Металлические фермы: применение, конструкции и расчет

Применение металлических ферм в строительстве

Металлические фермы – строительные конструкции, которые используются для перекрытия значительных пролетов, как правило, от 18 метров. В отличии от сплошных металлических балок ферменные конструкции более экономичны с точки зрения расхода металла, но при этом имеют большую высоту. Металлические фермы активно используются в проектировании и строительстве промышленных зданий, торговых центров, где необходимы большие пролеты, но в то же время важна экономика строительства. Дополнительная высота, которую занимают ферменные конструкции не считается «потерянной», так как в зоне ферм размешают воздуховоды, лотки кабельных сетей, площадки для обслуживания кранов.

Рис. 1. Выполняется монтаж ферм

Конструкции металлических ферм

Необходимо отметить, что в строительстве используется несколько типов ферменных конструкций, тем не менее, все типы ферм состоят из следующих элементов:

• верхний пояс (работает на сжатие);
• нижний пояс (работает на растяжение);
• раскосы (сопротивление сдвигу).

 

Рис. 2. Расчетная схема плоской фермы

Фермы конструируют таким образом, чтобы нагрузка, воспринимаемая фермой, прикладывалась в узлах, В этом случае в сечениях элементов не возникают поперечные силы и изгибающие моменты.

В промышленном строительстве наибольшее распространение получили плоские фермы, когда оси всех элементов металлической фермы лежат в одной плоскости. Плоские фермы более удобны в изготовлении, так как допускают использование специальных кондукторов, повышающих производительность и точность изготовления.

В зданиях аэропортов, крытых стадионов и других зданиях, где важны максимальные значения, перекрываемых пролетов используются пространственные фермы. Их конструкция также позволяет придать индивидуальный архитектурный облик зданию.

По конструктивной схеме различают фермы с шарнирным и жестким соединением элементов. Шарнирное соединение раскоса и пояса обеспечивается применением фасонок в узлах. Подвижность соединения достигается за счет упругопластических деформаций металла фасонки. Жесткое соединение предполагает стыковку непосредственную стыковку раскоса и пояса посредством сваривания или болтового соединения.

Для обеспечения устойчивости верхнего и нижнего поясов из плоскости фермы используют системы горизонтальных связей по верхнему и нижнем поясам, соответственно.

Расчет конструкции фермы

Расчет фермы, как и расчет любой строительной конструкции начинается со сбора нагрузок, которые конструкция может испытывать в процессе эксплуатации. Основная задача расчета фермы – определение усилий в ее элементах. По определенным усилиям производят подбор сечений элементов фермы, а также расчет узловых прикреплений элементов (сварных швов, болтов и т.д.).

Для расчета металлических ферм разработан целый ряд методов. Основными аналитическими способами определения усилий в стержнях ферм являются:

1. способ вырезания узлов;
2. способ сечений Риттера;
3. графический метод;
4. метод веревочного многоугольника.

При большом количестве узлов и элементов трудоемкость аналитических методов резко возрастает, поэтому в современном проектирование используются специализированные программные комплексы, основанные на расчете конструкций методом конечных элементов. Задача конструктора в этом случае сводится к построению конструктивной схемы фермы, сбору и приложению нагрузок, определению типов соединений элементов. По результатам расчета выполняется подбор сечений элементов.

Рис. 3. Расчет стропильной фермы в SCAD

Усилия, возникающие во всех элементах фермы различны, поэтому при конструировании фермы важно находить баланс между экономичностью с точки зрения расхода металла и многодельностью в процессе ее изготовления. Чем больше различных сечений используется в металлической ферме, тем она дольше и сложнее в изготовлении.