Проектирование и сборка фермы из металлического профиля

Что такое ферма

Фермы для навеса – это своего рода изделия из металла. Они могут быть изготовлены самостоятельно, а могут быть куплены под размер вашего навеса, для чего нужен только проект. По сложности, ферма может быть прямой, либо округлой, где последнее предполагает гибку.

Металл, используемый для изготовления, может варьироваться по толщине и площади сечения. Чем толще используемый металл, тем тяжелее будет нагрузка на основание, но в то же время, навес или другая металлоконструкция сможет легче сопротивляться внешним факторам. Это ветер, снег, дождь и другие воздействия.

Структура металлического изделия

  • Пояс. В конструкции присутствуют два пояса (верхний и нижний), основной задачей которых является выполнение функции каркаса.
  • Решетка. Выступает в роли связующего элемента между двумя уровнями.
  • трубы. Выполняет функцию основной стойки и монтируется перпендикулярно к оси пояса;
  • раскосы. Крепление раскосов осуществляется под углом к обоим уровням;
  • Шпренгель вспомогательный.

Виды ферм для разных задач

Вы удивитесь, насколько много видов металлических ферм:

Виды металлических ферм для крыши

Давайте рассмотрим внимательные самые популярных формы металлических ферм, которые чаще всего производят на российских заводах:

  • Параллельные – самые простые и экономичные, для изготовления которых используются одинаковые детали.
  • Классические арочные, в которых нижний и верхний пояс имеют вид дуги, а пояса соединены между собой ребрами жесткости. Разные виды такой арки отличаются между собой радиусом. А сам радиус определяют такими внешними ограничителями, как размеры стропильной системы, запланированный вами дизайн крыши и сложность ее конструкции.
  • Треугольные односкатные, которые чаще всего используются для устройства крыши с крутыми скатами.
  • Треугольные двускатные, более подходящие для крыш с крутыми скатами, но оставляющие после производства немалую долю отходов.
  • Полигональные, которые хорошо подходят для кровли из тяжелого настила, но отличаются сложностью в монтаже.
  • Трапецеидальные, подобные полигональным, но с более упрощенной конструкцией.
  • Сегментные, подходящие для зданий со светопропускающей кровлей, но самые сложные в производстве. Чтобы их изготовить, делают дугообразные элементы с точной геометрией, которая позволяет равномерно распределять нагрузку.

А вот популярные и малоизвестные виды ферм для навеса из металла:

Какие бывают металлических фермы для крыши

Типы сечений металлических стержней

С точки зрения затрат стали, самым выгодным считается трубчатое сечение. Труба имеет хорошую обтекаемость, что обеспечивает меньшее ветровое давление, а это немаловажно для высоких сооружений, таких как башни, мачты, краны. Поскольку на металлических фермах из труб меньше собирается инея и влаги, они лучше противостоят появлению очагов ржавчины. Их удобно очищать и повторно красить, что положительно сказывается на сроке службы конструкций. Чтобы избежать корродирования внутренних плоскостей труб, их обязательно герметизируют.

Типы сечений стержней металлических

На схеме изображены: а, б – трубчатые сечения; е, г, д, е, ж, к и л – на основе прокатных уголков; з – двутавровое; и – тавровое.

Минусами данного подхода, не позволяющими использовать такие системы повсеместно, являются высокая цена труб и некоторые конструктивные трудности сопряжения элементов.

Прямоугольные гнуто-замкнутые сечения по своим достоинствам близки к трубчатым сечениям, но используются чаще, так как предполагают более простые узлы сопряжения элементов. Нужно понимать, что изготовление ферм из гнуто-замкнутых профилей с бесфасоночными узлами должно быть предельно точным. Из-за технологических сложностей гнутые профили не могут иметь толщину свыше 10–12 мм, что не позволяет повсеместно применять подобные металлические фермы. Серьезные пластические деформации в местах изгиба негативно отражаются на хрупкой прочности стали.

Нередко прибегают к наиболее рациональному решению, при котором отдельные элементы ферм состоят из разных видов профилей. Для поясов используют двутавровые балки, параллельно применяются гнутозамкнутые профили, пояс из тавров, решетка из парных или одиночных уголков.

В пространственных фермах, таких как башни, мачты, стрелы кранов, присутствует общий для двух ферм пояс. Важно, чтобы его сечение не мешало нормальному соединению элементов, находящихся в разных плоскостях. Здесь чаще всего отдают предпочтение трубчатому сечению.

Для четырехгранных ферм, которым свойственно небольшое усилие, самым простым типом сечения пояса считается одиночный уголок или пара уголков, вместе имеющих крестовое сечение. Если речь идет о значительном усилии, в конструкцию включают двутавры. Важно, чтобы сжатые элементы металлических ферм были равноустойчивыми в перпендикулярных направлениях.

Выбор конкретного сечения элементов конструкции зависит от условий ее эксплуатации: учитывают характер и место приложения нагрузок, насколько агрессивной будет окружающая среда и ряд других факторов. Также важно оценить возможность изготовления фермы из определенных элементов, наличие сортамента и рентабельность подобных вложений.

Этапы изготовления

Рассмотрим основные этапы работ.

Проектирование

Итак, что такое ферма? Это конструкция, которая связывает опоры в единое целое. Среди ее преимуществ: высокая прочность, отличные показатели эксплуатации, невысокая стоимость и хорошая устойчивость к деформациям и внешним нагрузкам.

Благодаря тому, что такие фермы обладают высокой несущей способностью, их ставят под любые кровельные материалы, независимо от их веса.

Использование в строительстве металлических ферм из прямоугольных замкнутых профилей считается одним из самых рациональных решений. И неспроста:

  1. Главный секрет в экономии, благодаря удобному соединению всех элементов решетки.
  2. Еще одно ценное преимущество профильных труб для ферм – это равная устойчивость в двух плоскостях, замечательная обтекаемость и удобство эксплуатации.
  3. При своем малом весе такие фермы выдерживают серьезные нагрузки.

Отличаются стропильные фермы по очертанию поясов, типу сечения стержней и видам решетки. И при правильном подходе вы самостоятельно сможете сварить и установить ферму из профильной трубы любой сложности. Даже такую:

Рассчитываем внутреннее напряжение

Самое важное и ответственное задание – это правильно произвести расчет фермы из профильной трубы и подобрать нужный формат внутренней решетки. Для этого нам понадобится калькулятор или подобное ему другое программное обеспечение, а также некоторые табличные данные СНиПов, которые за это:

  • СНиП 2.01.07-85 (воздействия, нагрузки).
  • СНиП п-23-81 (данные по стальным конструкциям).

По возможности ознакомьтесь с этими документами.

Приобретаем качественный профиль

Итак, прежде, чем составить проект будущих ферм, сначала нужно определиться с такими важными пунктами, как:

  • контуры, размер и форма будущей крыши;
  • материал изготовления верхнего и нижнего поясов фермы, а также ее решетки;
  • угол наклона и планируемая нагрузка.

Запомните одну простую вещь вещь: у каркаса из профильной трубы есть так называемые точки равновесия,  которые важно определить для устойчивости всей фермы. И очень важно подобрать под эту нагрузку качественный материал:

Как рассчитать металлическую ферму самостоятельно?

Профильные трубы для ферм бывают двух видов сечений: прямоугольного или квадратного. Выпускаются они разного диаметра, с разной толщиной стенок:

  • Для малогабаритных построек мы рекомендуем трубы до 4,5 метров длиной, сечением 40х20х2 мм.
  • Если вы будете изготавливать фермы длиннее 5 метров, тогда выбирайте профиль с параметрами 40х40х2 мм.
  • Для полномасштабного строительства крыши жилого дома вам понадобятся профильные трубы с такими параметрами: 40х60х3 мм.

Устойчивость всей конструкции прямо пропорциональна толщине профиля, поэтому для изготовления ферм не используйте трубы, предназначенные для стоек и каркасов. Также обратите внимание, каким именно методом было изготовлено изделие: электросварным, горячедеформированным или холодным деформированнием.

Если же вы беретесь изготавливать фермы самостоятельно, берите заготовки квадратного сечения – с ними работать проще всего. Приобретите квадратный профиль 3-5 мм толщиной, который будет достаточно прочным и по своим характеристикам близок к металлическим брусьям.

Обязательно учитывайте при проектировании снеговые и ветровые нагрузки в вашей местности. Ведь большое значение при выборе профиля имеет угол наклона ферм:

Самостоятельный расчет фермы из профильной трубы

Более точно спроектировать ферму из профильной трубы вы сможете при помощи онлайн-калькуляторов.

Отметим только, что самая простая конструкция фермы из профильной трубы представляет собой несколько вертикальных стоек и горизонтальные уровни, на которые можно крепить стропила для крыши. Приобрести такой каркас можно в готовом виде, даже под заказ в любом городе России.

Влияние угла наклона

Конструкция фермы больше всего зависит от угла наклона скатов. Данную характеристику выбирают в соответствии с формой кровли и размещением будущей конструкции. Если речь идет о навесе, примыкающем к зданию, требуется более отвесная кроля, чтобы обеспечить быстрое скатывание снега и сток воды. Для одиночных построек подойдет относительно пологая крыша.

Еще одним важным фактором при выборе угла наклона является количество выпадающих в регионе осадков: чем их больше, тем больше нужен угол. Дело в том, что на крутой кровле задерживается меньший объем осадков.

Уклон в пределах 15° обычно выбирают для компактных навесов, расположенных отдельно от других построек. Примерная высота ската составляет 1/7–1/9 длины пролета. При этом металлическая ферма должна иметь трапециевидную форму.

Угол 15–22° предполагает высоту ската в 1/7 длины пролета.

Для уклона в пределах от 22° до 30–35° оптимальная высота ската составляет 1/5 длины пролета. Здесь чаще всего прибегают к треугольным конструкциям. Иногда они могут иметь ломаный нижний пояс, позволяющий уменьшить вес металлической фермы.

Метод вырезания узлов

Этот метод заключается в последовательном вырезании (мысленно) узлов фермы,
начиная с узла где совпадают два стержня с неизвестными внутренними усилиями. Таким образом, каждый узел — это плоская система сходящихся сил, для которой можно составить два уравнения равновесия, из которых определяют неизвестные усилия в этих двух стержнях.

При применении этого метода принимается правило, согласно которому реакции
стержней направляются от узлов. Если же при определении реакции стержня произойдет, что она имеет отрицательный знак, то этот стержень сжат и действительное направление его реакции ориентировано к узлу.

Фермы и их расчёт

Определим данным методом усилия в стержнях фермы, приведенной на рис. 1.26. Вырезаем сначала узел I (рис. 1.27). Кроме реакций Фермы и их расчёт
I и Фермы и их расчёт
I  к нему приложены неизвестные реакции стержней 1 и 2, которые обозначаются Фермы и их расчёт
и Фермы и их расчёт
и направление которых, по правилу, от узла. Покажем в этом вырезанном узле I оси координат xIy и угол α. Как видно из схемы, узел и находится в равновесии под действием плоской системы сходящихся сил с двумя неизвестными усилиями: Фермы и их расчёт
и Фермы и их расчёт
. Составим для узла и уравнения равновесия,
используя условия равновесия для плоской системы сходящихся сил в виде. Будем иметь

Фермы и их расчёт

Из второго уравнения определяем усилия S1. Оно равно

Фермы и их расчёт

Как видим, стержень 1 сжатый усилиям 35,3 kH. С первого уравнения определим неизвестное усилие S2

S2 = – XI– S1 sinα = –10 – (– 35,3 · 0,707) = – 10 + 25,00 = 15,00 kH .

Таким образом, стержень 2 растянутый усилием 15,00 kH.

Далее вырезаем узел ІІ (рис. 1.28). В этом узле сосредоточены внешняя сила Фермы и их расчёт
и усилия трех стержней Фермы и их расчёт
Фермы и их расчёт
и Фермы и их расчёт
. Причем неизвестные усилия только в двух стержнях — в 3 (Фермы и их расчёт
) и в 4 (Фермы и их расчёт
). Также предварительно считаем, что стержни 3 и 4 растянуты, и их усилия Фермы и их расчёт
и Фермы и их расчёт
направлены от узла ІІ. Усилия же в стержне 1 уже определено ранее, при вырезании первого узла, и не только установлено ​​его значение, но и то, что он сжат, поэтому направление его реакции Фермы и их расчёт
будет к узлу ІІ. Проведем через узел ІІ оси координат xy и покажем угол α.

Фермы и их расчёт

Составим для узла ІІ уравнения равновесия, также используя условия, аналогичные предыдущим.

Фермы и их расчёт

Из второго уравнения определяем усилия S3. Оно будет равняться

Фермы и их расчёт

Как видим, стержень 3 сжатый усилиям 7,00 kH. Направление реакции S3 — к узлу ІІ.

Из первого уравнения находим усилия S4. Оно равно

S4 = –S1 sinα – S3 cosα = – 35,30 · 0,707 – (–7,00)0,707 = – 25,00 + 5,0 = – 20,00 kH.

Таким образом, стержень 4 сжатый усилием 20,00 kH.

Фермы и их расчёт

Далее вырезаем узел IV (рис. 1.29). Он находится под действием внешней силы Фермы и их расчёт
и усилий в стержнях 4, 5 и 7. Усилия в стержне 4 определено и его направление — к узлу, а потому неизвестны — только усилия Фермы и их расчёт
и Фермы и их расчёт
. Проведем через узел IV оси координат xy и покажем угол α. Направления усилий в стержнях 5 и 7 — от узла IV. Составим для узла IV уравнения равновесия, также используя условия равновесия:

Фермы и их расчёт

Решаем систему, для чего из второго уравнения выразим усилия S5 через усилия S7. Оно будет равняться

Фермы и их расчёт

Теперь подставим значение S5 в первое уравнение системы. Будем иметь

S7 cosα – (– S7)cosα – P2 + S4 = 0.

Отсюда

Фермы и их расчёт

Стержень 7 сжатый усилием 7,00 kH. Теперь есть возможность найти усилие S5. Оно равно

S5 = – S7 = 7,00 kH.

Стержень 5 растянутый усилием 7,00 kH.

Фермы и их расчёт

Теперь, для окончательного определения усилий в стержнях фермы, что рассматривается, необходимо вырезать узел V. К узлу V приложена реакция Фермы и их расчёт
, усилия Фермы и их расчёт
, которое направлено к узлу, и неизвестно усилию Фермы и их расчёт
, которое направляем от узла. Составим для узла V уравнения равновесия, используя условия равновесия:

Фермы и их расчёт

Как видим, для определения последнего неизвестного усилия S6  достаточно решить первое уравнение системы. Найдем S6 :

S6  = S7 cosα = 7,00 · 0,707 = 5,00 kH.

Стержень 6 растянутый усилием 5,00 kH.

Данные расчетов заносим в таблицу 1.1. Знак при определенном усилии в стержне показывает характер его нагрузки. Если он положительный («+»), То стержень растянут, если отрицательный («–»), то стержень сжат.

Фермы и их расчёт

Усиление конструкции металлических ферм

Усиление конструкции металлических ферм представляет собой решетчатую конструкцию правильной геометрической формы, привариваемую внутри основного каркаса фермы.

Различают следующие типы решеток ферм:

  1. Простая вертикальная
  2. Треугольная
  3. Треугольная с вертикальным усилением
  4. Перекрестная
  5. Раскосная
  6. Ромбическая
  7. Полураскосная
  8. Крестовая
  9. Шпреньгельная

В практике производства металлических навесов, как правило, используются первые три типа решеток: простая вертикальная, треугольная и треугольная с вертикальным усилением.

В первую очередь нужно разобраться для чего нужно усиление и, исходя из этого, далее определиться с необходимым типом решетки фермы. Как мы уже ранее говорили, навесы выполняют две основные функции — защитную и декоративную. Как правило, заказчики всегда пытаются найти баланс между надежностью и эстетическим видом. Перегруженная решетка смотрится не эстетично, визуально превращает частный дом в объект промышленного назначения. Но с другой стороны наш навес из поликарбоната должен выдерживать базовые нагрузки — собственный вес, снег и ветер. Также нужно принимать во внимание тот факт, что чем больше элементов усиления металлической фермы, тем больше металла расходуется, и тем дороже становится каркас навеса.

Простая вертикальная форма решетки дешевая в исполнении, так как расходуется существенно меньшее количество металла. Однако выглядит она простенько и создает впечатление дешевого изделия. Надежность такой конструкции также уступает другим формам решетки для металлических ферм.

Треугольная форма решетки является самой распространенной и оптимальной в контексте надежности. Расход металла выше чем у простой вертикальной формы, и при правильном монтаже продольных стяжек (лагов) на вершину треугольника, такая конструкция обеспечивает надежную и устойчивую опору для всех типов нагрузок.

Треугольная форма решетки с вертикальным усилением является самой надежной и прочной из трех вышеперечисленных видов и в основном используется в конструкциях с повышенными требованиями к нагрузке, однако несет в себе элемент «визуального перегруза» и с эстетической точки зрения уступает треугольной форме.

Все остальные формы решеток ферм используются в основном на объектах промышленного назначения, где требования к эстетике внешнего вида конструкции не являются критичными.

Покраска односкатного навеса

Покраска металлической конструкции является одним из важнейших этапов технологической цепочки производства навеса. Это прежде всего связано с особенностями эксплуатации изделия в агрессивной среде: атмосферные осадки, перепады температуры, ультрафиолетовое излучение. Для того, чтобы конструкция навеса служила долго, необходимо прежде всего, защитить ее от коррозии.

Антикоррозийная обработка металлического каркаса обязательно должна включать в себя следующие этапы:

  • предварительная обработка металлической поверхности и сварочных швов. Зачистка поверхности от неровностей, шероховатостей, очагов начавшейся ржавчины
  • обработка поверхности антикоррозийным составом
  • грунтование поверхности металла перед финишной покраской
  • финишная покраска металла

Покраска металлического каркаса односкатного навеса может отличаться, в зависимости от выбранной технологии. В последнее время очень сильно распространены т.н. краски «три в одном», которые содержат в своем составе антикоррозийный материал, грунтовку и финишную краску. Использование таких красок существенно сокращает время и трудозатраты при покраске навеса.

Перед монтажом навеса у заказчика, предварительно подготовленные элементы конструкции тщательно обрабатываются и красятся в финишный слой. Далее необходимо выждать не менее суток для того, чтобы краска высохла и приобрела свои окончательные свойства.

Однако отдельные части навеса монтируются между собой уже на площадке заказчика, и поэтому отдельные места сварки обрабатываются и докрашиваются уже на месте.

Как сделать своими руками

Начинается всё с установки столбов. Для опорных частей лучше использовать сталь толще. Должны быть столбы сечением 60 на 60 мм, толщиной стенки не менее 2 мм. Их следует установить под местами будущего расположения ферм.

Для односкатной конструкции величина составляет 1,5 м. Устанавливая столбы, следует углубить их на величину промерзания, то есть на глубину не менее чем 1,2 м. По высоте тоже желательно сразу определиться, установив их с учётом будущего уклона.

Когда столбы установлены, связывают общую конструкцию в единый металлический каркас. Для этого используют профтрубу, которая шла на столбы, но толщина стенки должна быть большая, порядка 3 мм. Когда каркас связан воедино, начинают строить фермы.

Изначально делают шаблон. Это первая, эталонная ферма под навес. Для неё мы будем брать профтрубу сечением 30 на 30 мм, толщиной стенки не менее полутора мм. Сильно тяжёлую брать тоже не надо, поскольку равномерно распределив фермы, мы сможем обеспечить прочность даже  со сталью, толщиной до 2 мм.

Чтобы определить угол наклона фермы, необходимо в пропорции, нарисовать прямоугольную конструкцию. То есть, мы, зная примерную ширину будущего навеса, откладываем необходимую величину подъема фермы с одной из сторон, и получаем прямоугольный треугольник.

Таким образом, мы сможем рассчитать гипотенузу, исходя из школьного курса знаний. Получив основные части, добавляют к элементам конструкции минимальную сторону нашей трапеции,  после чего выполняют сварные работы. Рекомендовано выполнять сварочные работы на небольшие прихватки.

Это поможет в случае некорректного  расчёта избавиться от сварочного шва. Когда мы сварили основной каркас фермы, рекомендовано выполнить примерку. Мы должны поднять его на металлический каркас основы, обратить внимание на угол наклона.

Если нас всё устраивает, снимаем ферму, тщательно завариваем все швы, завариваем открытые стороны профильной трубы, чтобы в зимнее время года сюда не попадала вода и металл не деформировался. Далее, эту ферму снимают, после чего выполняют разделение двух частей на равные доли и проваривают поперечины.

Для работы потребуется качественный сварочный инвертор, специальная машинка, позволяющая пилить металл под углом. Многие обходятся покупкой станины для болгарки, что тоже можно использовать в работе. Когда эталонная часть готова, изготавливают все последующие части.

Затем, устанавливают первую и последнюю сторону, натягивают нитку, производят установку всех частей. То есть, все элементы должны находиться в одной плоскости. Когда общий каркас готов, выполняют сварные работы по установке обрешётки. Здесь может быть использована профтруба 20 на 20 мм, которая свяжет фермы воедино. В дальнейшем к этой трубе, включая сами фермы, мы будем прикручивать поликарбонат или профлист.

Примерные затраты на производство фермы своими руками

И так, чтобы изготовить ферму своими руками, нам потребуется вложить определённое количество денежных средств. В основном деньги уйдут на покупку металла. Давайте посчитаем, сколько обойдётся нам ферма односкатного навеса, величиной 6 на 4 метра. Ранее мы уже говорили, что величина в нижней части плоскости фермы составит 4 метра.

При этом косая часть, которая определяет уклоны крыши, составить, 4,5 метра. На длинную боковую часть пойдёт порядка 0,6 метра, на короткую часть, 0,2 метра. Толщина стали, применяемой в работе заготовки, составит 0,2 мм. Итак, кроме всего прочего, нам ещё потребуются поперечины в количестве 4 штук, с интервалом не менее, 0,6 м.

Что касается основной части, то на сварку каркаса пойдёт порядка 10 м металла. По стоимости профтрубы сечения 30 на 30 мм, толщиной стали 2 мм, мы потратим порядка 1000 руб. С поперечинами в количестве 4-5 штук, эта величина вырастет до полутора тысяч за одну ферму.

Чтобы посчитать, какое количество денежных средств уйдёт на наш навес, именно на производство ферм, давайте умножим полученную величину на пять. То есть, за обустройство конструкции ферм нам придётся заплатить порядка 7.5 тыс. руб. Это немного. Для обустройства общей конструкции навеса придётся ещё сварить металлокаркас.

Это будет дороже, но с учётом обустройства 10 столбов, сечением 60 на 60 мм, а также общей связки, нам потребуется порядка 50 м профильной трубы. По стоимости это обойдется нам в районе 200 рублей за 1 погонный метр. Итого, каркас обойдется в районе 10.000 рублей. Таким образом, небольшой навес без кровельного материала обойдется в районе 20 000 руб. Это рассчитано с небольшим запасом исходя из текущих цен на металл на момент написания статьи.

Примеры готовых работ

изготовление металлических ферм

производство ферм

ферма на заказ Москва

ферма из металла москва

изготовление металлических ферм

производство ферм из металла Москва

Расчет стоимости

Расчет стоимости металлической фермы производится с учетом следующих аспектов:

  • Материал, используемый при изготовлении;
  • Сложность конструкции;
  • Общий размер конструкции;
  • Количество пролетов.

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector