Как сделать расчёт фермы и выбрать наиболее надёжную конструкцию: рекомендации и примеры

Перед тем как сделать расчет фермы для навеса и крыши, нужно учесть ее разновидности, преимущества и недостатки каждого типа. Расскажем о том, какие действия необходимо предпринять для того, чтобы провести установку, какую конструкцию фермы лучше выбрать и как рассчитать необходимые показатели, опираясь на технические характеристики.

Одна из опор фермы Источник vmasshtabe.ru

Особенности использования металлических ферм

При строительстве часто используются фермы различных видов. Долгое время их делали из деревянных брусьев и досок. Однако металлические конструкции имеют перед ними существенные преимущества:

1. Если имеют место механические нагрузки, то это не приводит к деформации.
2. Из-за того, что металлические фермы полые, они имеют относительно небольшой вес.
3. Тот, кто строит частный жилой дом, может позволить себе купить такую конструкцию.
4. Использование металлических частей даёт возможность создавать фермы, имеющие сложную конфигурацию. При этом не происходит потери прочности.
5. В отличие от деревянных конструкций, металлические — не являются пожароопасными.
6. Нет опасности — пострадать от грибка или насекомых.

Металлические фермы являются прочными, надёжными и долговечными. Они менее массивны по сравнению с деревянными конструкциями. Но при этом способны выдерживать более значительные нагрузки.

Покраска конструкции Источник promalp-industria.ru

Разновидности ферм

Использование таких конструкций широко распространено. При этом для разных целей применяются различные типы металлических ферм.

Обычно используются следующие типы таких конструкций:

• Параллельные являются наиболее простыми с точки зрения их устройства. Они состоят из нескольких одинаковых деталей.
• Арочные конструкции имеют типовое строение. Они состоят из внутренней и внешней арочных поверхностей, соединёнными между собой при помощи большого количества рёбер жёсткости. Такие конструкции могут иметь различный радиус арки.
• Треугольные металлические системы иногда представляют собой односкатную металлическую конструкцию. Они, например, могут применяться для устройства односкатной крыши. Применяются также треугольные двухскатные варианты. Их обычно используют для крыш, в которых поверхности по отношению друг к другу находятся под острым углом.

Двускатная ферма треугольная Источник images.ru.prom.st

• Полигональные конструкции применяются в тех случаях, когда нужно работать с тяжёлым настилом. Использование их связанно с выполнением сложного монтажа.
• Конструкции трапецевидной формы применяются аналогично полигональным, но имеют более простую форму.
• Сегментные конструкции представляют собой наиболее сложный вид металлических ферм.

Здесь приведены не все, а наиболее распространённые виды металлических конструкций.

Выбор формы кровли

Помимо односкатного типа в частном строительстве спросом пользуются и другие формы крыши:

• купольная;
• шатровая;
• арочная;
• двускатная.

Односкатная крыша – простая конструкция, что позволяет строить ее своими силами. Выбирая в качестве материала металл, каркас будет состоять из таких элементов:

• верхний пояс;
• нижний пояс;
• стойки;
• раскосы;
• шпренгели (раскосы);
• крепежные детали (клепки, косынки, сварные швы).

Приобретает популярность односкатка под небольшие дачные постройки, гараж, летнюю кухню с фермой вида полонсо. Это треугольный каркас, где нижний пояс делают приподнятым, ломаным.

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 пролётом Источник zmkprof.ru
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 расположение Источник https://www.insi-ing.ru

• 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 ферма Источник www.tech-in.ru

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

Как проектировать ферму

Использование металлических ферм в строительстве считается очень эффективным. Это связано со следующим. У этих конструкций высокая прочность, отличные эксплуатационные качества, относительно низкая стоимость по сравнению с использованием альтернативных вариантов, способность не деформироваться даже в случае наличия высоких нагрузок.

Вместе со строительными фермами используют кровельные материалы любых типов, учитывая, что такие конструкции способны их легко выдержать.

Общие принципы

При проведении проектирования необходимо учитывать следующее:

• Рациональная форма конструкции не только способна обеспечить его прочность, но и способствует экономии затраченных средств.

Плоская конструкция Источник cdn.redshift.autodesk.com

• Металлическая ферма имеет высокую устойчивость в двух направлениях. У неё хорошая обтекаемость. Структура должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить высокие эксплуатационные качества.
• Необходимо сочетать экономное использование металла с высокой прочностью.

Перед началом работы требуется определиться с тем, какую конструкцию необходимо получить.

Начало работы

Прежде, чем приступить к проектированию, необходимо решить следующие вопросы:

1. Нужно решить, каковы должны быть размеры крыши в длину и ширину.
2. Нужно учитывать, какая у конструкции должна быть форма.
3. Рассматривается не только материал для изготовления распорок, но и тот — который будет использоваться, для нижнего и верхнего поясов.
4. Необходимо определить углы наклона и учесть нагрузку, которую должна будет выдержать крыша.

Стропильные формы Источник test.citadel-bor.ru
Нужно принять во внимание, что у конструкций из металлического профиля имеются особые точки равновесия, которые обеспечивают прочность и стабильность конструкции. Опоры в этих местах должны быть сделаны из наиболее качественного материала.

Как выбрать материал

Для создания строительных ферм принято использовать металлический профиль в виде прямоугольной или квадратной трубы. Промышленность выпускает эти детали различных видов. Рекомендуется делать выбор с учётом следующих рекомендаций:

1. Для небольших построек используется профиль сечением 40х20х2 мм и длиной 4,5 м.
2. В тех случаях, когда длина конструкции составляет 5 м или больше, рекомендуется к использованию профиль 40х40х2 мм.
3. Для конструкций большого размера предпочтительно применять профиль 40х60х3 мм.

Прочность, надёжность и устойчивость обеспечивается несущим профилем. Для крепежа используется более тонкий.

Элементы каркаса Источник krysha-expert.ru
Смотрите также: Каталог проектов домов с мансардой и окном на крыше.

Что учитывать при проектировании

Важное значение имеет наличие ветров или дождей в местности, где происходит стройка. Такие нагрузки должны учитываться в процессе проектирования.

Для проведения расчётов прочности удобно использовать имеющиеся в интернете онлайн калькуляторы фермы, специально предназначенные для таких вычислений.

Нужно учитывать, что наиболее простая конструкция будет состоять из минимального количества деталей – несущих частей, определяющих форму и вертикальных столбиков из профиля, обеспечивающих прочность. Такую металлическую ферму не только можно сделать самостоятельно, но и приобрести у поставщиков или заказать у профессиональных специалистов .

Выбор формы крыши

При определении опорной конструкции для крыши, нужно выбрать подходящую конструкцию для крыши. В частности требуется определить угол наклона плоскостей.

Прежде всего требуется сделать выбор типа крыши, которую предполагается ставить.

Установка крыши Источник omeza.ru

Возможны следующие варианты:

1. Она будет иметь только один скат.
2. Крыша двускатная.
3. Возможен вариант с использованием плоской формы.
4. Купольная.
5. Шатровая форма.
6. Арочная крыша.

Для самостоятельного проектирования наиболее простым вариантом является односкатная крыша. Нужно знать, как рассчитать ферму для навеса. При проектировании нужно обеспечить правильное расположение следующих элементов:

1. Верхний и нижний пояс.
2. Основные стойки.
3. Раскосы.
4. Вспомогательные крепёжные элементы – подкосы.

Последние элементы также имеют второе название – шпренгели. У фермы перекрытия металлические можно соединять между собой соединять при помощи клёпок, сварных швов, особых парных материалов или косынок.

Металлическую форму удобно изготавливать, находясь на земле, а затем поднимать для установки на верх здания.

Ферму собирают на земле Источник smt33.ru

Важным обстоятельством является выбор угла наклона верхнего пояса крыши относительно нижнего. Обычно при проектировании рассматриваются следующие диапазоны (в градусах):

• 6-15;
• 15-20;
• 22-35.

В первом случае можно обеспечить достаточную прочность путём использование трапециевидной формы конструкции. Высота при этом составит 1/7-1/9 от всей длины.

При определении конструкции распорок нужно учитывать, что могут быть применены следующие решения:

• Треугольная форма расположения имеет свои важные достоинства. Она проста для проведения расчётов навеса из профильной трубы. Треугольную конструкцию относительно просто обслуживать. Она надёжна и долговечна. Такую конструкцию относительно просто сделать. Однако при устройстве такой металлической фермы используется чрезмерное количество профилей. В центральной части решётки приходится использовать длинные стержни из профиля.

Треугольная ферма Источник s.sakh.com
Смотрите также: Каталог компаний, что специализируются на кровельных материалах и установке дверей и окон.

• Полигональные фермы представляют собой относительно сложные конструкции. Их выгодно использовать для проектирования больших ферм. В таких системах обычно детали скрепляют сваркой. Однако рассматриваемые конструкции обеспечивают высокую прочность и экономно используют металлические детали.
• Фермы, в которых верхний и нижний пояса расположены в параллельных плоскостях. Эта конструкция полностью сделана из повторяющихся деталей, что существенно упрощает её проектирование. При этом длина стержней и решёток, а также способы крепления металлических частей идентичны в любом месте конструкции.
• Трапециевидная односкатная ферма. При необходимости осуществить жёсткую фиксацию сооружения это предпочтительный вариант. Она может быть установлена, используя в качестве опоры колонны. Особенностями её формы являются небольшие уклоны вдоль боковых частей конструкции. При этом в такой металлической ферме отсутствуют длинные центральные стержни.

Стальной каркас Источник proekt-km.ru
При установке фермы важно таким образом распределить опоры, чтобы нагрузка на металлическую ферму была минимальной. Перед тем, как рассчитать ферму, важно понять, какая конструкция опор будет использована.

Выбор материалов

По стандарту применяется древесина твердых пород либо металл в виде профильных труб разного сечения. Довольно популярны комбинированные типы стропильных систем. Разберем особенности, плюсы и минусы каждого из материалов подробнее.

Дерево

Популярное сырье в малоэтажном строительстве. Наиболее востребованы обрезные доски, брус хвойных пород. Причины тому – низкая цена, простота обработки, подгонки.

Допустимо применять 2 типа древесины:

1. Клееный брус. Получается путем склеивания нескольких досок между собой в заводских условиях. Стоит дорого. Но даже со временем не трескается, не дает усадки. Показатель влажности колеблется от 8% до 12 %.
2. Доски, брус естественной влажности. Стоит дешево. Но зачастую, высыхая, начинает деформироваться, давать усадку или трескаться.

К преимуществам возведения стропильной системы из дерева стоит отнести:

• доступность сырья;
• низкая цена;
• экологическая безопасность;
• удобство, легкость обработки (резка, сверление, подгонка размеров);
• самобытный внешний вид (отлично впишется в стиль кантри, фахверк, шале);
• возможность сборки своими силами.

Есть у такой конструкции и недостатки:

• ограниченный срок эксплуатации;
• необходимость периодического ухода;
• поддерживает процесс горения.

Для продления срока службы пиломатериалов их в обязательном порядке перед началом монтажа пропитывают антисептиками (от влаги, насекомых), антипиренами (для защиты от огня).
Установка стропильных элементов из дерева подразумевает точность расчетов, благодаря которым будет исключен риск провисания бруса под весом крыши.

Для этого важно продумать размещение поперечных балок либо распорок, поместить средний прогон из толстого куска бруса поперек идущим стропилам. Деревянные элементы могут соединяться между собой способом врубка или металлическими крепежами (болты, анкера, шпонки, гвозди).

Для экономии времени и продления срока службы фермы для односкатной крыши популярной практикой стало использование деревянных и металлических элементов.

Открытые фермы применяются при возведении промышленных зданий, складов. В частном строительстве стропильную систему делают закрытой, обшивают потолочными материалами.

Для строений больших размеров, где длина пролета может превышать 16 м, дерево в качестве материала для фермы не применяется. Только металлические стойки обеспечат прочность и надежность узлов конструкции.

Профильные трубы из металла

Для изготовления ферм применяются профильные трубы квадратного либо прямоугольного сечения. Выбор диаметра, толщины стенок металлопрофиля зависит от размеров постройки, нагрузки.

При подборе габаритов профильных труб стоит учесть такие моменты:

1. Для небольших зданий хватит труб длиной до 4,5 м размерами 40*20*2 мм.
2. Когда нужно собрать ферму длиной от 5 м, то размеры профиля должны быть 40*40*2 мм.
3. Если это крыша большого дома, офиса, производственного цеха, то габариты профильных труб для фермы должны быть 40*60*3 мм.

Для самостоятельного изготовления ферм лучше брать трубы квадратного сечения толщиной от 3 до 5 мм. С ними будет проще работать.

Основные преимущества металлического каркаса для кровли:

1. Имеет высокую несущую способность, за счет чего не деформируется под действием больших нагрузок.
2. Возможность использования любого типа кровельного материала.
3. В отличие от дерева металл не горит, не подвержен гниению.
4. Создание сложных по конструкции каркасов без риска потери прочности.
5. Длительный срок службы.
6. Не нуждаются в периодическом уходе.
7. Готовые металлические фермы имеют небольшой вес.
8. Доступная цена металлопрофиля.
9. Изготовление каркасов нестандартных форм.
10. Экономный расход материала.

От правильного выбора толщины металлопрофиля зависит жесткость и устойчивость всего каркаса. Попытка сэкономить в этом случае не оправдана.

Видео описание

В видео приведён пример расчёта металлической фермы:

Выбор типа опорных решёток

Расположение внутренних опор подбирается таким образом, чтобы они выдерживали необходимые нагрузки. При этом нужно принимать во внимание форму потолка, вид и геометрию крыши. В качестве калькулятора фермы из профильной трубы можно воспользоваться специальным приложением.

Нужно обеспечить такую систему расположения решёток, чтобы напряжение, действующее на неё было сосредоточена в тех местах, где находятся опоры. Если это удастся сделать, то в металлической ферме будут отсутствовать изгибающие напряжения.

Если об этом не позаботиться, то изгибающая сила станет дополнительной нагрузкой для металлической конструкции и существенно снизит её прочность и надёжность. Чтобы преодолеть такие сложности, придётся использовать опоры, имеющие более крупное сечение.

Фермы с большими пролётами Источник itd2.mycdn.me

Этап проведения расчётов напряжений

После того, как были определены детали проекта, необходимо рассчитать напряжения, возникающие при эксплуатации металлической фермы выбранной конструкции. Итогом такого рассмотрения будет правильно подобранная конфигурация системы внутренних решёток.

Требования в зависимости от угла наклона

Все используемые для возведения крыш металлические фермы условно делятся на три категории:

• с углом наклона скатов от 6 до 15°;
• от 15 до 22°;
• от 22 до 33°.

Считается, что крыши первого типа целесообразно монтировать с использованием трапециевидных ферм высотой от 1/7 до 1/9 длины пролета. Если в сооружении в последующем не предполагается подшивать потолок, раскосы в таких конструкция устанавливают в виде решетки треугольной формы.

Для сборки крыш с углом наклона ската от 15 до 22° обычно используются фермы высотой в 1/7 от длины пролета. Это позволяет смонтировать наиболее надежную конструкцию. Если необходима большая высота (на 0.16-0.23 частей длины пролета), нижний пояс делается ломаным. При использовании такого метода масса каркаса может быть снижена на 30%.

Устанавливать фермы из стальных уголков с ломаным нижним поясом допускается только на сооружениях с длиной пролета не более 20 м. В противном случае полагается монтировать конструкции Полонсо.

Для ферм с углом наклона ската в 22-30° обычно выбирают высоту в 1/5 длины пролета. В этом случае конструкция получится оптимально легкой и с нее в последующем будет быстро стекать дождь и сходить снег. Монтируют на таких зданиях обычно треугольные фермы из уголков.

Покрывают кровли с таких углом наклона скатов в большинстве случаев шифером или металлическими листами. Для длинных пролетов от 14 м чаще всего используют фермы с нисходящими раскосами. Такие конструкции хорошо переносят значительные снеговые и ветровые нагрузки.

Видео описание

В этом видео рассказано о методе сечений при расчёте ферм:

Проведение сборки

Если конструкция создана, то предстоит её установка. После того, как она была закуплена или изготовлена самостоятельно, её привозят на территорию стройки.

Соединение деталей Источник avatars.mds.yandex.net

Для установки нужно предпринять следующие действия:

• Фермы необходимо подготовить. Их сваривают на земле, не поднимая их на верх здания.
• Нужно подготовить вертикальные опоры, на которых будут находиться металлические фермы. Они должны быть установлены строго вертикально. Это необходимо проверить с помощью отвеса.
• На вертикальные столбы нужно приварить горизонтальные трубы.
• Теперь необходимо поднять подготовленную ферму наверх.
• Готовую конструкцию требуется почистить, обезжирить и покрасить краской. Важно следить за тем, чтобы были покрашены все участки, в том числе и соединения труб.

После того, как конструкция была установлена, надо провести дополнительную обработку.

Пример расчёта треугольной односкатной фермы

Для определения параметров фермы из профильной трубы необходимо предварительно определить необходимую длину и ширину конструкции. Высота будет зависеть от угла между поверхностями. Обычно её величина составляет от 1/4 до 1/5 от длины.

В треугольных конструкциях применяют угол от 35 до 50 градусов. Чаще всего применяют равный 45 градусам.

Поскольку прочность фермы из профильной трубы (пролёт 6 метров) обеспечивается расположением решёток, важно рассчитать, на каком расстоянии они должны быть друг от друга установлены.

При расчёте фермы из профильной трубы, в которых используются длина пролёта, превосходящая 30 метров, необходимо учесть расчёт строительного подъёма.

При планировании устройства металлической фермы рассчитывают диаметр используемых труб и нагрузку, которая должна на них приходиться.

Лёгкие стальные конструкции держат крышу Источник гараж.in.ua

Нужно помнить, что хотя на тонких материалах можно сэкономить средства, тем не менее, они не будут достаточно прочными, чтобы обеспечить надёжную и долговечную эксплуатацию строительной фермы.

Когда производится расчёт навеса из металлопрофиля, калькулятором может быть специализированный сайт, который предоставляет услугу по проведению таких вычислений.

Для примера будет рассмотрен расчёт треугольной фермы, размеры которой составляют 4х6 метров. Подходящим будет профиль 3х3 сантиметра с толщиной стенок 1,2 мм.

Схема устройства фермы для навеса такова, что длина нижнего прогона равна 3,1 м, а верхнего – 3,9 м. Там, где находится узкий перпендикулярный край односкатной фермы, нужно поставить вертикально расположенные стойки. Их высота должна составлять 0,6 м.

Использование круговых конструкций Источник topangar.ru

На участках, которые нужно укрепить ставят косые перемычки треугольником. Их можно делать из более тонкого профиля. На 6 м длины необходимо поставить пять конструкций, расположив их равномерно. Рекомендуется укрепить их вспомогательными косыми распорками, расположив их в перпендикулярной плоскости. Для этого подойдёт профиль размером 20х20 мм. Расстояние между ними составляет 0,5 м.

Примеры формул

Чтобы выполнить расчет фермы из парных уголков или одинарных, необходимо в первую очередь определить высоту и длину конструкции. Последний показатель при этом будет соответствовать тому расстоянию, которое конструкция закроет в процессе эксплуатации (ширина здания плюс свесы).

Оптимальная высота фермы может определяться по таким формулам:

• для полигональных, параллельных и трапециевидных — H = 1/8 * L;
• для треугольных — 1/4 * L или 1/5 * L.

Здесь H — высота фермы, L — ее длина. Подкосы в решетке металлических каркасов кровель могут устанавливаться под углом от 35° до 50°. При этом оптимальным считается значение в 45°. При использовании смонтированных таким образом подкосов опорная конструкция получается наиболее прочной.

Коротко о главном

Металлические фермы обладают высокой прочностью и используются для устройства крыш, строительства мостов, и в других случаях, когда необходимо закрыть большие пролёты.

Фермы бывают параллельными, арочными, треугольными и трапециевидными. Чем меньше угол наклона крыши, тем более простую форму фермы применяют и используют меньше распорок.

Для небольшой конструкции применяют профиль сечением 40х20х2 мм длиной 4,5 м; большие пролеты требуют более прочного профиля от 40х60х3 мм сечением и длиной более 5 м.

Сборку фермы производят на горизонтальной поверхности, и лишь затем ее поднимают и приваривают к основанию.

Расчёт треугольной фермы для навеса или крыши основывается на знании таких параметров, как площадь навеса, высота распорок и расстояние между ними, угол наклона навеса.

Рекомендации перед постройкой

Требования, предъявляемые к навесам, отражены в СНИП 2.01.07-85. В документе указано как правильно определить нагрузки и их величины, которые должна выдерживать конструкция. Помимо этого нужно учитывать климатические особенности региона. Если зимы снежные и случаются сильные порывы ветра сечение профиля увеличивается.

Также следует учитывать размеры навеса. При увеличении расстояния между опорами сечение профиля выбирается больше. Шаг установки ферм регламентируется СНИП, однако, следует учитывать ширину кровельного материала. При использовании ондулина или поликарбоната чертеж составляется с учетом размера их листов.

От величины угла наклона навеса зависит количество скапливающегося снега. С крутой крыши он скатывается самопроизвольно, но для такой конструкции увеличивается расход материала. Для регионов с обильным выпадением снега угол делается не менее 25 — 30⁰.