Будівельна ферма: з чого складається, як працює та які види використовують у будівництві

Для цеху, ангара або спортивного залу важливо перекрити великий простір без проміжних колон. Суцільна балка за такого прольоту може виявитися надто важкою. Ферма дає змогу розподілити матеріал між поясами та ґраткою, зберігши необхідну несучу здатність. Водночас потрібно враховувати складність вузлів і стійкість під час монтажу.

Що таке ферма в будівництві

Ферма (конструкція) — це несуча стрижнева система, яка перекриває проліт і передає навантаження на опори. Її елементи з'єднані у вузлах і зазвичай утворюють трикутні комірки. Тому ферми належать до ґратчастих конструкцій.

Розібратися, що таке ферма в будівництві, допомагає її будова: замість суцільної стінки між верхнім і нижнім поясами розташовані окремі стрижні. Таке рішення часто дає змогу зменшити витрати матеріалу за великих прольотів. Вибір залежить від навантаження, доступної висоти та вартості виготовлення.

Як працює будівельна ферма

Трикутна комірка зберігає форму, доки не змінюється довжина її сторін. З'єднання таких комірок дає змогу передавати навантаження через систему стрижнів.

Якщо навантаження прикладене у вузлах, а з'єднання в розрахунковій моделі прийняті шарнірними, елементи працюють переважно на розтяг або стиск. Якщо навантаження прикладене між вузлами, у поясах виникає додатковий згин, який необхідно враховувати.

У звичайної вільно обпертої ферми під дією вертикального навантаження верхній пояс переважно стиснутий, а нижній розтягнутий. За вітрового підйому покрівлі характер зусиль може змінитися. Стиснуті елементи перевіряють на міцність і стійкість, розтягнуті — на міцність. Розрахункова схема має відповідати навантаженням і конструкції з'єднань.

З чого складається ферма: основні елементи конструкції

Будівельна ферма складається з поясів, ґратки та вузлів з'єднання. Їхні розміри й розташування визначають розрахунком:

• верхній пояс утворює верхній контур і сприймає навантаження від конструкцій, що спираються на нього;

• нижній пояс утворює нижній контур і бере участь у роботі всієї системи;

• розкоси — похилі стрижні, що з'єднують пояси;

• стійки — вертикальні елементи ґратки, передбачені в окремих схемах;

• вузли з'єднують стрижні зварюванням, болтами, за допомогою фасонок або інших передбачених проєктом кріплень;

• опорні вузли передають навантаження на колони, стіни або інші несучі елементи.

Ділянку ферми між сусідніми вузлами пояса називають панеллю. Її довжину узгоджують із розташуванням прогонів покрівлі. Передавання навантаження у вузли допомагає уникнути додаткового згину пояса між ними.

Які бувають будівельні ферми

За матеріалом розрізняють сталеві, дерев'яні та залізобетонні ферми. Вибір впливає на власну вагу, конструкцію з'єднань і організацію монтажу.

Металеві ферми виготовляють із кутників, швелерів, двотаврів, круглих або профільних труб. Їх застосовують для покриттів складів, цехів та інших будівель із великими прольотами. Сталеві елементи захищають від корозії, а необхідність вогнезахисту визначають відповідно до вимог проєкту.

Дерев'яні ферми використовують для дахів будинків, господарських споруд і навісів. Їх збирають із дощок або бруса, з'єднуючи елементи зубчастими пластинами, болтами, нагелями та іншими кріпленнями. Під час проєктування враховують вологість деревини, умови експлуатації та захист від біологічних пошкоджень.

Залізобетонні конструкції трапляються в промислових будівлях. Вони мають значну масу, тому доставку, розвантаження та підіймання планують з урахуванням характеристик кожного виробу.

За призначенням розрізняють кроквяні та підкроквяні ферми. Кроквяна ферма підтримує покриття будівлі. Підкроквяна слугує опорою для кроквяних ферм, наприклад, коли їхній крок не збігається з кроком колон.

Види ферм за формою та конструкцією

Обриси поясів вибирають з урахуванням ухилу покрівлі, прольоту та необхідної висоти конструкції:

• із паралельними поясами — для перекриттів і покриттів із невеликим ухилом;

• трикутні — для скатних дахів;

• трапецієподібні — для покриттів, де верхній пояс має невеликий ухил;

• багатокутні та сегментні — з ламаним або криволінійним верхнім поясом.

Розташування розкосів і стійок впливає на розподіл зусиль усередині ферми. Наприклад, у ґратці Пратта під дією вертикального навантаження розкоси переважно працюють на розтяг, а в ґратці Гау — на стиск. Ґратка Воррена складається з послідовності трикутних комірок. Інші схеми, зокрема Фінка та К-подібна, дають змогу змінювати розташування стрижнів і їхню розрахункову довжину. Конкретну конструкцію вибирають з урахуванням прольоту, навантажень та умов експлуатації.

Де застосовують будівельні ферми

Ферми в будівництві затребувані там, де потрібні великі простори без внутрішніх опор: у виробничих цехах, складах, ангарах, спортивних і торговельних комплексах.

У мостобудуванні ферми використовують у прогонових будовах. Ґратчасті стрижневі системи також застосовують для башт, щогл та опор ліній електропередачі, хоча їхня конструкція відрізняється від плоскої покрівельної ферми.

У приватному будинку готові ферми можуть замінити крокви, які збирають безпосередньо на місці. Така схема дає змогу передати навантаження від даху на передбачені проєктом опори. Відмова від внутрішніх несучих стін має бути обґрунтована розрахунком.

Ферма і балка: у чому різниця

Балка сприймає поперечне навантаження переважно завдяки згину. Ферма — це конструкція, у якій загальне навантаження передається головним чином через розтяг і стиск окремих стрижнів.

На невеликих прольотах балка часто простіша у виготовленні та монтажі. За великого прольоту ферма може виявитися легшою за порівнянної несучої здатності. Водночас вона зазвичай займає більше місця по висоті та потребує виготовлення численних з'єднань.

Ферма в будівництві — це частина загальної несучої системи: самої лише міцності її стрижнів недостатньо. Потрібні зв'язки та кріплення, які забезпечують стійкість із площини ферми. У проміжках ґратки можна прокладати комунікації, якщо їхнє розташування та кріплення узгоджені з проєктом.

Як перевозять і встановлюють будівельні ферми

Якщо ферму неможливо перевезти цілком, її виготовляють окремими відправними секціями. На майданчику їх з'єднують на підготовленому стенді або складальному майданчику. Положення конструкції під час перевезення, точки спирання та кріплення вантажу вибирають відповідно до документації виробника.

Для доставки та розвантаження окремих секцій або компактних ферм зручною є оренда крана-маніпулятора. Можливість виконання таких робіт перевіряють з урахуванням маси й габаритів вантажу, а також вантажопідіймальності машини за потрібного вильоту стріли.

До монтажу переходять після перевірки та закріплення опор. Точки стропування, необхідність використання траверси та спосіб підіймання визначають у проєкті виконання робіт. Ферму подають до опор, вивіряють, закріплюють і розкріплюють відповідно до монтажної схеми.

Стропи знімають після забезпечення стійкості конструкції. Для першої та наступних ферм передбачають тимчасові кріплення й послідовність установлення постійних зв'язків. Самих лише прогонів не завжди достатньо для забезпечення стійкості конструкції покриття під час монтажу.

Яка техніка використовується для монтажу ферм

Великі металеві та залізобетонні ферми встановлюють кранами. Техніку підбирають за масою конструкції з урахуванням вантажозахоплювальних пристроїв, габаритів, висоти монтажу та робочого вильоту стріли. Допустиме навантаження перевіряють за вантажною характеристикою для обраної конфігурації крана.

Для монтажу покриття складу, ангара або іншої будівлі можна замовити автокран. До підбору техніки потрібно визначити місце стоянки та відстань до опор. Тривалість монтажу залежить від кількості ферм і готовності майданчика.

Довга ферма чутлива до вітру під час підіймання. Допустимі погодні умови визначають відповідно до документації техніки та вимог до монтажу конкретної конструкції.

Що враховувати перед монтажем ферми

Спочатку перевіряють відповідність маркування, розмірів і поперечних перерізів проєкту. Якщо ферми металеві, оглядають стрижні, зварні шви, болтові з'єднання та захисне покриття. Пошкодження оцінюють до підіймання, а спосіб їх усунення погоджують із відповідальними фахівцями.

Також перевіряють:

• положення опор, закладних деталей і кріплень;

• під'їзд і місце для розвантаження;

• майданчик для укрупнювального складання;

• основу під виносними опорами крана;

• близькість котлованів, підземних комунікацій і ліній електропередачі;

• готовність тимчасових кріплень і постійних зв'язків.

Порядок установлення, схему стропування та тимчасове розкріплення передбачають у проєкті виконання робіт. Доставку, роботу крана та дії монтажників узгоджують до першого підіймання.