Як зробити розрахунок ферми та вибрати найбільш надійну конструкцію: рекомендації та приклади
Перед тим як зробити розрахунок ферми для навісу та даху, потрібно врахувати її різновиди, переваги та недоліки кожного типу. Розкажемо про те, які дії необхідно вжити для того, щоб провести встановлення, яку конструкцію ферми краще вибрати і як розрахувати необхідні показники, спираючись на технічні характеристики.
Особливості використання металевих ферм
Під час будівництва часто використовуються ферми різних видів. Довгий час їх робили з дерев'яних брусів та дощок. Однак металеві конструкції мають перед ними суттєві переваги:
- Якщо мають місце механічні навантаження, це не призводить до деформації.
- Через те, що металеві ферми порожнисті, вони мають відносно невелику вагу.
- Той, хто будує житловий будинок, може дозволити собі купити таку конструкцію.
- Використання металевих елементів дає можливість створювати ферми, що мають складну конфігурацію. У цьому немає втрати міцності.
- На відміну від дерев'яних конструкцій, металеві не є пожежонебезпечними.
- Немає небезпеки – постраждати від грибка чи комах.
Металеві ферми є міцними, надійними та довговічними. Вони менш потужні проти дерев'яними конструкціями. Але при цьому здатні витримувати більші навантаження.
Різновиди ферм
Використання таких конструкцій поширене. При цьому для різних цілей використовуються різні типи металевих ферм.
Зазвичай використовуються такі типи таких конструкцій:
- Паралельні є найпростішими з погляду їхнього пристрою. Вони складаються з кількох однакових деталей.
- Арочні конструкції мають типову будову. Вони складаються з внутрішньої та зовнішньої арочних поверхонь, з'єднаних між собою за допомогою великої кількості ребер жорсткості. Такі конструкції можуть мати різний радіус арки.
- Трикутні металеві системи іноді являють собою односхилий металеву конструкцію. Вони, наприклад, можуть застосовуватися для пристрою односхилого даху. Застосовуються також трикутні двосхилі варіанти. Їх зазвичай використовують для дахів, у яких поверхні по відношенню одна до одної знаходяться під гострим кутом.
- Полігональні конструкції застосовують у тих випадках, коли потрібно працювати з важким настилом. Використання їх пов'язане із виконанням складного монтажу.
- Конструкції трапецеподібної форми застосовуються аналогічно до полігональних, але мають більш просту форму.
- Сегментні конструкції є найбільш складним видом металевих ферм.
Тут наведені не всі, а найпоширеніші види металевих конструкцій.
Будова ферми
Типові конструкції складаються з наступних вузлів:
- Кожна структура має верхню і нижню поверхню. Їх називають верхнім та нижнім поясами.
- Ці поверхні укріплені гратами, які пов'язують їх друг з одним.
- Перпендикулярно до поясів передбачені ребра жорсткості, що називаються стійками.
- Розкоси – це ребра жорсткості, які розташовані під кутом до поверхні. Вони надають конструкції жорсткості.
- Шпренгеля – це особливі види розкосів, які грають допоміжну роль.
Точку, в якій сходяться два або більше ребер, називають вузлом. Панеллю називають відстань між сусідніми вузлами. Проліт є відстань між опорами конструкції.
Вважається, що чим більше ґрат встановлено тут, тим вища у неї міцність.
Велике значення має те, за якою схемою розташовані внутрішні ґрати. При цьому прагнуть знайти компроміс між економією металу, витраченого на деталі конструкції та міцністю структури.
Для внутрішнього пристрою металевої ферми застосовується декілька видів конструкцій:
- Одним із поширених стандартних варіантів є трикутне розташування ґрат. Однак цей варіант має відносно невелику міцність. Її перевагою є найбільш економне витрачання металевих стрижнів.
- Шпренгельну схему раціонально використовувати у випадках, коли максимальне навантаження посідає верхню арку. У ній грати розташовуються таким чином, щоб під її впливом не було порушено основу між прогонами.
- Розкісна схема розташування грат застосовується при навантаженні, що діє приблизно однаково на обидва прогони.
- Хрестове розташування ефективно тоді, коли навантаження діє у вертикальному, а й у кількох косих напрямах.
- Деякі види роблять із таврів. У таких випадках найчастіше використовують перехресну систему розташування ґрат.
- Напіврозкосне та ромбічне розташування деталей застосовується для встановлення ферм, що мають вертикальну орієнтацію. Прикладами таких конструкцій є щогли. Їх також використовуються для влаштування мостів.
Застосовуються ферми, призначені для влаштування покрівлі, до них входять прямі, односхилі та двосхили металеві конструкції.
Вони мають високу міцність. При їх експлуатації слід враховувати, що вони не деформуються навіть на великих прольотах.
Як проектувати ферму
Використання металевих ферм у будівництві вважається дуже ефективним. Це з наступним. У цих конструкцій висока міцність, відмінні експлуатаційні якості, відносно низька вартість, порівняно з використанням альтернативних варіантів, здатність не деформуватися навіть у разі наявності високих навантажень.
Разом з будівельними фермами використовують покрівельні матеріали будь-яких типів з огляду на те, що такі конструкції здатні їх легко витримати.
Загальні принципи
Під час проведення проектування необхідно враховувати таке:
- Раціональна форма конструкції як здатна забезпечити його міцність, а й сприяє економії витрачених коштів.
- Металева ферма має високу стійкість у двох напрямках. У неї гарна обтічність. Структура має бути спроектована таким чином, щоб забезпечити високі експлуатаційні якості.
- Необхідно поєднувати економне використання металу із високою міцністю.
Перед початком роботи необхідно визначитися з тим, яку конструкцію потрібно отримати.
Початок роботи
Перш, ніж розпочати проектування, необхідно вирішити такі вопросы:
- Потрібно вирішити, якими мають бути розміри даху в довжину та ширину.
- Потрібно враховувати, яка у конструкції має бути форма.
- Розглядається не тільки матеріал для виготовлення розпірок, але й той, який буде використовуватися, для нижнього та верхнього поясів.
- Необхідно визначити кути нахилу та врахувати навантаження, яке має витримати дах.
Потрібно взяти до уваги, що у конструкцій із металевого профілю є особливі точки рівноваги, які забезпечують міцність та стабільність конструкції. Опори в цих місцях мають бути виготовлені з найбільш якісного матеріалу.
Як вибрати матеріал
Для створення будівельних ферм прийнято використовувати металевий профіль прямокутної або квадратної труби. Промисловість випускає ці деталі різних видів. Рекомендується робити вибір з урахуванням наступних рекомендацій:
- Для невеликих будівель використовується профіль перерізом 40х20х2 мм та завдовжки 4,5 м.
- У тих випадках, коли довжина конструкції складає 5 м або більше, рекомендується використовувати профіль 40х40х2 мм.
- Для конструкцій великого розміру краще використовувати профіль 40х60х3 мм.
Міцність, надійність та стійкість забезпечується несучим профілем. Для кріплення використовується тонший.
Що враховувати під час проектування
Важливе значення має наявність вітрів чи дощів у місцевості, де відбувається будівництво. Такі навантаження мають враховуватися у процесі проектування.
Для проведення розрахунків міцності зручно використовувати калькулятори ферми, що є в інтернеті онлайн, спеціально призначені для таких обчислень.
Потрібно враховувати, що найпростіша конструкція складатиметься з мінімальної кількості деталей – несучих частин, що визначають форму та вертикальних стовпчиків із профілю, що забезпечують міцність. Таку металеву ферму не тільки можна зробити самостійно, а й придбати у постачальників або замовити професійні фахівці.
Вибір форми даху
При визначенні опорної конструкції для даху потрібно вибрати відповідну конструкцію для даху. Зокрема, потрібно визначити кут нахилу площин.
Насамперед потрібно зробити вибір типу даху, який передбачається ставити.
Можливі такі варіанти:
- Вона матиме лише один схил.
- Дах двосхилий.
- Можливий варіант із використанням плоскої форми.
- Купольна.
- Шатрова форма.
- Арковий дах.
Для самостійного проектування найбільш простим варіантом є односхилий дах. Потрібно знати як розрахувати ферму для навісу. При проектуванні необхідно забезпечити правильне розташування наступних елементів:
- Верхній та нижній пояс.
- Основні стійки.
- Розкоси.
- Допоміжні елементи кріплення - підкоси.
Останні елементи також мають другу назву – шпренгелі. У ферми перекриття металеві можна з'єднувати між собою за допомогою клепок, зварних швів, спеціальних парних матеріалів або косинок.
Металеву форму зручно виготовляти, знаходячись на землі, а потім піднімати для встановлення на верх будівлі.
Важливою обставиною є вибір кута нахилу верхнього пояса даху щодо нижнього. Зазвичай під час проектування розглядаються такі діапазони (у градусах):
- 6-15;
- 15-20;
- 22-35.
У першому випадку можна забезпечити достатню міцність шляхом використання трапецієподібної форми конструкції. Висота при цьому становитиме 1/7-1/9 від усієї довжини.
При визначенні конструкції розпірок слід враховувати, що можуть бути застосовані такі рішення:
- Трикутна форма розташування має свої важливі переваги. Вона проста для проведення розрахунків навісу із профільної труби. Трикутну конструкцію відносно легко обслуговувати. Вона надійна та довговічна. Таку конструкцію щодо просто зробити. Однак при влаштуванні такої металевої ферми використовується надмірна кількість профілів. У центральній частині ґрат доводиться використовувати довгі стрижні з профілю.
- Полігональні ферми є відносно складними конструкціями. Їх вигідно використовуватиме проектування великих ферм. У таких системах зазвичай деталі скріплюють зварюванням. Однак конструкції, що розглядаються, забезпечують високу міцність і економно використовують металеві деталі.
- Ферми, у яких верхній та нижній пояси розташовані в паралельних площинах . Ця конструкція повністю зроблена з деталей, що повторюються, що істотно спрощує її проектування. При цьому довжина стрижнів і ґрат, а також способи кріплення металевих частин ідентичні будь-де конструкції.
- Трапецієподібна односхильна ферма . При необхідності здійснити жорстку фіксацію споруди це кращий варіант. Вона може бути встановлена, використовуючи як опору колони. Особливостями її форми є невеликі ухили вздовж бічних частин конструкції. При цьому у такій металевій фермі відсутні довгі центральні стрижні.
При встановленні ферми важливо таким чином розподілити опори, щоб навантаження на металеву ферму було мінімальним. Перед тим, як розрахувати ферму, важливо зрозуміти, яка конструкція опор буде використана.
Корисне відео
Вибір типу опорних ґрат
Розташування внутрішніх опор підбирається так, щоб вони витримували необхідні навантаження. При цьому потрібно брати до уваги форму стелі, вигляд та геометрію даху. Як калькулятор ферми з профільної труби можна скористатися спеціальним додатком.
Потрібно забезпечити таку систему розташування ґрат, щоб напруга, що діє на неї, була зосереджена в тих місцях, де знаходяться опори. Якщо це вдасться зробити, то в металевій фермі будуть відсутні згинальні напруги.
Якщо про це не подбати, то згинальна сила стане додатковим навантаженням для металевої конструкції і суттєво знизить її міцність та надійність. Щоб подолати такі складності, доведеться використовувати опори, що мають більший переріз.
Етап проведення розрахунків напруг
Після того, як були визначені деталі проекту, необхідно розрахувати напруги, що виникають під час експлуатації металевої ферми обраної конструкції. Підсумком такого розгляду буде правильно підібрана конфігурація системи внутрішніх ґрат.
Корисне відео
Для розрахунку металевої ферми потрібно спеціальне програмне забезпечення або спеціалізований онлайн калькулятор.
У процесі обчислення повинні бути використані дані, взяті з таблиць, що містяться в наступних документах:
- СНиП 2.01.07-85 (містить інформацію, яка потрібна для правильного розрахунку навантаження).
- СНиП п-23-81 (цей документ включає дані, що відносяться до різних металевих конструкцій).
Для того щоб якісно провести потрібні розрахунок навісу, знайомство з цими документами є необхідним.
Купівля чи виготовлення ферми
Після того, як було обрано конструкцію, зроблено необхідні розрахунки, продумано схему металевої ферми, необхідно її виготовити. Для цього можна вдатися до одного з таких варіантів:
- Самостійні роботи, в результаті яких має бути створена металева конструкція.
- Купівля відповідної моделі у фірми-виробника.
- Замовлення у професіоналів та подальша оплата виконаної роботи.
Кожен із цих способів має свої особливості.
При самостійному виготовленні ціна готової будівельної конструкції буде мінімальною. При цьому майстер, який створює металеву ферму, має значну свободу у виконанні своїх задумів. З іншого боку, він бере на себе відповідальність за можливі помилки, зроблені на будь-якому етапі роботи. При цьому необхідно знайти та правильно вибрати всі необхідні деталі для ферми, виконати роботу з металом, що потребує спеціальних навичок.
Самостійне виготовлення ферм з профільної труби доступне тільки для професіоналів своєї справи і в тих випадках, коли йдеться про невеликі та нескладні конструкції.
Покупка у постачальника гарантує високу якість виготовлення, але коштуватиме значно дорожче порівняно з першим варіантом. Однак, може виявитися, що металевої ферми з потрібними параметрами в асортименті продавця не знайшлося.
У такому разі можна зробити конструкцію на замовлення, звернувшись до професійних фахівців. Однак у разі необхідно правильно поставити завдання. Перед тим як замовити виготовлення металевої ферми, потрібно ретельно продумати її конструкцію.
Корисне відео
Проведення складання
Якщо конструкція створена, то має бути її установка. Після того, як її було закуплено або виготовлено самостійно, її привозять на територію будівництва.
Для встановлення потрібно вжити таких дій:
- Ферми потрібно підготувати. Їх зварюють землі, не піднімаючи їх у верх будівлі.
- Потрібно підготувати вертикальні опори, на яких будуть знаходитись металеві ферми. Вони повинні бути встановлені вертикально. Це необхідно перевірити за допомогою схилу.
- На вертикальні стовпи необхідно приварити горизонтальні труби.
- Тепер потрібно підняти підготовлену ферму нагору.
- Готову конструкцію потрібно почистити, знежирити та пофарбувати фарбою. Важливо стежити, щоб були пофарбовані всі ділянки, зокрема і з'єднання труб.
Після того, як конструкція була встановлена, треба провести додаткову обробку.
Корисне відео
Що робити після встановлення
Необхідно вжити заходів для того, щоб забезпечити збереження металевих частин. Для цього деталі обробляють антикорозійним складом та фарбують, щоб захистити від несприятливого впливу.
Приклад розрахунку трикутної односхилий ферми
Для визначення параметрів ферми із профільної труби необхідно попередньо визначити необхідну довжину та ширину конструкції. Висота залежатиме від кута між поверхнями. Зазвичай її величина становить від 1/4 до 1/5 довжини.
У трикутних конструкціях використовують кут від 35 до 50 градусів. Найчастіше застосовують рівний 45 градусів.
Оскільки міцність ферми з профільної труби (проліт 6 метрів) забезпечується розташуванням ґрат, важливо розрахувати, на якій відстані вони мають бути встановлені один від одного.
При розрахунку ферми з профільної труби, в яких використовуються довжина прольоту, що перевищує 30 метрів, необхідно врахувати розрахунок будівельного підйому.
При плануванні пристрою металевої ферми розраховують діаметр труб і навантаження, яке повинно на них припадати.
Потрібно пам'ятати, що хоча на тонких матеріалах можна заощадити кошти, проте вони не будуть достатньо міцними, щоб забезпечити надійну та довговічну експлуатацію будівельної ферми.
Коли проводиться розрахунок навісу з металопрофілю, калькулятор може бути спеціалізований сайт, який надає послугу з проведення таких обчислень.
Наприклад, буде розглянуто розрахунок трикутної ферми, розміри якої становлять 4х6 метрів. Відповідним буде профіль 3х3 сантиметра з товщиною стінок 1,2 мм.
Схема влаштування ферми для навісу така, що довжина нижнього прогону дорівнює 3,1 м, а верхнього – 3,9 м. Там, де знаходиться вузький перпендикулярний край односхилий ферми, потрібно поставити вертикально розташовані стійки. Їхня висота повинна становити 0,6 м.
На ділянках, які потрібно зміцнити, ставлять косі перемички трикутником. Їх можна робити з тоншого профілю. На 6 м довжини необхідно поставити п'ять конструкцій, розташувавши їх рівномірно. Рекомендується зміцнити їх допоміжними косими розпірками, розташувавши їх у перпендикулярній площині. Для цього підійде профіль розміром 20х20 мм. Відстань між ними становить 0,5 м-коду.
Корисне відео
Висновок
Металеві ферми мають високу міцність і використовуються для влаштування дахів, будівництва мостів, і в інших випадках, коли необхідно закрити великі прольоти.
Ферми бувають паралельними, арочними, трикутними та трапецієподібними. Чим менший кут нахилу даху, тим простішу форму ферми застосовують і використовують менше розпірок.
Для невеликої конструкції застосовують профіль перерізом 40х20х2 мм завдовжки 4,5 м; великі прольоти вимагають міцнішого профілю від 40х60х3 мм перетином і довжиною понад 5 м.
Складання ферми роблять на горизонтальній поверхні, і лише потім її піднімають і приварюють до основи.
Розрахунок трикутної ферми для навісу чи даху ґрунтується на знанні таких параметрів, як площа навісу, висота розпірок та відстань між ними, кут нахилу навісу.
