Металлические фермы: виды, расчёт и области применения

Металлическая ферма позволяет перекрыть большой пролёт без промежуточных опор и при этом потратить заметно меньше стали, чем на сплошную балку. Но от выбора схемы, сечений и узлов зависит, будет ли конструкция экономичной и надёжной или превратится в дорогой и капризный элемент здания. Разберём, какие бывают фермы, как их рассчитывают и где каждая разновидность работает лучше всего.

Что такое ферма и почему она экономичнее балки

Ферма — это решётчатая стержневая система, в которой нагрузка передаётся через узлы, а стержни работают преимущественно на растяжение или сжатие. В сплошной балке значительная часть металла в стенке около нейтральной оси почти не нагружена. В ферме этот «лишний» металл убран, а материал сосредоточен в поясах, которые и воспринимают изгибающий момент в виде пары продольных сил.

Основные элементы фермы:

• верхний пояс — как правило, сжат, на него опираются прогоны или настил;
• нижний пояс — как правило, растянут;
• раскосы — наклонные стержни решётки, передающие поперечную силу;
• стойки — вертикальные стержни, уменьшающие расчётную длину поясов и передающие местные нагрузки;
• узлы — места соединения стержней, обычно через фасонки или напрямую (в трубчатых и гнутых профилях).

Практический эффект: при пролёте 24 м ферма из парных уголков или гнутосварных профилей весит условно в 1,5–2 раза меньше прокатной двутавровой балки, рассчитанной на ту же нагрузку. Чем больше пролёт, тем выгоднее решётчатое решение.

Виды ферм по очертанию поясов

Форма фермы определяется назначением здания, уклоном кровли и требованиями к внутреннему пространству.

Треугольные

Классика скатных кровель с уклоном от 1:4 и круче. Хорошо подходят для складов и сельскохозяйственных построек с кровлей из профлиста или металлочерепицы. Недостаток — острый опорный узел, где сходятся пояса под малым углом: его сложно конструировать, а усилия в поясах у опор максимальны.

Трапециевидные

Пояса имеют разный уклон, высота на опоре меньше, чем в середине. Хороший компромисс для промышленных зданий: удобно крепить к колоннам жёстко, уклон кровли небольшой, усилия распределяются ровнее, чем в треугольной схеме.

С параллельными поясами

Самый технологичный вариант. Все стержни решётки одинаковой длины, узлы однотипны, что упрощает изготовление и снижает стоимость. Применяются в плоских кровлях, перекрытиях, эстакадах, мостовых переходах. Именно такие фермы чаще всего заказывают для торговых и логистических объектов.

Полигональные и сегментные

Верхний пояс повторяет очертание эпюры моментов, поэтому усилия в поясах почти постоянны по длине. Это даёт минимальный расход металла на больших пролётах (36 м и больше), но требует более сложного изготовления: перегибы пояса, разные длины раскосов, индивидуальные узлы.

Виды решётки

Решётка влияет на число узлов, трудоёмкость и на то, как ферма воспринимает местные нагрузки.

1. Треугольная — раскосы образуют череду треугольников без стоек или с дополнительными стойками. Минимум элементов, минимальная суммарная длина решётки.
2. Раскосная — раскосы направлены в одну сторону, в каждой панели есть стойка. Удобна, когда раскосы нужно сделать растянутыми, а короткие стойки — сжатыми.
3. Шпренгельная — в крупные панели вводятся дополнительные стержни, чтобы уменьшить расчётную длину верхнего пояса и передать нагрузку от прогонов в узлы. Используется на больших пролётах.
4. Крестовая — применяется в связевых фермах и при знакопеременных нагрузках (ветер, кран).
5. Ромбическая и полураскосная — для высоких ферм и вертикальных связей, где важна жёсткость при небольших сечениях.

Хорошее правило: решётку проектируют так, чтобы нагрузка от прогонов приходилась точно в узлы верхнего пояса. Если прогон стоит посреди панели, пояс начинает работать на изгиб, и сечение приходится увеличивать.

Профили для поясов и решётки

Выбор профиля — это баланс между весом, стоимостью изготовления и удобством монтажа.

• Парные уголки — традиционное решение с фасонками. Легко подбирать сечения, но много сварки, есть щели между уголками, которые сложно защищать от коррозии.
• Тавры (разрезанные двутавры) — для поясов: стенка тавра служит фасонкой, раскосы привариваются прямо к ней.
• Гнутосварные замкнутые профили (квадратные и прямоугольные трубы) — сейчас наиболее популярны. Бесфасоночные узлы, гладкие поверхности, удобная окраска, высокая устойчивость сжатых стержней.
• Круглые трубы — лучший показатель по устойчивости и аэродинамике, применяются в пространственных структурах и открытых сооружениях, но требуют фигурной резки торцов.
• Широкополочные двутавры — для тяжёлых ферм с большими усилиями, например под краны или технологическое оборудование.

Как рассчитывают металлическую ферму

Расчёт выполняется по действующим нормам проектирования стальных конструкций (СП 16.13330 «Стальные конструкции») и норм нагрузок и воздействий. Последовательность выглядит так.

1. Сбор нагрузок

Учитываются:

• постоянные — собственный вес фермы, кровельного пирога, прогонов, связей, подвесных инженерных систем;
• снеговые — по району строительства, с учётом снеговых мешков у перепадов высот и парапетов;
• ветровые — особенно важны для лёгких кровель, где возможен отрыв (отрицательное давление);
• технологические — подвесные кран-балки, трубопроводы, вентиляционные установки;
• особые — сейсмика, аварийные воздействия, если это требуется заданием.

2. Выбор расчётной схемы

Классическое допущение — шарнирные узлы и нагрузка, приложенная только в узлах. Тогда в стержнях возникают только продольные силы. Сегодня расчёт обычно ведут в программных комплексах с пространственной моделью, где узлы могут быть жёсткими, а нагрузка — распределённой. Но ручная проверка по шарнирной схеме остаётся хорошим способом контроля результата.

3. Определение усилий

Для простой фермы применяют метод вырезания узлов или метод сечений. Условный пример: ферма с параллельными поясами пролётом 18 м, высотой 1,8 м, нагрузка в узлах по 30 кН с шагом 3 м. Максимальный момент в середине пролёта для такой схемы составляет около 270 кН·м, усилие в поясе равно моменту, делённому на высоту фермы: 270 / 1,8 = 150 кН. Верхний пояс в середине сжат на 150 кН, нижний растянут на ту же величину. Опорный раскос воспринимает поперечную силу около 75 кН, делённую на синус угла наклона.

4. Подбор сечений

• растянутые элементы проверяют на прочность по площади нетто;
• сжатые — на устойчивость с учётом расчётной длины в плоскости и из плоскости фермы;
• проверяют предельную гибкость: для сжатых поясов и опорных раскосов она жёстче, чем для элементов решётки;
• для поясов, на которые прогон опирается вне узла, добавляется проверка на сжатие с изгибом.

5. Проверка прогиба

Прогиб фермы ограничивают по эстетико-психологическим и технологическим требованиям. Для ферм больших пролётов часто задают строительный подъём — ферму изготавливают с выгибом вверх, чтобы под нагрузкой нижний пояс выровнялся.

6. Расчёт узлов

Узлы — самое уязвимое место. Проверяют длину и катеты сварных швов, прочность фасонок, а в трубчатых узлах — продавливание стенки пояса, местную устойчивость и несущую способность боковых стенок.

Совет практика: высоту фермы с параллельными поясами удобно принимать в пределах 1/8–1/12 пролёта. Слишком низкая ферма даёт большие усилия в поясах и прогибы, слишком высокая — увеличивает длину решётки, площадь окраски и затраты на транспорт.

Связи и устойчивость покрытия

Отдельная ферма из своей плоскости крайне гибкая. Устойчивость обеспечивает система связей:

• горизонтальные связи по верхним поясам — создают жёсткий диск покрытия, раскрепляют сжатый пояс;
• горизонтальные связи по нижним поясам — нужны при кранах, больших ветровых нагрузках и для раскрепления растянутого пояса при отрицательном ветровом давлении;
• вертикальные связи между фермами — в торцах блоков и в середине пролёта;
• распорки — передают усилия от связевых блоков на остальные фермы.

На одном из объектов заказчик решил сэкономить и убрал часть распорок по нижним поясам, «раз пояс растянут». При шквальном ветре кровля получила отсос, нижний пояс оказался сжатым и потерял устойчивость из плоскости на одной ферме. Восстановление обошлось дороже, чем вся сэкономленная сталь на связях.

Области применения

Фермы используют там, где нужно перекрыть пролёт от 12 м и более или создать лёгкую пространственную конструкцию.

1. Промышленные цеха — фермы покрытия под кровлю, подстропильные фермы, позволяющие увеличить шаг колонн.
2. Склады и логистические центры — фермы с параллельными поясами из гнутосварных профилей, удобные для подвеса освещения и спринклеров.
3. Спортивные и торговые объекты — большепролётные полигональные или пространственные фермы.
4. Сельскохозяйственные здания — треугольные фермы лёгких типов, часто из труб малого сечения.
5. Мосты и пешеходные переходы — фермы с параллельными поясами, где ферма одновременно служит ограждением.
6. Опоры ЛЭП, мачты, башни — пространственные решётчатые конструкции.
7. Эстакады и галереи — для трубопроводов и конвейеров, где ферма перекрывает пролёт между опорами.
8. Рекламные и навесные конструкции — каркасы билбордов, навесы над АЗС, козырьки.

Изготовление, транспорт и монтаж

Ферма должна быть не только рассчитана, но и собрана. На стадии КМД конструктор определяет отправочные марки, монтажные стыки и порядок сборки.

• Габарит перевозки обычно ограничивает высоту фермы около 3,8 м с учётом прицепа, а длину — возможностями транспорта. Большие фермы делят на отправочные марки со стыками на болтах или под монтажную сварку.
• Укрупнительную сборку выполняют на площадке на стенде или выровненном основании, контролируя геометрию.
• При подъёме фермы её нижний пояс может временно оказаться сжатым — монтажную схему строповки проверяют расчётом.
• Первую ферму устанавливают с временными расчалками, вторую — сразу соединяют с первой связями и прогонами, образуя жёсткий блок.

Типичные ошибки при заказе и проектировании ферм

• Не учтены снеговые мешки у парапетов и перепадов высот — самая частая причина перегруза.
• Прогоны опираются между узлами, а пояс не проверен на изгиб.
• Отсутствует строительный подъём на пролётах свыше 30 м, и кровля в середине образует «чашу» с застоем воды.
• Не продуманы отправочные марки: ферма рассчитана целиком, а везти её невозможно.
• В трубчатых узлах не проверено продавливание стенки пояса.
• Не заложены места крепления инженерных систем, и монтажники потом варят кронштейны прямо к поясам без согласования.
• Выбрана сталь без учёта климатического района — для холодных регионов нужны стали с гарантированной ударной вязкостью.

Условный пример выбора решения

Задача: склад 24 × 60 м, плоская кровля с уклоном за счёт поясов, снег средней полосы, подвесные светильники.

Даже с учётом более сложного изготовления ферма в этом условном примере экономит около четверти бюджета на несущих конструкциях покрытия, а меньший вес снижает нагрузку на колонны и фундаменты.

Итоги

• Ферма — наиболее экономичный способ перекрыть средние и большие пролёты: металл работает на растяжение и сжатие, а не на изгиб.
• Очертание выбирают по кровле и пролёту: треугольные — для скатных крыш, параллельные пояса — для плоских кровель и унификации, полигональные — для очень больших пролётов.
• Расчёт включает полный сбор нагрузок, определение усилий, подбор сечений с проверкой устойчивости, прогибов и, главное, узлов.
• Устойчивость покрытия обеспечивают связи — экономить на них нельзя.
• Уже на стадии проектирования нужно думать о транспорте, отправочных марках и монтаже, иначе удачная на бумаге ферма станет проблемой на площадке.