить цену за счет экономии на материалах и более быстрого выполнения всех этапов.

Монтаж на строительной площадке

Монтаж металлических ферм на строительной площадке является заключительным этапом в создании конструкции, и от его качества зависит стабильность и долговечность всего сооружения. Первым шагом в монтаже является подготовка строительной площадки. Она должна быть заранее очищена от мусора, неровностей и подготовлены основания для установки ферм. Далее приступают к монтажу самих ферм. В большинстве случаев для этого используется подъемное оборудование, так как фермы могут быть весьма массивными. Фермы поднимаются и устанавливаются в заранее подготовленные опоры.

После того как ферма установлена, начинается ее крепление и фиксация. В зависимости от типа конструкции, используются различные методы соединения, как сварка, болтовые соединения или использование специальных крепежных элементов. Важно, чтобы все соединения были выполнены по проекту, поскольку любое отклонение от требований может повлиять на безопасность.

Завершающим этапом монтажа является проверка всех соединений на прочность и стабильность и проверка геометрии и правильности установки. Для этого проводятся специальные испытания, включающие проверку на вертикальность, выверку по уровню и контроль за прочностью соединений.

Монтаж металлических ферм может занять от нескольких дней до нескольких недель в зависимости от сложности конструкции и размеров проекта. Важно, чтобы процесс монтажа контролировался опытными специалистами, поскольку от их работы зависит безопасность всей постройки.