Стальные фермы: типы, расчёт, узлы

Стальная ферма — решётчатая конструкция, в которой нагрузки передаются через систему стержней, работающих преимущественно на растяжение и сжатие. По сравнению со сплошной балкой ферма при равной несущей способности легче в 1,5–3 раза, но требует большего расхода трудозатрат на изготовление и монтаж. Применяется в покрытиях промышленных и общественных зданий с пролётом от 18 м, в мостовых конструкциях, эстакадах, опорах ЛЭП, башенных сооружениях. Эта статья разбирает типы ферм, системы решёток, конструкцию узлов и принципы проектирования по СТБ EN 1993-1-1.

Материал носит справочный и образовательный характер. Расчёт несущих конструкций должен выполняться квалифицированным проектировщиком с учётом конкретных грунтовых условий, климатических нагрузок и эксплуатационных требований. Применение приведённых принципов для самостоятельного проектирования без поверки специалистом не рекомендуется.

Когда ферма выгоднее сплошной балки

Сплошная балка работает на изгиб: верхняя половина сечения сжата, нижняя растянута, а стенка передаёт сдвиг. При больших пролётах изгибающий момент растёт пропорционально квадрату длины, и масса балки становится непомерной.

В ферме нагрузки передаются через систему стержней: пояса работают как сжатый и растянутый элементы общего изгиба, решётка передаёт поперечную силу. За счёт большой высоты сечения (1/8–1/12 пролёта) и расположения металла в самых нагруженных точках ферма эффективно работает на больших пролётах.

Ферма становится экономически выгодной в следующих условиях:

пролёт более 18 м — стандартный критерий для производственных зданий;
большая высота возможна по архитектурным условиям;
нагрузки преимущественно вертикальные, без значительных горизонтальных и крутящих;
требуется пропуск инженерных коммуникаций через высоту фермы;
пролёт ограничен по массе монтажных элементов (длинная сплошная балка не вписывается в грузоподъёмность кранов).

При пролётах менее 15–18 м сплошная балка обычно дешевле в изготовлении и монтаже, несмотря на больший расход металла. При пролётах более 24 м ферма практически безальтернативна.

Типы ферм по очертанию поясов

По геометрии верхнего и нижнего поясов фермы классифицируют на четыре основных типа.

Тип фермы	Применение	Особенности
Треугольная	Скатные кровли с большим уклоном (12–45°), стропильные системы	Простая, эффективна для крутых уклонов; узлы на коньке нагружены сильно
Трапециевидная	Малоуклонные кровли (8–15°), производственные здания	Универсальный тип; рациональное распределение усилий
С параллельными поясами	Плоские кровли, перекрытия, мостовые конструкции	Простота изготовления; одинаковая высота по всей длине
Сегментная (с криволинейным поясом)	Большие пролёты (30 м и более), своды	Минимальные изгибающие моменты в поясе при равномерной нагрузке

Высота фермы в середине пролёта определяется как 1/8–1/12 длины пролёта. Меньшая высота даёт большие усилия в поясах и требует больших сечений, чрезмерная высота — увеличивает массу решётки и стоимость монтажа.

Системы решёток

Решётка — система стержней между поясами, передающая поперечную силу. Различают несколько систем по типу и расположению раскосов.

Система решётки	Особенности	Типовое применение
Треугольная	Только наклонные раскосы без вертикальных стоек	Лёгкие стропильные фермы небольших пролётов
Раскосная (с восходящими)	Раскосы и стойки; раскосы растянуты, стойки сжаты	Производственные фермы пролётом 18–36 м
Раскосная (с нисходящими)	Раскосы и стойки; раскосы сжаты, стойки растянуты	Реже применяется; невыгодна по устойчивости
Ромбическая	Перекрёстная сетка раскосов	Большие пролёты, динамические нагрузки
Шпренгельная (полураскосная)	Дополнительные малые раскосы внутри панелей	Большие пролёты с тяжёлой кровлей или подвесом

Принцип рационального проектирования решётки: основные раскосы должны быть растянутыми, дополнительные стойки — сжатыми, но короткими. Растянутые элементы расчётно эффективнее сжатых, поскольку не подвержены потере устойчивости. Для типового производственного здания применяется раскосная решётка с восходящими раскосами от опор к середине.

Принципы компоновки геометрии

При проектировании фермы геометрия задаётся через три основных параметра: высоту, длину панели, угол наклона раскосов.

длина панели верхнего пояса — обычно 1,5–3,0 м, выбирается с учётом расстояния между прогонами кровли;
длина панели нижнего пояса — кратна длине верхней панели, чаще всего равна или в 2 раза больше;
угол наклона раскосов к горизонтали — оптимально 35–45° для обеспечения работы решётки и минимизации длины стержней;
симметрия — фермы покрытий проектируются симметричными для упрощения изготовления и универсальности применения.

Соотношение длины панели и высоты фермы определяет угол раскоса. При высоте 3 м и панели 3 м угол составит 45° — рациональное значение для большинства случаев. Меньшие углы увеличивают усилия в раскосах, большие — затрудняют расположение узлов и увеличивают расход металла.

Типы сечений элементов

Элементы фермы подбираются с учётом характера работы (сжатие или растяжение), требований устойчивости и удобства узловых соединений. Применяются следующие типы сечений:

парные уголки, соединённые крестообразно или тавром — традиционное решение для ферм лёгких и средних пролётов;
гнутосварные профили (ГСП) — прямоугольные и квадратные трубы по СТБ EN 10219;
тавры из прокатных или сварных профилей — рациональное сечение для поясов;
горячекатаные трубы — для лёгких ферм и эстетически открытых конструкций;
швеллеры и двутавры — для тяжёлых ферм мостов и эстакад;
составные сечения из листов — для пролётов более 30 м.

Современный тренд в промышленных фермах — переход на гнутосварные профили, обеспечивающие лучшие показатели устойчивости при сжатии, простоту бесфасоночных узлов, эстетичный внешний вид. Парные уголки сохраняют позиции в лёгких типовых фермах массового применения.

Узлы ферм: фасоночные и бесфасоночные

Узел фермы — место сходимости пояса и стержней решётки. Реализуется двумя принципиально разными способами.

Фасоночный узел: между поясом и стержнями решётки устанавливается стальная фасонка (косынка), к которой стержни приваривают или закрепляют на болтах. Фасонка обеспечивает удобство соединения, передачу усилий через сварные швы или болты, возможность подгонки геометрии.

Принципы конструирования фасоночного узла:

центрирование осей стержней решётки в одной точке на оси пояса — для исключения эксцентриситета;
сварные швы выполняются с обеих сторон каждого стержня;
толщина фасонки — 6–14 мм для лёгких ферм, 16–25 мм для тяжёлых;
углы фасонки округляют для снижения концентрации напряжений;
пояс может быть непрерывным или с заводским стыком на узле — в зависимости от технологии изготовления.

Бесфасоночный узел: стержни решётки приваривают непосредственно к поясу без промежуточных деталей. Применяется в фермах из гнутосварных профилей. Узел получается компактным и эстетичным, но требует точной разделки кромок стержней и более высокой квалификации сварщиков.

Принципы расчёта стержней

В классической ферме все стержни в идеализированной модели работают только на осевое усилие — сжатие или растяжение. Это допущение справедливо, когда нагрузки приложены в узлах, а соединения шарнирные. Реально в стержнях возникают также изгибающие моменты от внеузловых нагрузок и жёсткости узлов, но они второстепенны для типовых ферм.

Растянутые стержни рассчитываются по условию прочности — напряжение не должно превышать расчётного сопротивления стали. Площадь сечения определяется как:

A ≥ N / (γ_c·R_y),

где N — расчётное усилие, R_y — расчётное сопротивление стали по пределу текучести, γ_c — коэффициент условий работы.

Сжатые стержни проверяются на устойчивость:

A ≥ N / (φ·γ_c·R_y),

где φ — коэффициент продольного изгиба, зависящий от гибкости стержня λ = L_ef / i (L_ef — расчётная длина, i — радиус инерции сечения).

Предельные гибкости по СТБ EN 1993-1-1 ограничены:

сжатые пояса — не более 120;
сжатые раскосы и стойки — не более 150;
растянутые элементы (от собственного веса) — не более 250;
связи покрытия — не более 200.

Опорные узлы и закрепления

Опорный узел фермы — наиболее ответственное соединение, через которое нагрузка передаётся на колонну, стену или фундамент. Конструкция зависит от типа опирания и величины опорной реакции.

Типовые решения опорных узлов:

опирание на оголовок колонны через опорный лист с центрирующей прокладкой — для шарнирных опор;
примыкание к колонне сбоку с фасонкой и опорным столиком — при значительной горизонтальной реакции;
опирание на стену через анкерные опорные плиты — для одноэтажных зданий с несущими стенами;
шарнирное опирание через каток или сферический шарнир — для мостов и эстакад с возможностью температурных перемещений.

В типовой ферме одна опора выполняется неподвижной, другая — подвижной для свободы температурных деформаций. При пролётах до 36 м обе опоры можно делать неподвижными, при большем пролёте подвижная опора обязательна.

Изготовление и монтажные стыки

Фермы пролётом до 24 м обычно изготавливаются цельнометаллическими и перевозятся одним блоком. При больших пролётах ферма разделяется на отправочные элементы — заводские блоки, соединяемые на монтаже.

Заводские стыки выполняются сваркой по СТБ EN 1090-2, монтажные — высокопрочными болтами по СТБ EN 1993-1-8. Болтовые монтажные стыки предпочтительны по технологичности, скорости монтажа и контролю качества.

Расположение монтажных стыков назначается с учётом транспортных габаритов (длина блоков обычно до 12–14 м) и удобства монтажных работ. Стыки выносят в зоны малых усилий, обычно вблизи центра нижнего пояса и в местах малых раскосов.

Связи и устойчивость из плоскости

Стропильная ферма работает в своей плоскости, но без связей теряет устойчивость из плоскости. Система связей покрытия включает:

горизонтальные связи по верхним поясам — закрепляют сжатый пояс от потери устойчивости;
горизонтальные связи по нижним поясам — обеспечивают пространственную работу;
вертикальные связи между фермами — передают ветровые нагрузки и обеспечивают совместную работу;
связи в торцах зданий — воспринимают торцевую ветровую нагрузку.

Связи проектируются как сквозные крестовые или решётчатые системы между двумя соседними фермами. Расстояние между связевыми блоками — обычно 36–60 м в зависимости от длины здания.

Типовые ошибки проектирования

Эксцентриситет в узлах — оси стержней не сходятся в одной точке, в стержнях и фасонке возникают паразитные изгибающие моменты.
Недостаточная толщина фасонки — фасонка теряет устойчивость или продавливается под действием стержней.
Применение элементов с гибкостью выше предельной — потеря устойчивости при нагрузках ниже расчётных.
Отсутствие связей по нижнему поясу — нарушается пространственная работа, возможно опрокидывание ферм при монтаже.
Применение фермы с параллельными поясами для крутой кровли — нерациональный расход материала.
Сосредоточенные нагрузки приложены вне узлов — в поясе появляются изгибающие моменты, требующие дополнительной проверки.
Несимметричное загружение неучтено — для крановых нагрузок и снеговой нагрузки с одной стороны.
Игнорирование собственного веса при больших пролётах — для ферм пролётом более 36 м собственный вес составляет 20–40 % от полной нагрузки.
Применение сжатых раскосов большой длины без расчёта на устойчивость в обеих плоскостях.

Часто задаваемые вопросы

Какой пролёт типовой стропильной фермы? Типовые серии содержат фермы пролётом 18, 24, 30, 36 м с шагом 6 или 12 м. Индивидуально проектируемые фермы покрывают любой пролёт от 18 до 90 м.

Что эффективнее — ферма из ГСП или из парных уголков? ГСП обеспечивают лучшую устойчивость сжатых элементов, эстетичные узлы, меньшую коррозионную поверхность. Парные уголки дешевле в производстве и проще в обработке. Для производственных зданий часто экономически эффективны парные уголки, для эстетически значимых объектов — ГСП.

Можно ли подвешивать оборудование к ферме? Можно, но только в узлах или с локальным усилением пояса. Подвес в произвольной точке пояса создаёт изгибающий момент, не предусмотренный типовым расчётом. Для систематического подвеса предусматриваются специальные узлы при проектировании.

Зачем нужен строительный подъём фермы? Для ферм пролётом более 24 м строительный подъём 1/200–1/300 пролёта компенсирует прогиб от собственного веса и постоянной нагрузки. После монтажа и приложения нагрузки нижний пояс должен занять близкое к горизонтали положение.

Чем отличается стропильная ферма от подстропильной? Стропильная ферма опирается непосредственно на колонны и несёт кровельный настил. Подстропильная ферма устанавливается между основными колоннами и служит дополнительной опорой для стропильных ферм при увеличении шага основных колонн (12 м вместо 6 м).

Каков срок службы стальной фермы? При правильном антикоррозионном покрытии и своевременном обслуживании — 50–80 лет и более. Определяющий фактор — состояние защитного покрытия и узлов опирания. Регламентные осмотры проводятся каждые 5 лет с фиксацией в техническом паспорте здания.

Сокращения и обозначения

ТНПА — технические нормативные правовые акты;
СТБ — стандарт Беларуси;
ТКП — технический кодекс установившейся практики;
EN — европейский стандарт (Euronorm);
ЛЭП — линия электропередач;
ГСП — гнутосварной профиль (прямоугольная или квадратная труба);
КМ, КМД — конструкции металлические / металлические деталированные (стадии проектирования);
N — продольное усилие в стержне;
A — площадь сечения;
R_y — расчётное сопротивление стали по пределу текучести;
φ — коэффициент продольного изгиба;
λ — гибкость стержня;
L_ef — расчётная длина стержня;
i — радиус инерции сечения;
γ_c — коэффициент условий работы.

Материал подготовлен по действующим на дату публикации редакциям ТНПА. Применение рекомендаций должно учитывать актуальность нормативной базы и конкретные условия объекта.