Классификация ферм. Особенности расчета крышных ферм

Программы для расчёта навеса на Windows

Простые программы, которые помогают в расчёте веса конструкций из металлического профиля:

Metcalc

Онлайн-калькулятор Metcalc с бесплатным доступом для расчёта массы металлических изделий. Для работы в нём достаточно задать основные технические параметры (длину и сортамент, габариты и толщину стенок профиля).

Калькулятор металла ©

В программу заложены все существующие ГОСТы, она выдаёт стабильно точные результаты. Также она умеет делать обратные расчёты, то есть при указании массы и типоразмера выдаёт длину проката.

«»

Программа отличается от предыдущих тем, что позволяет производить расчёт материалов для арочных конструкций. Программа предельно проста в использовании. Нужно задать основные параметры арки (ширина, длина и высота) и нажать «рассчитать».

После этого пользователь получает общую длину изгиба и полную площадь навеса. Минус калькулятора – отсутствие в расчётах радиуса изгиба.

Программа для расчётов арочного навеса

Программа «Сопромат», которая умеет выполнять полноценные расчёты металлоконструкций. Софт бесплатный и подходит для вычисления параметров статически неопределённых рам, балок и ферм. Для расчётов она использует метод конечных элементов.

Сервис подойдёт практикующим строителям-инженерам и студентам для создания курсовых и дипломных работ.

Функционал программы достаточно широкий и включает:

• расчёт реакции у опор;
• определение перемещений в узлах;
• строительство эпюр (Q, M, P);
• сохранение чертежей и эскизов в разных форматах;
• экспорт созданных файлов в DXF чертежах.

Программа-конструктор для проектирования навесов

Sopromatguru

Функционал этой программы Sopromatguru частично доступен бесплатно. Возможностей этого сервиса хватает даже для инженеров. Он умеет рассчитывать статически определимые системы, определять перемещения в узлах, рассчитывать реакции опор, реакции эпюры и сохранять ссылку на результаты расчётов.

Пока программа используется для расчёта горизонтальных балок, но, по заверениям разработчиков, скоро в ней будет доступен расчёт ферм.

Стоимость программы можно назвать символической. Платить нужно за каждый произведённый расчёт. У сайта приятный интуитивно понятный интерфейс, что облегчает рабочий процесс.

Стартовая страница «Сопроматгуру»

«Ферма»

Полностью бесплатная десктоп-программа. Умеет рассчитывать плоские статически определённые и неопределённые фермы, сохранять полученные результаты.

Скачать программу можете по ссылке.

Проект начинается с задания геометрических параметров фермы, в которые входят размеры стержней, точки присоединения и положение раскосов, возможные нагрузки и высоты.

Программа в расчётах использует метод вырезания узлов, что позволяет с высокой точностью определять реакции опор и усилия в стержнях.

Программа для расчёта навеса из профильной трубы

SCAD Office

Программный комплекс SCAD office с большим количеством функций, созданный специально для профессионалов. В его состав включено несколько утилит, которые умеют вычислять параметры отдельных элементов стальных, деревянных и даже каменных конструкций.

С их помощью можно проектировать монолитные железобетонные перекрытия, строить сечения и рассчитывать коэффициенты постели строения и многое другое. Программа платная, как и большинство профессионального софта.

В России и СНГ среди инженеров наиболее известна программа «ПК Лира», используемая для определения расчётов параметров строительных конструкций из материалов разного типа.

Что такое ферма: конструктивные особенности

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.

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:

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.

Как рассчитать фермы для навеса своими руками?

Для того чтобы произвести расчет подобной конструкции для навеса, понадобится подготовить:

• Калькулятор и специальное программное обеспечение;
• СНиП и СНиП П-23-81.

При проведении расчетов надо будет выполнить следующие действия:

1. Прежде всего понадобится выбрать схему фермы. Для этого определяются будущие контуры. Очертания нужно выбирать исходя из основных функций навеса, материала и других параметров;
2. После этого надо будет определить габариты изготавливаемой конструкции. Высота будет зависеть от типа кровли и используемого материала, веса и других параметров;
3. Если размеры пролета превышают 36 м, понадобится произвести расчет для строительного подъема. В данном случае имеется ввиду обратный погашаемый изгиб от нагрузок на ферму;
4. Необходимо определить размеры панелей сооружения, которые должны соответствовать расстояниям между отдельными элементами, которые обеспечивают передачу нагрузок;
5. На следующем этапе определяется расстояние между узлами, которое чаще всего равняется ширине панели.

При произведении расчетов следуйте таким советам:

1. Понадобится все значения высчитать в точности. Следует знать, что даже малейший недочет приведет к ошибкам в процессе произведения всех работ по изготовлению конструкции. Если нет уверенности в собственных силах, то рекомендуется сразу же обратиться к профессионалам, которые имеют опыт в проведении подобных расчетов;
2. Для облегчения работы можно использовать готовые проекты, в которые останется лишь подставить имеющиеся значения.

Для сооружения фермы лучше всего использовать трубу из железа, которая имеет небольшой вес, высокую прочность и жесткость. В процессе определения размеров для подобного элемента понадобится учитывать следующие данные:

1. Для конструкций небольших размеров, ширина которых составляет до 4,5 м, понадобится использовать трубу из металла 40х20х2 мм;
2. Для конструкций, ширина которых составляет менее 5,5 м, нужно использовать трубу с размерами 40х40х2 мм;
3. Если ширина фермы составит более 5,5 м, лучше всего применить трубу 60х30х2 мм или 40х40х3 мм.

В процессе планирования шага ферм следует учитывать, что максимально возможное расстояние между трубами навеса составляет 1,7 м. Только в таком случае можно будет сберечь надежность и прочность конструкции.

Пример расчета ферм для навеса

1. В качестве примера будет рассмотрен навес шириной 9 м уклоном в 8°. Пролет сооружения составляет 4,7 м. Нагрузки снега для региона находятся на уровне 84 кг/м2;
2. Вес фермы составляет приблизительно 150 кг (следует взять маленький запас на прочность). Вертикальная нагрузка составляет 1,1 т на стойку с высотой 2,2 м;
3. Одним концом ферма будет опираться на стенку постройки из кирпича, а вторым — на колонну для опоры навеса с помощью анкерных болтов. Для изготовления фермы используется квадратная труба 45х4 мм. Следует заметить, что с подобным приспособлением достаточно удобно работать;
4. Лучше всего изготавливать фермы с параллельными поясами. Высота каждого из элементов составляет 40 см. Для раскосов используется труба сечением 25х3 мм. Для нижнего и верхнего пояса применяется труба 35х4 мм. Козырьки и другие элементы нужно будет сварить друг с другом, потому толщина стенки будет 4 мм.

В конечном итоге можно будет получить следующие данные:

• Расчетное сопротивление для стали: Ry = 2,45 T/см2;
• Коэффициент надежности — 1;
• Пролет для фермы — 4,7 м;
• Высота фермы — 0,4 м;
• Число панелей для верхнего пояса конструкции — 7;
• Углы нужно будет варить через один.

Все нужные данные для расчетов можно будет найти в специальных справочниках. Однако профессионалы рекомендуют производить расчеты подобного типа с помощью использования программного обеспечения. Если будет допущена ошибка, то изготавливаемые фермы сложатся под воздействием нагрузок снега и ветра.

Строение фермы

Типовые конструкции состоят из следующих узлов:

• У каждой структуры имеется верхняя и нижняя поверхность. Их называют верхним и нижним поясами.
• Эти поверхности укреплены решётками, которые связывают их друг с другом.
• Перпендикулярно поясам предусмотрены рёбра жёсткости, называющиеся стойками.
• Раскосы – это рёбра жёсткости, которые расположены под углом к поверхности. Они придают конструкции жёсткость.
• Шпренгеля – это специальные виды раскосов, которые играют вспомогательную роль.

С большим пролётомИсточник

Точку, в которой сходятся два или большее количество рёбер, называют узлом. Панелью называют расстояние между соседними узлами. Пролёт представляет собой расстояние между опорами конструкции.

Считается, что чем больше решёток установлено здесь, то тем более высокая у неё прочность.

Большое значение имеет то, по какой схеме расположены внутренние решётки. При этом стремятся найти компромисс между экономией металла, потраченного на детали конструкции и прочностью структуры.

Для внутреннего устройства металлической фермы применяется несколько видов конструкций:

• Одним из распространённых стандартных вариантов является треугольное расположение решёток. Однако этот вариант имеет относительно небольшую прочность. Её достоинством является наиболее экономное расходование металлических стержней.

Треугольное расположениеИсточник

• Шпренгельную схему рационально использовать в тех случаях, когда максимальная нагрузка приходится на верхнюю арку. В ней решётки располагаются таким образом, чтобы под её воздействием не было нарушено основание, существующее между прогонами.
• Раскосная схема расположения решёток применяется при нагрузке, действующей примерно в равной мере на оба прогона.
• Крестовое расположение эффективно тогда, когда нагрузка действует не только в вертикальном, но и в нескольких косых направлениях.
• Некоторые виды делают из тавров. В таких случаях наиболее часто используют перекрёстную систему расположения решёток.
• Полураскосное и ромбическое расположение деталей применяется для установки ферм, имеющих вертикальную ориентацию. Примерами таких конструкций являются мачты. Их также используются для устройства мостов.

Применяются фермы, предназначенные для устройства кровли, в их число входят прямые, односкатные и двухскатные металлические конструкции.

Двускатная фермаИсточник

Они обладают высокой прочностью. При их эксплуатации надо учитывать, что они не деформируются даже на больших пролётах.

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:

1. 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.
2. Продольные трубы сваркой фиксируют к опорам.
3. 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.
4. 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!

Выбор схемы фермы

Обычно форма фермы выбирается еще на стадии проектирования дома. Во время решения этого вопроса учитывают:

• уклон крыши;
• способ соединения отдельных элементов конструкции;
• используемый покрывной кровельный материал;
• наличие или отсутствие в доме потолочного перекрытия между этажом и чердачным пространством.

Так, если выполняется строительство постройки с плоской кровлей, которая будет отделываться легкими рулонными материалами, тогда чаще создают или монтируют заводские прямоугольные или трапециевидные конструкции. Треугольная ферма в нужном количестве устанавливается, когда необходимо возвести крышу с крутыми скатами. При этом для ее покрытия можно будет использовать тяжелые покрывные материалы.

Фермы, у которых треугольная форма, используются для крутых крыш

Важно! Высота прямоугольной фермы определяется по формуле 1/6*L, В ней L – это длина изделия. При вычислении этого же параметра у конструкции с треугольной формой используют 1/5*L.

Треугольные изделия очень часто применяются при возведении частных жилых построек. Такие фермы позволяют построить скатные крыши. При этом они могут иметь различные углы наклона.

На заметку! Ферма будет обладать максимальной надежностью, если ее нижний и верхний пояс укрепить дополнительными связями. Для этого используют доски, которые закрепляются в одной плоскости со средним опорным элементом.

Сделать самому или заказать

Фермы для навеса над машиной или кровли беседки имеют небольшие размеры и простую конструкцию – чаше всего треугольную с несколькими подкосами и стойками. Выполнить такую конструкцию можно и самостоятельно, если у Вас имеются хотя бы начальные навыки сварщика и Вы не боитесь осваивать новые работы.

Но изготовление ферм требует аккуратности, наличия помощника, очень ровного участка в усадьбе – для раскладки и сварки конструкций, наличия сварочного аппарата и времени. Можно заказать готовые конструкции на заводе или строительной фирме, а смонтировать самому.

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.

Как сварить фермы из профильной трубы

Как только опоры будут готовы, к стойкам приваривают продольно расположенные трубы. Их крепят для надежной сцепки элементов. Они придают всему сооружению устойчивости.

Когда основа готова наступает время крепления к ней фермы из профильной трубы. Заранее подготовленную конфигурацию с решетками поднимают и устанавливают сверху. Сразу же нужно проверять правильность сборки, в том числе и раскосы. Все углы должны находиться на своих местах и плотно прилегать к основанию. Когда все размеры и расположение конструкции проверено, металлические элементы привариваются друг к другу. Не стоит забывать про прихватки.

В конечном итоге необходимо зачистить все соединительные места, где был применен сварочный аппарат, и аккуратно покрасить все части металлоконструкции.

Как результат, правильные расчеты, качественные материалы и внимательная сварочная работа позволяет создать идеальное перекрытие.

Видео с объяснением процесса сварки конструкции:

Спаренные фермы

Такие системы на стойки и коробки часто монтируют тогда, когда длина пролета превышает 10-12 м. Цельная ферма данном случае будет весить очень много. А это в свою очередь вызовет трудности с ее транспортировкой и установкой на коробку. Поэтому для широких пролетов систему сначала разделяют на два фрагмента, а затем наверху соединяют затяжками и сваркой.

При проектировании и расчете парных ферм следует, помимо всего прочего, учитывать тот факт, что обе их части должны быть абсолютно идентичными. То есть половины не должны делиться на левую и правую. В противном случае при монтаже ферм на коробке здания может возникнуть путаница.

При сборке таких двойных конструкций наверху желательно использовать, помимо сварки, как можно больше болтовых соединений. В этом случае узлы получатся наиболее прочными.

Правила сварочных работ при монтаже фермы

При наличии сварочного оборудования и опыта работы с ним, изготовление стропильной системы или боковых усиливающих элементов для каркасного строения хоть и займет немало времени, но большого труда не составит. Кроме того, по сравнению с конструкцией, собранной при помощи фасонных элементов или уголков в сочетании с болтами, сварная прочнее и легче.

Однако необходимо соблюдать правила выполнения сварочных работ:

1. Сначала нарезают все элементы будущей фермы в соответствии с чертежами и расчетами, и только после этого приступают к сборке.
2. Нарезанные трубы очищают от пыли и мусора, срезы выравнивают и убирают крупные заусенцы.
3. Перед началом работ нужно позаботиться о пожарной безопасности рабочего места: приготовить средства пожаротушения, убрать легковоспламеняемые предметы и горючие вещества.
4. Нельзя использовать сварочный аппарат без средств защиты: маски или очков, перчаток и одежды из негорючих материалов.
5. Так как для возведения даже небольшого козырька или навеса нужны минимум две одинаковых фермы, следует продумать, как добиться их полной идентичности. Есть два способа: изготовление шаблона и нанесение разметки. В качестве шаблона может выступать первая из сваренных конструкций, а разметку можно нанести на земле, асфальте, полу мастерской. После выполнения каждого сварного шва конструкцию прикладывают к шаблону или разметке и сверяют правильность выполнения соединения.
6. Готовое изделие не должно иметь перекосов, поэтому в ходе работ взаимное расположение элементов постоянно контролируют при помощи угольника, уровня и отвеса.
7. Если после выполнения стыковки элементов обнаружены перекосы, зазоры или иные недочеты, их необходимо исправить сразу, так как сделать это после установки фермы на место эксплуатации будет сложно.
8. Готовые фермы складывают стопкой друг на друга и проверяют на идентичность.