Стальные фермы: типы, узлы, принципы проектирования

Стальная ферма — самая экономичная по металлу решётчатая конструкция для пролётов от 12 до 60 метров. Там, где балка сплошного сечения уже неподъёмная или избыточная, ферма даёт ту же несущую способность при расходе металла в 1,5–2,5 раза ниже. На объекте ферма видна с первого взгляда: пояса, раскосы, стойки, узлы с косынками — каждый элемент работает на своё усилие, и каждый узел рассчитан отдельно. Этот материал собирает то, что должен знать конструктор и инспектор: типы ферм по статической схеме и геометрии решётки, принципы работы поясов и решётки, узлы крепления и опирания, типовые ошибки проектирования и приёмки.

Что такое ферма и принцип её работы

Ферма — решётчатая стержневая конструкция, собранная из прямых элементов, соединённых в узлах. В отличие от балки сплошного сечения, материал в ферме сконцентрирован в верхнем и нижнем поясах, разнесённых по высоте, и в раскосах решётки, соединяющих пояса. Изгибающий момент воспринимается поясами через продольные усилия (сжатие верхнего, растяжение нижнего пояса), поперечная сила — раскосами решётки через сжатие или растяжение.

Это даёт экономию металла: при равной несущей способности расход стали на ферму ниже, чем на балку сплошного сечения, потому что металл работает преимущественно на простые продольные напряжения, а не на сложное распределение по сечению. Цена этого преимущества — повышенная трудоёмкость изготовления узлов и сборки.

Расчётная схема классической фермы — стержневая система с шарнирными узлами. Это допущение: реальные узлы с фасонками и сварными швами не шарнирны, но при правильной геометрии решётки (когда оси всех элементов сходятся в одной точке) расчёт по шарнирной схеме даёт небольшую погрешность, и в нормах он принят как стандартный.

Типы ферм по статической схеме

Стандартные статические схемы стропильных и подстропильных ферм:

• однопролётная ферма на двух опорах — самая распространённая схема для пролётов 12–36 м;
• консольная ферма — с защемлением одной опоры и свободным консольным концом. Применяется в перекрытиях с консолью;
• трёхшарнирная ферма-арка — две полуфермы, соединённые шарниром в коньке. Применяется для криволинейных покрытий пролётом 24–60 м;
• неразрезная многопролётная ферма — для покрытий промышленных зданий с близко расположенными колоннами;
• предварительно напряжённая ферма — с натяжной арматурой нижнего пояса. Применяется в нагруженных мостовых и эстакадных конструкциях.

Типы ферм по геометрии решётки

Геометрия решётки определяется направлением раскосов и расстановкой стоек:

Тип решётки	Описание	Применение
Треугольная	раскосы под углом 40–50° к поясам, без стоек	фермы малых пролётов 12–18 м, простая в изготовлении
Раскосная	раскосы одного направления + вертикальные стойки	фермы покрытий средних пролётов 18–24 м
Полураскосная	раскосы поочерёдно в двух направлениях с стойками	фермы покрытий 18–30 м, симметричное распределение усилий
Шпренгельная	основная решётка + дополнительные мелкие подкосы	фермы с близко расположенными прогонами кровли
Крестовая	две системы раскосов накрест	связевые фермы каркасов, фермы с переменной нагрузкой

Выбор решётки зависит от соотношения постоянной и временной нагрузок, расположения опор и узлов крепления прогонов, эстетических требований к видимому контуру фермы.

Типы ферм по очертанию поясов

Контуры поясов — основной видимый элемент фермы. Стандартные варианты:

• с параллельными поясами — оба пояса горизонтальные. Применяются в покрытиях с уклоном до 1,5 % и в подвесных потолках. Простота изготовления — все стержни решётки одной длины;
• трапециевидные — нижний пояс горизонтальный, верхний наклонный с уклоном 1,5–2,5 %. Применяются в покрытиях средних пролётов с водоотводом по уклону кровли;
• треугольные — пояса сходятся в коньке. Применяются в покрытиях с уклоном свыше 7–10 %;
• сегментные — верхний пояс по дуге окружности. Эстетически выразительные, применяются в общественных зданиях и спортивных сооружениях.

Сечения поясов и решётки

Стандартные сечения элементов ферм:

Элемент	Типовое сечение	Альтернативы
Верхний пояс (сжатый)	спаренные уголки тавром	тавр разрезной, замкнутая профильная труба
Нижний пояс (растянутый)	спаренные уголки тавром	тавр разрезной, прямоугольная труба, полоса
Раскосы (сжатые)	спаренные уголки	уголок одиночный, труба профильная
Раскосы (растянутые)	уголок одиночный или спаренные	полоса, круглая сталь со специальной анкеровкой
Стойки	уголок одиночный или спаренные	круглая или профильная труба

Спаренные уголки тавром (полками наружу) — классическое решение для лёгких и средних ферм. Дают симметричное сечение в плоскости фермы, удобны для крепления раскосов к косынкам, экономичны по металлу. Замкнутые трубы применяются в современных конструкциях с акцентом на эстетику и в нагруженных фермах больших пролётов.

Узлы ферм

Узел фермы — место, где сходятся пояс и несколько раскосов (или раскосов и стоек). Конструктивное решение узла зависит от сечения элементов.

Узлы из спаренных уголков с фасонкой

Самое распространённое решение в лёгких и средних фермах. Между двумя уголками пояса в узле зажимается фасонка — стальная полоса, к которой привариваются раскосы и стойки. Геометрия узла:

• оси всех сходящихся в узле элементов должны проходить через одну точку — центр узла;
• фасонка имеет толщину 8–12 мм для лёгких ферм, 12–20 мм для тяжёлых;
• длина сварных швов между раскосами и фасонкой назначается из условия передачи расчётного усилия с учётом 65/35 распределения между обушком и пёрышком уголка;
• зазор между поясом и раскосом — не менее 50 мм для удобства сварки.

Узлы из труб

Для ферм из профильных труб узлы выполняются без фасонок — раскосы вырезаются по контуру пояса и привариваются непосредственно к нему. Это даёт чистый эстетический узел, но требует точной резки контура (плазменная или газовая резка с разделкой кромок), повышенного контроля геометрии и сварных швов.

Опорные узлы

Опорные узлы фермы — самая ответственная часть конструкции. Воспринимают опорную реакцию и передают её на колонну или стену через опорную пластину. Стандартные решения:

• опорный фланец, привариваемый к торцу фермы в заводе. На объекте фланец крепится к колонне болтами или сваркой;
• опорная пластина с укрупнённой фасонкой, привариваемой к стенке пояса. Применяется в лёгких фермах малых пролётов;
• сдвоенная опора с двумя пластинами, между которыми зажимается опорная зона фермы. Применяется в подкрановых и подвесных фермах.

Высота и пролёт фермы

Высота фермы (расстояние между поясами) — главный геометрический параметр. Стандартные соотношения высоты к пролёту:

• фермы покрытий из спаренных уголков — h/l = 1/7 … 1/9;
• фермы покрытий из труб — h/l = 1/10 … 1/15 (более экономичные);
• фермы перекрытий — h/l = 1/8 … 1/10;
• подкрановые и подвесные фермы — h/l = 1/5 … 1/7 (увеличенная высота для жёсткости).

Уменьшение высоты фермы даёт компактность и экономию пространства, но увеличивает усилия в поясах (нижний — на растяжение, верхний — на сжатие) и расход металла на пояса. Увеличение высоты снижает усилия в поясах, но увеличивает строительный объём и стоимость стен.

Прогоны и расположение узлов

Кровельные прогоны и связи опираются на верхний пояс фермы в узлах решётки. Любая нагрузка, приложенная не в узле, а в пролёте панели верхнего пояса, вызывает в нём дополнительный изгибающий момент. Поэтому стандартная практика — совмещать шаг прогонов с шагом узлов фермы.

Если шаг прогонов меньше шага узлов (плотная обрешётка), применяются шпренгельные фермы с дополнительными мелкими стойками, передающими прогонные нагрузки в основную решётку. Если шаг прогонов больше шага узлов — некоторые узлы остаются ненагруженными, что увеличивает их компактность.

Принципы подбора сечений

1. построить статическую схему фермы (геометрия, опоры, нагрузки);
2. выполнить статический расчёт — найти усилия в каждом стержне (растяжение или сжатие);
3. задать предварительные сечения по сортаменту с учётом конструктивных требований;
4. проверить прочность растянутых стержней на расчётное усилие с учётом ослабления отверстиями;
5. проверить устойчивость сжатых стержней по гибкости (λ ≤ λ_u = 120–150 в зависимости от назначения);
6. проверить местную устойчивость полок и стенок (для тонкостенных сечений);
7. проверить узлы — фасонки, сварные швы, болтовые соединения;
8. проверить прогиб фермы от нормативной нагрузки.

Предельный прогиб фермы — l/250 для большинства покрытий, l/200 для прогонов кровли, l/400 для подкрановых ферм. Прогиб фермы складывается из деформаций всех стержней под усилиями — растянутые удлиняются, сжатые укорачиваются, и пояс прогибается под суммарным эффектом.

Строительный подъём

Стропильные фермы пролётом свыше 24 м проектируются со строительным подъёмом — преднамеренным выгибом вверх для компенсации упругого прогиба от постоянной нагрузки. Стандартная стрела подъёма — 1/200 пролёта или 30–50 мм для типичных пролётов.

Строительный подъём задаётся изменением длин стоек или раскосов решётки — нижний пояс остаётся прямым, верхний приподнимается. После монтажа и приёма постоянной нагрузки ферма выравнивается, визуально оставаясь горизонтальной.

Связи между фермами

Отдельная ферма, поставленная между двумя колоннами, неустойчива в продольном направлении здания — она может опрокинуться или потерять общую устойчивость по верхнему сжатому поясу. Поэтому фермы связываются между собой системой связей:

• горизонтальные связи в плоскости верхнего пояса — раскрепляют сжатые пояса от потери общей устойчивости. Стандартно ставятся через каждые 2–3 шага ферм;
• вертикальные связи между фермами — раскрепляют решётку, передают горизонтальные нагрузки на жёсткие диафрагмы и колонны;
• горизонтальные связи в плоскости нижнего пояса — выполняют функцию ветрового пояса и торможения, повышают пространственную жёсткость каркаса.

Типовые ошибки

1. Расхождение осей элементов в узле. Если оси пояса, раскоса и стойки не сходятся в одной точке, в узле возникает паразитный изгибающий момент. Это снижает несущую способность узла и всего стержня.
2. Превышение предельной гибкости в сжатых раскосах. Мелкие уголки в длинных раскосах легко уходят за λ = 150. Профиль выглядит достаточным по усилию, но не проходит по устойчивости.
3. Прикрепление прогонов в пролёте панели верхнего пояса. Сосредоточенная нагрузка в пролёте между узлами создаёт в верхнем поясе локальный изгибающий момент, не учтённый в расчёте фермы как стержневой системы.
4. Тонкая фасонка узла. Фасонка работает на изгиб и срез под действием сходящихся усилий. Толщина менее 8 мм допустима только в лёгких фермах малых пролётов. В нагруженных фермах фасонки 12–20 мм.
5. Несоответствие шага связей пролёту фермы. Связи через каждые 4–5 ферм недостаточны для пролётов свыше 24 м. Расчётная длина сжатого пояса из плоскости фермы превышает допустимое значение.
6. Отсутствие строительного подъёма в длинных фермах. Ферма пролётом 24 м без подъёма провисает на 30–50 мм от постоянной нагрузки. Видимый провис вызывает претензии заказчика.
7. Применение нижнего пояса из одиночного уголка в растяжении с эксцентриситетом. Прикрепление одной полкой даёт коэффициент условий работы менее 1. Если расчёт идёт по полной площади — несущая способность завышена.
8. Сварка трубчатых узлов без разделки кромок. Прямой шов без разделки даёт недопровар при толщине стенки свыше 4–5 мм. Для нагруженных труб обязательна разделка под угол 30–45°.

Чек-лист приёмки

• сечения поясов и решётки соответствуют спецификации проекта;
• марка стали по сертификатам соответствует проектной;
• геометрия узлов — оси элементов сходятся в одной точке, в пределах допусков ±5 мм;
• толщина фасонок соответствует чертежу КМД;
• сварные швы — без подрезов, наплывов, кратеров, катет соответствует чертежу;
• длины швов на обушках и пёрышках уголков соответствуют проекту с учётом распределения 65/35;
• опорные фланцы перпендикулярны оси пояса в пределах допусков;
• строительный подъём (если предусмотрен) реализован при изготовлении;
• защитное покрытие нанесено без сколов;
• прямолинейность сжатых элементов в пределах 0,001 длины элемента;
• отсутствие деформаций фермы при транспортировке и монтаже;
• связи и распорки установлены по проектному шагу;
• маркировка элементов и узлов соответствует ведомости.

Часто задаваемые вопросы

Когда применять ферму, а когда сплошную балку? Ориентировочно ферма экономичнее сплошной балки при пролётах свыше 12–15 м для лёгких нагрузок и свыше 18–24 м для тяжёлых. На малых пролётах балка дешевле из-за низкой трудоёмкости изготовления.

Какая решётка экономичнее по металлу — треугольная или раскосная? Зависит от пролёта и нагрузки. Треугольная решётка проще в изготовлении и экономичнее для малых пролётов 12–18 м. Раскосная — для средних пролётов 18–24 м с равномерной нагрузкой.

Сколько весит стропильная ферма пролётом 18 м? Ориентировочно 800–1500 кг в зависимости от кровельной нагрузки и шага ферм. Для шага 6 м и снеговой нагрузки IIIсн района РБ — около 1200 кг.

Можно ли в существующей ферме заменить раскос на более тяжёлый? Можно, но только по проекту усиления с учётом перераспределения усилий в смежных стержнях. Замена «по месту» без расчёта недопустима.

Допустимо ли крепить прогон не в узле фермы, а в пролёте панели? Допустимо только при учёте этого в расчёте: в этом случае верхний пояс работает не как сжатый стержень фермы, а как сжато-изгибаемый. Расчётная нагрузка в поясе возрастает на момент от эксцентриситета.

Какая ферма легче — из уголков или из труб? Из труб при тех же нагрузках на 10–20 % легче. Но трудоёмкость изготовления трубчатой фермы выше из-за необходимости точной резки контуров узлов и контроля сварных швов.

Сокращения и обозначения

ТКП — технический кодекс установившейся практики. ТНПА — технический нормативный правовой акт. ТКП 45-5.04-167 — расчёт стальных конструкций (РБ). h/l — отношение высоты фермы к пролёту. λ — гибкость элемента. λ_u — предельная гибкость. R_y — расчётное сопротивление стали. γ_с — коэффициент условий работы. M, N, Q — изгибающий момент, продольная сила, поперечная сила. КМ — чертежи конструкций металлических. КМД — деталировка металлоконструкций. Фасонка — пластина в узле фермы, к которой крепятся раскосы и стойки. Решётка — система раскосов и стоек между поясами.

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