Строительная ферма: из чего состоит, как работает и какие виды применяют в строительстве

Для цеха, ангара или спортивного зала важно перекрыть большое пространство без промежуточных колонн. Сплошная балка при таком пролете может оказаться слишком тяжелой. Ферма позволяет распределить материал между поясами и решеткой, сохранив необходимую несущую способность. При этом нужно учитывать сложность узлов и устойчивость при монтаже.

Что такое ферма в строительстве

Ферма (конструкция) – это несущая стержневая система, которая перекрывает пролет и передает нагрузку на опоры. Ее элементы соединены в узлах и обычно образуют треугольные ячейки. Поэтому ферму относят к решетчатым конструкциям.

Разобраться, что такое ферма в строительстве, помогает ее устройство: вместо сплошной стенки между верхним и нижним поясами расположены отдельные стержни. Такое решение часто позволяет уменьшить расход материала на больших пролетах. Выбор зависит от нагрузки, доступной высоты и стоимости изготовления.

Как работает строительная ферма

Треугольная ячейка сохраняет форму, пока не меняется длина ее сторон. Соединение таких ячеек позволяет передавать нагрузку через систему стержней.

Если нагрузка приложена в узлах, а соединения в расчетной модели приняты шарнирными, элементы работают преимущественно на растяжение или сжатие. При нагрузке между узлами в поясах возникает дополнительный изгиб, который необходимо учитывать.

У обычной свободно опертой фермы под вертикальной нагрузкой верхний пояс преимущественно сжат, нижний растянут. При ветровом подъеме кровли характер усилий может измениться. Сжатые элементы проверяют на прочность и устойчивость, растянутые – на прочность. Расчетная схема должна соответствовать нагрузкам и устройству соединений.

Из чего состоит ферма: основные элементы конструкции

Строительная ферма включает пояса, решетку и узлы соединения. Их размеры и расположение определяют расчетом:

• верхний пояс образует верхний контур и принимает нагрузку от опирающихся на него конструкций;

• нижний пояс образует нижний контур и участвует в работе всей системы;

• раскосы – наклонные стержни, соединяющие пояса;

• стойки – вертикальные элементы решетки, предусмотренные в отдельных схемах;

• узлы соединяют стержни сваркой, болтами, через косынки или другие проектные крепления;

• опорные узлы передают нагрузку на колонны, стены либо другие несущие элементы.

Участок фермы между соседними узлами пояса называют панелью. Ее длину согласуют с расположением прогонов кровли. Передача нагрузки в узлы помогает избежать дополнительного изгиба пояса между ними.

Какие бывают строительные фермы

По материалу различают стальные, деревянные и железобетонные фермы. Выбор влияет на собственный вес, устройство соединений и организацию монтажа.

Металлические фермы изготавливают из уголков, швеллеров, двутавров, круглых или профильных труб. Их применяют для покрытий складов, цехов и других зданий с большими пролетами. Стальные элементы защищают от коррозии, а необходимость огнезащиты определяют по требованиям проекта.

Деревянные фермы используют для крыш домов, хозяйственных построек и навесов. Их собирают из досок или бруса, соединяя элементы зубчатыми пластинами, болтами, нагелями и другими креплениями. При проектировании учитывают влажность древесины, условия эксплуатации и защиту от биологического повреждения.

Конструкции из железобетона встречаются в промышленных зданиях. Они имеют значительную массу, поэтому доставку, разгрузку и подъем планируют с учетом характеристик каждого изделия.

По назначению выделяют стропильные и подстропильные фермы. Стропильная ферма поддерживает покрытие здания. Подстропильная служит опорой для стропильных ферм, например, когда их шаг не совпадает с шагом колонн.

Виды ферм по форме и конструкции

Очертание поясов выбирают с учетом уклона кровли, пролета и требуемой высоты конструкции:

• с параллельными поясами – для перекрытий и покрытий с небольшим уклоном;

• треугольные – для скатных крыш;

• трапециевидные – для покрытий, где верхний пояс имеет небольшой уклон;

• полигональные и сегментные – с ломаным или криволинейным верхним поясом.

Расположение раскосов и стоек влияет на распределение усилий внутри фермы. Например, в решетке Пратта под вертикальной нагрузкой раскосы преимущественно работают на растяжение, а в решетке Хау — на сжатие. Решетка Уоррена состоит из последовательности треугольных ячеек. Другие схемы, включая Финка и К-образную, позволяют изменять расположение стержней и их расчетную длину. Конкретную конструкцию выбирают с учетом пролета, нагрузок и условий эксплуатации.

Где применяют строительные фермы

Ферма в строительстве востребована там, где нужны большие пространства без внутренних опор: в производственных цехах, складах, ангарах, спортивных и торговых комплексах.

В мостостроении фермы используют в пролетных строениях. Решетчатые стержневые системы также применяют для башен, мачт и опор линий электропередачи, хотя их устройство отличается от плоской кровельной фермы.

В частном доме готовые фермы могут заменить стропила, собираемые по месту. Такая схема позволяет передать нагрузку от крыши на предусмотренные проектом опоры. Отказ от внутренних несущих стен должен быть обоснован расчетом.

Ферма и балка: в чем разница

Балка воспринимает поперечную нагрузку преимущественно за счет изгиба. Ферма – конструкция, в которой общая нагрузка передается главным образом через растяжение и сжатие отдельных стержней.

На небольших пролетах балка часто проще в изготовлении и монтаже. Для большого пролета ферма может оказаться легче при сопоставимой несущей способности. При этом она обычно занимает больше места по высоте и требует изготовления множества соединений.

Ферма в строительстве – это часть общей несущей системы: одной прочности ее стержней недостаточно. Необходимы связи и крепления, обеспечивающие устойчивость из плоскости. Через промежутки решетки можно провести коммуникации, если их расположение и крепления согласованы с проектом.

Как перевозят и устанавливают строительные фермы

Если ферму нельзя перевезти целиком, ее изготавливают отдельными отправочными секциями. На площадке их соединяют на подготовленном стенде или сборочной площадке. Положение конструкции при перевозке, точки опирания и крепления груза выбирают по документации изготовителя.

Для доставки и разгрузки отдельных секций или компактных ферм удобна аренда крана-манипулятора. Возможность такой работы проверяют по массе и габаритам груза, а также грузоподъемности машины на требуемом вылете.

К монтажу переходят после проверки и закрепления опор. Точки строповки, необходимость траверсы и способ подъема определяют в проекте производства работ. Ферму подают к опорам, выверяют, закрепляют и раскрепляют по монтажной схеме.

Стропы снимают после обеспечения устойчивости конструкции. Для первой и последующих ферм предусматривают временные крепления и последовательность устройства постоянных связей. Одних прогонов не всегда достаточно для устойчивости собираемого покрытия.

Какая техника используется для монтажа ферм

Крупные металлические и железобетонные фермы устанавливают кранами. Технику подбирают по массе конструкции с учетом грузозахватных приспособлений, габаритам, высоте монтажа и рабочему вылету. Допустимую нагрузку проверяют по грузовой характеристике для выбранной конфигурации крана.

Для монтажа покрытия склада, ангара или другого здания можно заказать автокран. До подбора техники нужно определить место стоянки и расстояние до опор. Срок монтажа зависит от количества ферм и готовности площадки.

Длинная ферма чувствительна к ветру при подъеме. Допустимые погодные условия принимают по документации техники и требованиям к монтажу конкретной конструкции.

Что учитывать перед монтажом фермы

Сначала проверяют соответствие маркировки, размеров и сечений проекту. Если фермы металлические, осматривают стержни, сварные швы, болтовые соединения и защитное покрытие. Повреждения оценивают до подъема; способ исправления согласуют с ответственными специалистами.

Также проверяют:

• положение опор, закладных деталей и креплений;

• подъезд и место для разгрузки;

• площадку для укрупнительной сборки;

• основание под выносными опорами крана;

• близость котлованов, подземных коммуникаций и линий электропередачи;

• готовность временных креплений и постоянных связей.

Порядок установки, схему строповки и временное раскрепление предусматривают в проекте производства работ. Доставку, работу крана и действия монтажников согласуют до первого подъема.