Му расчет плоских ферм. Как правильно рассчитать фермы для навесов: чертеж и правила сборки Расчет стержней металлической фермы

Изучение данных вопросов необходимо в дальнейшем для изучения динамики движении тел с учетом трения скольжения и трения качения, динамики движения центра масс механической системы, кинетических моментов, для решения задач в дисциплине «Сопротивление материалов ».

Расчет ферм. Понятие о ферме. Аналитический расчет плоских ферм.

Фермой называется жесткая конструкция из прямолинейных стержней, соединенных на концах шарнирами . Если все стержни фермы лежат в одной плоскости, ферма называется плоской. Места соединения стержней фермы называют узлами. Все внешние нагрузки к ферме прикладываются только в узлах. При расчете фермы трением в узлах и весом стержней (по сравнению с внешними нагрузками) пренебрегают или распределяют веса стержней по узлам.

Тогда на каждый из стержней фермы будут действовать две силы, приложен-ные к его концам, которые при равновесии могут быть направлены только вдоль стержня. Следовательно, можно считать, что стержни фермы работают только на растяжение или на сжатие. Огра-ничимся рассмотрением жестких плоских ферм, без лишних стержней, образованных из треугольников. В таких фермах число стержней k и число узлов n связаны соотношением

Расчет фермы сводится к определению опорных реакций и уси-лий в ее стержнях.

Опорные реакции можно найти обычными методами статики, рассматривая ферму в целом как твердое тело. Перейдем к определе-нию усилий в стержнях.

Метод вырезания узлов. Этим методом удобно пользоваться, когда надо найти усилия во всех стержнях фермы. Он сводится к по-следовательному рассмотрению условий равновесия сил, сходящихся в каждом из узлов фермы. Ход расчетов поясним на конкретном примере.

Рис.23

Рассмотрим изображенную на рис. 23,а ферму, образованную из одинаковых равнобедренных прямоугольных треугольников; действую-щие на ферму силы парал-лельны оси х и равны: F 1 = F 2 = F 3 = F = 2.

В этой ферме число узлов n = 6, а число стержней k = 9. Следовательно, соот-ношение выполняется и ферма является жесткой, без лишних стержней.

Составляя уравнения рав-новесия для фермы в целом, найдем, что реакции опор направлены, как пока-зано на рисунке, и численно равны;

Y A = N = 3/2F = 3H

Переходим к определению усилий в стержнях.

Пронумеруем узлы фермы римскими цифрами, а стержни — арабскими. Искомые усилия будем обозначать S 1 (в стержне 1), S 2 (в стержне 2) и т. д. Отрежем мысленно все узлы вместе со сходящимися в них стержнями от осталь-ной фермы. Действие отброшенных частей стержней заменим силами, которые будут направлены вдоль соответствующих стержней и численно равны искомым усилиям S 1 , S 2.

Изображаем сразу все эти силы на рисунке, направляя их от узлов, т. е. считая, все стержни растя-нутыми (рис. 23, а; изображенную картину надо представлять себе для каждого узла так, как это показано на рис. 23, б для узла III). Если в результате расчета величина усилия в каком-нибудь стержне получится отрицательной, это будет означать, что данный стержень не растянут, а сжат. Буквенных обозначений для сил, действующих вдоль стержней, ни рис. 23 не вводам, поскольку ясно, что силы, действующие вдоль стержня 1, равны численно S 1 , вдоль стержня 2 — равны S 2 и т. д.

Теперь для сил, сходящихся в каждом узле, составляем последо-вательно уравнения равновесия:

Начинаем с узла 1, где сходятся два стержня, так как из двух уравнений равновесия можно определить только два неизвестных усилия.

Составляя уравнения равновесия для узла 1, получим

F 1 + S 2 cos45 0 = 0, N + S 1 + S 2 sin45 0 = 0.

Отсюда находим:

Теперь, зная S 1 , переходим к узлу II. Для него уравнения равнове-сия дают:

S 3 + F 2 = 0, S 4 - S 1 = 0,

S 3 = -F = -2H, S 4 = S 1 = -1H.

Определив S 4 , составляем аналогичным путем уравнения равновесия сначала для узла III, а затем для узла IV. Из этих уравнений находим:

Наконец, для вычисления S 9 составляем уравнение равновесия сил, сходящихся в узле V, проектируя их на ось By. Получим Y A + S 9 cos45 0 = 0 откуда

Второе уравнение равновесия для узла V и два уравнения для узла VI можно составить как поверочные. Для нахождения усилий в стержнях эти уравнения не понадобились, так как вместо них были использованы три уравнения равновесия всей фермы в целом при определении N, Х А, и Y А.

Окончательные результаты расчета можно свести в таблицу:

Как показывают знаки усилий, стержень 5 растянут, остальные стер-жни сжаты; стержень 7 не нагружен (нулевой, стержень).

Наличие в ферме нулевых стержней, подобных стержню 7, обна-руживается сразу, так как если в узле, не нагруженном внешними силами, сходятся три стержня, из которых два направлены вдоль одной прямой, то усилие в третьем стержне равно нулю. Этот результат получается из уравнения равновесия в проекции на ось, перпендикулярную к упомянутым двум стержням.

Если в ходе расчета встретится узел, для которого число неизве-стных больше двух, то можно воспользоваться методом сечений.

Метод сечений (метод Риттера). Этим методом удобно поль-зоваться для определения усилий в отдельных стержнях фермы, в ча-стности, для проверочных расчетов. Идея метода состоит в том, что ферму разделяют на две части сечением, проходящим через три стержня, в которых (или в одном из которых) требуется определить усилие, и рассматривают равновесие одной из этих частей. Действие отброшенной части заменяют соответствующими силами, направляя их вдоль разрезанных стержней от узлов, т. е. считая стержни рас-тянутыми (как и в методе вырезания узлов). Затем составляют урав-нения равновесия, беря центры моментов (или ось проекций) так, чтобы в каждое уравнение вошло только одно неизвестное усилие.

Графический расчет плоских ферм.

Расчет фермы мето-дом вырезания узлов может производиться графически. Для этого сначала, определяют опорные реакции. Затем, последовательно отсекая от фермы каждый из ее узлов, нахо-дят усилия в стержнях, сходящихся в этих узлах, строя соответствую-щие замкнутые силовые многоугольники. Все построения проводятся в масштабе, который должен быть заранее выбран. Рас-чет начинают с узла, в котором сходятся два стержня (иначе не удастся определить неизвест-ные усилия).

Рис.24

В качестве примера рас-смотрим ферму, изображен-ную на рис. 24, а. В этой ферме число узлов n = 6, а число стержней k = 9. Следовательно, соотношение выполняется и ферма является жесткой, без лиш-них стержней. Опорные реак-ции и для рассматри-ваемой фермы, изображаем на-ряду с силами и , как известные.

Определение усилий в стержнях начинаем с рас-смотрения стержней, сходя-щихся в узле I (узлы нуме-руем римскими цифрами, а стержни - арабскими). Мысленно отрезав от этих стержней остальную часть фермы, отбрасываем ее действие отброшенной части также мысленно заменяем силами и , которые должны быть направлены вдоль стержней 1 и 2. Из сходящихся в узле I сил , и строим замкнутый треугольник (рис. 24, б).

Для этого изображаем сначала в выбранном масштабе известную силу , а затем проводим через ее начало и конец прямые, параллельные стерж-ням 1 и 2. Таким путем будут найдены силы и , действующие на стержни 1 и 2. Затем рассматриваем равновесие стержней, сходящихся в узле II. Действие на эти стержни отброшенной части фермы мысленно заменяем силами , , и , направленными вдоль соответствующих стержней; при этом сила нам известна, так как по равенству дей-ствия и противодействия .

Построив из сил, сходящихся в узле II, замкнутый треугольник (начиная с силы ), найдем вели-чины S 3 и S 4 (в данном случае S 4 = 0). Аналогично находятся усилия в остальных стержнях. Соответствующие силовые многоугольники для всех узлов показаны на рис. 24, б. Последний много-угольник (для узла VI) строится для про-верки, так как все входящие в него силы уже найдены.

Из построенных многоугольников, зная масштаб, находим величины всех усилий. Знак усилия в каждом стержне опреде-ляется следующим образом. Мысленно вы-резав узел по сходящимся в нем стержням (например, узел III), прикладываем к обрезам стержней найденные силы (рис. 25); сила, направленная от узла ( на рис. 25), растягивает стержень, а си-ла, направленная к узлу ( и на рис. 25) сжимает его.

Рис.25

Соглас-но принятому условию растягивающим усилиям приписываем знак «+», а сжимающим - знак «-». В рассмотренном примере (pиc. 25) стержни 1, 2, 3, 6, 7, 9 сжаты, а стержни 5, 8 растянуты.

Конструктивных элементов у каркасной постройки не так много: фундамент, опоры и крыша – но каждый из них должен быть прочен и долговечен. Устойчивость опор обеспечивает не только фундамент, помогают в этом особые укрепляющие конструкции – обвязочные фермы. За надежность крыши тоже отвечают фермы, но уже стропильные.

Для усиления каркаса домов, надворных построек и малых архитектурных форм из профтрубы применяют особые элементы, называемые фермами. Их используют для верхнего и бокового соединения опор навесов, беседок, остановочных павильонов и летних кафе. Применяют усиливающие элементы и при монтаже козырьков над входными группами, если расстояние между стенами или опорами велико.

Таким образом, ферма – это усиливающая конструкция, состоящая из двух поясов, соединенных между собой перемычками. Такое устройство обеспечивает конструкции жесткость и позволяет сохранять форму при любых нагрузках.

Обратите внимание! Кроме функционального назначения фермы могут иметь и декоративное, если возводимое строение не имеет стен и фронтонов или обшивается прозрачным материалом.

Виды поясов

Пояса задают форму детали: сегмент, двойная дуга, треугольник, прямоугольник или многоугольник. При этом у сегмента, прямоугольника и дуги в качестве нижнего и верхнего поясов выступают цельные трубы – прямые или изогнутые.

В фермах более сложной формы: треугольных, выпуклых и вогнутых многоугольниках – один или оба пояса собраны из нескольких труб.

Форму поясов фермы выбирают в соответствие с назначением конструкции. Для бокового соединения стоек строения обычно используют обвязочные фермы с двумя параллельными прямыми или дугообразными поясами или верхним прямым поясом и нижним дугообразным.

Форма поясов стропильной фермы зависит от типа крыши:

Тип крыши	Возможная форма поясов	Название фермы
односкатная, шатровая	прямые, образующие прямоугольный треугольник	односкатная
двускатная	прямые, образующие равнобедренный треугольник: 2 прямые образуют верхний пояс, одна – нижний;	треугольная
	две пары прямых, образующих параллельные углы	полигональная
	две пары прямых, образующие пару неравных углов	ножницы
	5 прямых: две образуют верхний пояс, 3 – нижний	ферма Полонсо
мансардная	прямые, образующие равнобедренный пятиугольник с широким основанием;	мансардная
арочная	две параллельных дуги	арочная
	две параллельных ломаных	полигональная
	дуга и прямая, образующие сегмент или полукруг	сегментная
	верхняя дуга, нижняя ломаная	консольная

Виды перемычек

Перемычки – это короткие отрезки труб, как правило, меньшего сечения, чем используемые для поясов, прикрепленные прямо или под углом к основным элементам конструкции. Комплекс перемычек называют внутренней решеткой.

Вертикальные перемычки называют опорами или стойками. Обычно ферма имеет одну-две основных стойки и несколько дополнительных.

Наклонные перемычки называют подкосами или откосами, их количество может быть любым. Если пояса фермы соединены опорами, то откосами укрепляют именно опоры. Кроме того, внутренняя решетка может состоять только из вертикальных или только из наклонных перемычек.

Обратите внимание! Фермы для каркасных строений изготавливают не только из труб, но и из уголков. Каждый элемент такой конструкции для обеспечения необходимой прочности собирают из пары уголков, что усложняет расчеты и монтаж и увеличивает временные затраты.

Преимущества профильной трубы для изготовления каркасов

Каркасное строительство из профтрубы набрало популярность и не сдает позиций. Профилированные трубы позволяют создать красивые и крепкие конструкции самого различного назначения – от зонтика над песочницей до жилого, промышленного или коммерческого здания.

В разных отраслях строительства нередко применяются фермы из профильной трубы. Такие фермы конструктивно представляют собой металлоконструкции, состоящие из отдельных стержней и имеющие решетчатую форму. От конструкций из цельных балок фермы отличаются меньшей стоимостью и большей трудоемкостью. Для соединения профильных труб может использоваться как сварной метод, так и заклепки.

Металлические профильные фермы подходят для создания любых пролетов, независимо от их длины – но чтобы это было возможно, конструкцию перед сборкой необходимо рассчитать с предельной точностью. Если расчет металлической фермы был верным, а все работы по сборке металлоконструкций проведены правильно, то готовую ферму останется лишь поднять и установить на заготовленную обвязку.

Преимущества использования стропил из металла

У ферм из профильной трубы немало достоинств, среди которых:

Небольшой вес конструкции;
Длительный срок службы;
Отличные прочностные показатели;
Возможность создания конструкций сложной конфигурации;
Приемлемая стоимость металлических элементов.

Классификация ферм из профильной трубы

Все металлические конструкции фермы имеют несколько общих параметров, которые и обеспечивают деление ферм на виды.

К этим параметрам относятся:

Количество поясов. Металлические фермы могут иметь лишь один пояс, и тогда вся конструкция будет лежать в одной плоскости, или два пояса. В последнем случае ферма будет называться висячей. Конструкция висячей фермы включает в себя два пояса – верхнего и нижнего.
Форма. Существует арочная ферма, прямая, односкатная и двухскатная.
Контур.
Угол наклона.

В зависимости от контуров выделяют следующие виды металлоконструкций:

Фермы с параллельным поясом . Такие конструкции чаще всего используются в качестве опоры для обустройства крыши из мягких кровельных материалов. Ферма с параллельным поясом создается из одинаковых деталей с идентичными габаритами.
Односкатные фермы . Конструкции с одним скатом обходятся недорого, поскольку для их изготовления требуется немного материалов. Готовая конструкция получается довольно выносливой, что обеспечивается жесткостью узлов.
Полигональные фермы . Данные конструкции отличаются очень хорошей несущей способностью, но за него приходится расплачиваться – полигональные металлоконструкции очень неудобны в монтаже.
Треугольные фермы . Как правило, фермы с треугольным контуром используются для монтажа крыш, расположенных под большим наклоном. Из недостатков таких ферм стоит отметить большое количество лишних затрат, связанных с массой отходов при производстве.

Как рассчитать угол наклона

В зависимости от угла наклона фермы делятся на три категории:

22-30 градусов. В таком случае соотношение длины и высоты готовой конструкции составляет 5:1. Фермы с таким наклоном, отличаясь небольшим весом, отлично подходят для обустройства пролетов небольшой длины в частном строительстве. Как правило, фермы с таким наклоном имеют треугольный контур.
15-22 градуса. В конструкции с такой величиной наклона длины превосходит высоту в семь раз. Фермы данного вида не могут иметь в длину более 20 м. При необходимости увеличения высоты готовой конструкции нижнему поясу придают ломаную форму.
15 и менее. Лучшим вариантом в таком случае будут металлические стропила из профильной трубы, соединенные в форме трапеции – короткие стойки снизят воздействие продольного изгиба на конструкцию.

В случае с пролетами, длина которых превышает 14 м, приходится использовать раскосы. Верхний пояс необходимо оборудовать панелью длиной около 150-250 см. При четном количестве панелей получится конструкция, состоящая из двух поясов. Для пролетов длиной более 20 м металлоконструкцию приходится усиливать дополнительными опорными элементами, соединенными при помощи опорных колонн.

При необходимости снизить вес готовой металлоконструкции стоит обратить внимание на ферму Полонсо. Она включает в себя две системы треугольной формы, которые соединяются посредством затяжки. Используя такую схему, можно обойтись без крупногабаритных раскосов в средних панелях.

При создании ферм с уклоном около 6-10 градусов для односкатных крыш нужно помнить о том, что готовая конструкция не должна быть симметричной формы.

Расчет металлической фермы

При расчетах необходимо учитывать все требования, предъявляемые к металлоконструкциям государственными стандартами. Чтобы создать максимально эффективную и надежную конструкцию, необходимо на этапе проектирования подготовить качественный чертеж, на котором будут отображены все элементы фермы, их размеры и особенности соединения с опорной конструкцией.

Перед тем, как рассчитать ферму для навеса, стоит определиться с требованиями, предъявляемыми к готовой ферме, а после этого отталкиваться от экономии, избегая лишних затрат. Высота фермы определяется типом перекрытия, общим весом конструкции и возможности ее дальнейшего смещения. Длина металлоконструкции зависит от предполагаемого уклона (для конструкций длиной более 36 м потребуется еще и расчет строительного подъема).

Подбирать панели нужно таким образом, чтобы они могли выдерживать нагрузки, которые будут приходиться на ферму. Раскосы могут иметь разную величину углов, поэтому при выборе панелей нужно учитывать еще и этот параметр. В случае с треугольными решетками угол составляет 45 градусов, а с раскосыми – 35 градусов.

Расчет крыши из профильной трубы заканчивается определением расстояния, на котором будут создаваться узлы относительно друг друга. Как правило, этот показатель равен ширине подобранных панелей. Оптимальный показатель шага опор всей конструкции – 1,7 м.

Выполняя расчет односкатной фермы, нужно понимать, что при повышении высоты конструкции будет возрастать и ее несущая способность. Кроме того, при необходимости стоит дополнить схему фермы несколькими ребрами жесткости, способными усилить конструкцию.

Примеры расчета

Подбирая трубы для металлических ферм, стоит отталкиваться от следующих рекомендаций:

Для обустройства конструкций шириной менее 4,5 м подойдут трубы сечением 40х20 мм с толщиной стенки в 2 мм;
При ширине конструкции от 4,5 до 5,5 м подойдут 40-мм квадратные профильные трубы с 2-мм стенкой;
Для металлоконструкций большего размера подойдут такие же трубы, как и в предыдущем случае, но с 3-мм стенкой, или же трубы сечением 60х30 мм с 2-мм стенкой.

Последним параметром, которому также стоит уделять внимание при расчетах, является стоимость материалов. Во-первых, нужно учитывать стоимость труб (помня при этом, что цена труб определяется их весом, а не длиной). Во-вторых, стоит поинтересоваться стоимостью комплексных работ по изготовлению металлоконструкций.

Виды ферм

Металлические фермы из трубопроката отличаются трудоемкостью в монтаже, но они экономичнее и легче конструкций из сплошных балок. Профилированная труба, которую изготавливают из круглой путем горячей или холодной обработки, в поперечном разрезе имеет вид прямоугольника, квадрата, многогранника, овала, полуовала или плоскоовальную форму. Удобнее всего монтировать фермы из квадратных труб.

Ферма – это металлоконструкция, в состав которой входит верхний и нижний пояс, а также решетка между ними. К элементам решетки относятся :

стойка – располагается перпендикулярно к оси;
раскос (подкос) – устанавливается под наклоном к оси;
шпренгель (вспомогательный подкос).

Конструктивные элементы металлической фермы

Фермы в первую очередь предназначены для перекрытия пролетов. За счет ребер жесткости они не деформируются даже при использовании длинных конструкций на сооружениях с большими пролетами.

Изготовление металлических ферм производится на земле или в производственных условиях. Элементы из профильных труб обычно скрепляются между собой при помощи сварочного аппарата или клепок, могут использоваться косынки, парные материалы. Чтобы смонтировать каркас навеса, козырька, крыши капитальной постройки, готовые фермы поднимают и крепят к верхней обвязке согласно разметке.

Для перекрытия пролетов применяются различные варианты ферм из металла. Конструкция может быть :

односкатной;
двухскатной;
прямой;
арочной.

Треугольные фермы, изготовленные из профильной трубы, используются как стропила, в том числе для монтажа простого односкатного навеса. Металлоконструкции в виде арок пользуются популярностью благодаря эстетичности внешнего вида. Но арочные конструкции требуют максимально точных расчетов, поскольку нагрузка на профиль должна распределяться равномерно.

Треугольная ферма для односкатной конструкции

Особенности конструкций

Выбор конструкции ферм навесов из профильной трубы, козырьков, стропильных систем под кровлей зависит от расчетных эксплуатационных нагрузок. По количеству поясов различаются :

опоры, составные части которой формируют одну плоскость;
подвесные конструкции, в состав которых входит верхний и нижний пояс.

В строительстве можно использовать фермы с различным контуром :

с параллельным поясом (самый простой и экономичный вариант, собирается из идентичных элементов);
односкатные треугольные (каждый опорный узел характеризуется повышенной жесткостью, за счет чего конструкция выдерживает серьезные внешние нагрузки, материалоемкость ферм небольшая);
полигональные (выдерживают нагрузки от тяжелого настила, но сложны в монтаже);
трапецеидальные (схожи по характеристикам с полигональными фермами, но этот вариант более простой по конструкции);
двухскатные треугольные (применяются для устройства крыши с крутыми скатами, характеризуются большой материалоемкостью, при монтаже много отходов);
сегментные (подходят для сооружений со светопрозрачной кровлей из поликарбоната, монтаж усложнен из-за необходимости изготавливать дугообразные элементы с идеальной геометрией для равномерного распределения нагрузок).

Очертания поясов ферм

В соответствии с величиной угла наклона типовые фермы подразделяют на следующие виды :

Основы расчета

Перед тем как рассчитать ферму, необходимо подобрать подходящую конфигурацию крыши, учитывая габариты сооружения, оптимальное количество и угол наклона скатов. Также следует определить, какой контур поясов подойдет для выбранного варианта крыши – при этом принимаются во внимание все эксплуатационные нагрузки на кровлю, включая осадки, ветровую нагрузку, вес людей, производящих работы по обустройству и обслуживанию навеса из профильной трубы или кровли, монтажу и ремонту оборудования на крыше.

Чтобы выполнить расчет фермы из профильной трубы, необходимо определить длину и высоту металлоконструкции. Длина соответствует расстоянию, которое должна перекрывать конструкция, при этом высота зависит от запроектированного угла наклона ската и выбранного контура металлоконструкции.

Расчет навеса в итоге сводится к тому, чтобы определить оптимальные промежутки между узлами фермы. Для этого требуется рассчитать нагрузку на металлоконструкцию, выполнить расчет профильной трубы.

Неправильно рассчитанные каркасы кровли несут угрозу для жизни и здоровья людей, поскольку тонкие или недостаточно жесткие металлоконструкции могут не выдержать нагрузок и разрушиться. Поэтому рекомендуется доверить расчет металлической фермы профессионалам, знакомым со специализированными программами .

Если принято решение выполнить вычисления самостоятельно, необходимо воспользоваться справочными данными, в том числе о сопротивлении трубы на изгиб, руководствоваться СНиП. Правильно рассчитать конструкцию без соответствующих знаний сложно, поэтому рекомендуется найти пример расчета типовой фермы нужной конфигурации и подставить в формулу необходимые значения .

На этапе проектирования составляется чертеж фермы из профильной трубы. Подготовленные чертежи с указанием размеров всех элементов упростят и ускорят изготовление металлоконструкций.

Чертеж с размерами элементов

Рассчитываем ферму из стальной профильной трубы

Определяется размер пролета постройки, который требуется перекрыть, выбирается форма крыши и оптимальный угол наклона ската (или скатов).
Подбираются подходящие контуры поясов металлоконструкции с учетом назначения постройки, формы и размеров крыши, угла наклона, предполагаемых нагрузок.
Рассчитав приблизительные габариты фермы, следует определить, можно ли изготовить металлоконструкции в заводских условиях и доставить их на объект автотранспортом, или сварка ферм из профильной трубы будет выполнена непосредственно на стройплощадке по причине большой длины и высоты конструкций.
Далее требуется рассчитать габариты панелей, основываясь на показателях нагрузок при эксплуатации кровли – постоянных и периодических.
Чтобы определить оптимальную высоту конструкции в середине пролета (Н), используют следующие формулы, где L – длина фермы:
- для параллельных, полигональных и трапецеидальных поясов: Н=1/8×L, при этом уклон верхнего пояса доложен составлять приблизительно 1/8×L или 1/12×L;
- для металлоконструкций треугольной формы: Н=1/4×L либо Н=1/5×L.
Угол установки раскосов решетки составляет от 35° до 50°, рекомендуемое значение 45°.
На следующем этапе следует определить расстояние между узлами (обычно оно соответствует ширине панели). Если длина пролета превышает 36 метров, требуется вычисление строительного подъема – обратно погашаемого изгиба, который воздействует на металлоконструкцию при нагрузках.
На основании измерений и вычислений готовится схема, согласно которой будет вестись изготовление ферм из профильной трубы.

Изготовление конструкции из профильной трубы

Чтобы обеспечить необходимую точность расчетов, используйте строительный калькулятор – подходящую специальную программу. Так вы сможете сопоставить свои и программные расчеты для того, чтобы не допустить большого несоответствия в размерах!

Арочные конструкции: пример расчета

Чтобы сварить ферму для навеса в виде арки, применяя профильную трубу, необходимо правильно рассчитать конструкцию. Рассмотрим принципы расчета на примере предполагаемого сооружения с пролетом между опорными конструкциями (L) 6 метров, шагом между арками 1,05 метра, высотой фермы 1,5 метра – такая арочная ферма выглядит эстетично и способна выдержать высокие нагрузки. Длина стрелы нижнего уровня арочной фермы при этом составляет 1,3 метра (f), а радиус окружности в нижнем поясе будет равен 4,1 метра (r). Величина угла между радиусами: а=105.9776°.

Схема с размерами арочного навеса

Для нижнего пояса длину профиля (mн) рассчитывают по формуле:

mн = π×R×α/180 , где:

mн – длина профиля из нижнего пояса;

π – постоянная величина (3,14);

R – радиус окружности;

α – угол между радиусами.

В результате получаем:

mн = 3,14×4,1×106/180 = 7,58 м

Узлы конструкции располагают в участках нижнего пояса с шагом 55,1 см - допускается округлить значение до 55 см, чтобы упростить сборку конструкции, но увеличивать параметр не следует. Расстояния между крайними участками требуется рассчитать индивидуально.

Если длина пролета составляет менее 6 метров, вместо сварки сложных металлоконструкций можно воспользоваться одинарной или двойной балкой, выполнив сгиб металлического элемента под выбранным радиусом. В этом случае расчет арочных ферм не требуется, но важно правильно подобрать сечение материала, чтобы конструкция выдерживала нагрузки.

Профильная труба для монтажа ферм: требования к расчету

Чтобы готовые конструкции перекрытий, в первую очередь крупногабаритные, выдерживали проверку на прочность на протяжении всего срока эксплуатации, трубопрокат для изготовления ферм подбирается на основании:

СНиП 07-85 (взаимодействие снеговой нагрузки и веса элементов конструкций);
СНиП П-23-81 (о принципах работы со стальными профилированными трубами);
ГОСТ 30245 (соответствие сечения профильных труб и толщины стенок).

Данные из указанных источников позволят ознакомиться с видами профильных труб и выбрать оптимальный вариант с учетом конфигурации сечения и толщины стенок элементов, конструктивных особенностей фермы.

Навес для авто из трубопроката

Фермы рекомендуется изготавливать из трубопроката высокого качества, для арочных конструкций желательно выбрать легированную сталь. Чтобы металлоконструкции были устойчивы к коррозии, сплав должен включать большой процент углерода. Металлоконструкции из легированной стали не нуждаются в дополнительной защитной окраске.

Зная, как сделать решетчатую ферму, можно смонтировать надежный каркас под светопрозрачный навес или кровлю. При этом важно учитывать ряд нюансов.

Самые прочные конструкции монтируются из металлопрофиля с сечением в виде квадрата или прямоугольника за счет наличия двух ребер жесткости.
Основные компоненты металлоконструкции крепятся между собой с использованием спаренных уголков и прихваток.
При стыковке деталей каркаса в верхнем поясе требуется использовать двутавровые разносторонние уголки, при этом соединять следует по меньшей стороне.
Сопряжение частей нижнего пояса крепят с установкой равносторонних уголков.
Стыкуя основные части металлоконструкций большой длины, применяют накладные пластины.

Важно представлять, как сварить ферму из профильной трубы, если металлоконструкцию требуется собрать непосредственно на строительной площадке. Если нет навыков ведения сварочных работ, рекомендуется пригласить сварщика с профессиональным оборудованием.

Сварка элементов фермы

Стойки металлоконструкции монтируют под прямым углом, раскосы – под наклоном в 45°. На первом этапе нарезаем из профильной трубы элементы в соответствии с размерами, указанными на чертеже. Собираем на земле основную конструкцию, проверяем ее геометрию. Затем варим собранный каркас, используя уголки и накладные пластины, где они требуются.

Обязательно проверяем прочность каждого сварного шва . От их качества и точности расположения элементов зависит прочность и надежность сваренных металлоконструкции, их несущая способность. Готовые фермы поднимают наверх и крепят к обвязке, соблюдая шаг установки согласно проекту.

Навесы на металлическом каркасе облегчают быт. Они защитят автомобиль от непогоды, прикроют летнюю веранду, беседку. Заменят крышу мастерской или козырек над подъездом. Обратившись к профессионалам, вы получите какой угодно навес. Но многие и сами справятся с работой по монтажу. Правда, понадобится точный расчет фермы из профильной трубы. Не обойтись и без соответствующего оборудования, материалов. Конечно, также нужны навыки сварки и резки.

Каркасный материал

Основа навесов – сталь, полимеры, дерево, алюминий, железобетон. Но, чаще каркас составляют металлические фермы из профильной трубы. Этот материал полый, сравнительно легкий, но прочный. В разрезе имеет вид:

прямоугольника;
квадрата;
овала (а также полу- и плоскоовальной фигуры);
многогранника.

Сваривая из профильной трубы фермы, чаще выбирают квадратное или прямоугольное сечение. Эти профили легче в обработке.

Разнообразие трубных профилей

Допустимые нагрузки зависят от толщины стенок, марки металла, метода изготовления. Материалом зачастую служат качественные конструкционные стали (1-3пс/сп, 1-2пс(сп)). Для особых нужд используют низколегированные сплавы и оцинковку.

Длина профильных труб обычно составляет от 6 м на малых сечениях до 12 м – на больших. Минимальные параметры от 10×10×1 мм и 15×15×1,5 мм. С увеличением толщины стенок прочность профилей возрастает. Например, на сечениях 50×50×1,5 мм, 100×100×3 мм и свыше. Изделия максимальных размеров (300×300×12 мм и более) применимы скорее для промышленных сооружений.

Что касается параметров элементов каркасов, есть следующие рекомендации:

для малогабаритных навесов (до 4,5 м шириной) применяется трубный материал сечением 40×20×2 мм;
если ширина до 5,5 м, рекомендованы параметры 40×40×2 мм;
для навесов более значительных размеров советуют брать трубы 40×40×3 мм, 60×30×2 мм.

Что такое ферма

Фермой называют стержневую систему, основу строительной конструкции. Состоит она из прямолинейных элементов, соединяемых в узлах. Например, рассматривается конструкция фермы из профильной трубы, в которой отсутствует расцентровка стержней и нет внеузловых нагрузок. Тогда в ее составных частях возникнут лишь усилия растяжения и сжатия. Механика этой системы позволяет ей сохранять геометрическую неизменность при замене жестко крепящихся узлов на шарнирные.

Ферма состоит из следующих элементов:

верхний пояс;
нижний пояс;
стойка, перпендикулярная к оси;
подкос (или раскос), наклонный к оси;
вспомогательный опорный раскос (шпренгель).

Система решетки быть треугольной, раскосной, полураскосной, крестовой. Для соединения используются косынки, парные материалы, клепки, сварные швы.

Варианты крепления в узлах

Изготовление ферм из профильной трубы подразумевает сборку пояса с определенными очертаниями. По типу они бывают:

сегментные;
полигональные;
двускатные (или трапецеидальные);
с параллельными поясами;
треугольные (д-и);
с поднятым ломаным нижним поясом;
односкатные;
консоль.

Одни системы проще в монтаже, другие экономичнее по расходу материалов, третьи легче по устройству опорных узлов.

Основы расчета фермы

Влияние угла наклона

Выбор конструкции ферм навесов из профильной трубы связан с уклоном проектируемого сооружения. Есть три возможных варианта:

от 6°до 15°;
от 15° до 22°;
от 22° до 35°.

При минимальном угле (6°-15°) рекомендуются трапециевидные очертания поясов. Для снижения веса допускается высота в 1/7 либо 1/9 общей длины пролета. Проектируя пологий навес сложной геометрической формы, надо приподнять его в средней части над опорами. Воспользуйтесь фермами Полонсо, рекомендуемыми многими специалистами. Они представляют собой систему из двух соединенных затяжкой треугольников. Если нужно высокое сооружение, лучше выбрать многоугольную конструкцию с приподнятым нижним поясом.

Когда угол уклона превышает 20°, высота должна составлять 1/7 часть от общей длины пролета. Последний достигать 20 м. Для повышения конструкции нижний пояс делается ломаным. Тогда увеличение составит до 0,23 длины пролета. Для вычисления нужных параметров пользуются табличными данными.

Таблица определения уклона стропильной системы

При уклоне свыше 22° расчеты ведутся по специальным программам. Навесы такого рода чаще используются для кровли из шифера, металла и подобных материалов. Здесь применяют треугольные фермы из профильной трубы при их высоте в 1/5 от всей длины пролета.

Чем больше угол наклона, тем меньше на навесе будет скапливаться осадков, тяжелого снега. Несущая способность системы возрастает с повышением ее высоты. Для дополнительной прочности предусматривают добавочные ребра жесткости.

Параметры базовых углов

Чтобы понять, как рассчитать ферму из профильной трубы, обязательно выяснить параметры базовых узлов. Например, размеры пролета обычно должны быть указаны в техническом задании. Число панелей, их габариты назначаются предварительно. Вычислим оптимальную высоту (Н) в середине пролета.

Если пояса параллельные, полигональные, трапецеидальные, Н=1/8×L, где L – длина фермы. Верхний пояс должен иметь уклон около 1/8×L либо 1/12×L.
Для треугольного типа, в среднем, Н=1/4×L или Н=1/5×L.

Раскосы решетки должны иметь наклон примерно 45° (в пределах 35°-50°).

Воспользуйтесь готовым типовым проектом, тогда не придется делать расчет

Чтобы навес был надежным и долго прослужил, его проект требует точных вычислений. Уже после расчета закупаются материалы, в дальнейшем монтируется каркас. Есть более затратный путь – приобрести готовые модули и собрать сооружение на месте. Другой вариант сложнее – заняться подсчетами самостоятельно. Тогда понадобятся данные из спецсправочников по СНиП 2.01.07-85 (воздействия, нагрузки), а также СНиП П-23-81 (данные по стальным конструкциям). Нужно сделать следующее.

Определиться со схемой блоков в соответствии с функциями навеса, углом наклона, материалом стержней.
Выбрать параметры. Учесть зависимость между высотой и минимальным весом кровли, ее материалом и типом, уклоном.
Рассчитать панельные размеры сооружения согласно удаленности отдельных частей, ответственных за передачу нагрузок. Определяется расстояние между соседними узлами, обычно равное ширине панели. Если размер пролета свыше 36 м, вычисляется строительный подъем – обратный погашаемый изгиб, воздействующий из-за нагрузок на конструкцию.

Среди способов расчета статически определимых ферм одним из простейших считается вырезание узлов (участков, где стержни соединены шарнирно). Другие варианты – метод Риттера, метод замены стержней Геннеберга. А также графическое решение путем составления диаграммы Максвелла-Кремоны. В современных компьютерных программах чаще применяется метод вырезания узлов.

Для человека, владеющего знаниями по механике и сопромату высчитать все это не так сложно. Остальным же стоит учесть, что от точности расчетов и величины погрешностей зависит срок службы и безопасность навеса. Возможно, лучше обратиться к специалистам. Или выбрать вариант из готовых проектных решений, куда просто подставить свои значения. Когда понятно, какого вида нужна стропильная ферма из профильной трубы, чертеж для нее наверняка найдется в интернете.

Значимые факторы выбора участка

Если навес относится к дому или другому зданию, на него потребоваться официальное разрешение, о чем тоже придется позаботиться.

Сначала выбирается участок, где будет располагаться сооружение. Что при этом учитывается?

Постоянные нагрузки (фиксированный вес обрешетки, кровли и прочих материалов).
Переменные нагрузки (воздействия климатических факторов: ветер, осадки, в том числе снег).
Особый тип нагрузок (есть ли сейсмическая активность в регионе, штормы, ураганы и подобное).

Также важны характеристики грунта, влияния стоящих рядом зданий. Проектировщик должен учесть все значимые факторы и уточняющие коэффициенты, которые вносятся в алгоритм расчета. Если планируется провести вычисления своими силами, воспользуйтесь программами 3D Max, Аркон, Автокад или подобными. Есть вариант расчета в онлайн-версиях строительных калькуляторов. Обязательно выяснить для намеченного проекта рекомендуемый шаг между несущими опорами, обрешеткой. А также параметры материалов и их количество.

Пример программного расчета для навеса, крытого поликарбонатом

Последовательность работ

Сборку каркаса из металлических профилей должен проводить только специалист по сварочным работам. Это ответственное дело требует знаний и умелого обращения с инструментом. Надо не только понимать, как сварить ферму из профильной трубы. Важно, какие узлы правильнее собрать на земле, и лишь потом поднимать на опоры. Если сооружение тяжелое, для монтажа потребоваться техника.

Обычно процесс монтажа проходит в такой последовательности:

Выполняется разметка участка. Устанавливаются закладные детали, вертикальные опоры. Нередко в ямы сразу помещают металлические трубы, а потом бетонируют. Вертикальность установки проверяется отвесом. Для контроля параллельности натягивается шнур или нить между крайними стойками, остальные выставляются по полученной линии.
Продольные трубы сваркой фиксируют к опорам.
На земле сваривают узлы и элементы ферм. С помощью раскосов и перемычек соединяют пояса конструкции. Потом блоки следует поднять на нужную высоту. Их приваривают к продольным трубам по участкам размещения вертикальных опор. Между фермами по скату вваривают продольные перемычки для дальнейшего крепления кровельного материала. В них проделывают отверстия под крепеж.
Тщательно зачищаются все соединительные участки. Особенно верхние грани каркаса, куда в дальнейшем ляжет кровля. Поверхность профилей очищается, обезжиривается, обрабатывается грунтовкой и окрашивается.

Воспользовавшись готовым проектом, вы быстрее приступите к сборке навеса

Специалисты советуют выполнять столь ответственные работы только при наличии соответствующего опыта. Мало знать в теории, как правильно сварить ферму из профильной трубы. Сделав что-то неправильно, проигнорировав нюансы, домашний мастер рискует. Навес сложится и рухнет. Пострадает все, что под ним будет – авто или люди. Поэтому возьмите знания на вооружение!