Какие бывают и где применяются стропильные фермы. Расчет стропильных ферм. Как сделать ферму для крыши

 

Основу несущей конструкции крыши составляют фермы, которые бывают стропильными и подстропильными. От того, насколько качественно они выполнены, зависит прочность, надежность и срок эксплуатации кровли. Металлические фермы для крыши должны выдерживать не только вес так называемого кровельного «пирога», но и существенные нагрузки, являющиеся результатом воздействия сильных ветров и атмосферных осадков.

Что такое стропильные фермы?

Стропильная ферма представляет собой используемую для устройства скатных крыш жесткую конструкцию. Она необходима, чтобы перераспределить нагрузку, которой подвергается кровля, на стены здания. Материалы изготовления ферм бывают разные, но чаще всего используется в настоящем времени металлопрокат.

.Выбор схемы фермы

При выборе формы стропильной фермы учитывают следующие факторы:

• угол уклона кровли;
• тип соединения, который предполагается использовать при создании конструкции;
• материал покрытия поверхности крыши;
• наличие/отсутствие потолочного перекрытия.

Например, если при постройке дома, склада, магазина, гаража, навеса, создается почти плоская кровля с покрытием из битумных рулонных материалов, тогда самым оптимальным, по мнению специалистов, является форма трапеции или прямоугольника. Треугольные фермы монтируют, если крыша имеет крутые скаты и на ее поверхность планируют уложить тяжелые покрытия.

 

Для определения высоты фермы пользуются формулами:

• если прямоугольная ферма - 1/6 х L;
• если конструкция треугольная - 1/5 х L.

Буква L – это длина пролета стропильной фермы.

При постройке частного дома, как правило, возводят треугольную стропильную систему. Такая форма фермы в комбинации с наклонным дает возможность строить односкатные и двускатные кровли, имеющие разные углы наклона. Когда возводятся коттеджи с двухскатными крышами, нередко применяют конструкции с висячими стропилами. При этом стропила резные могут стать настоящим украшением кровли.

Конструкция простых треугольных ферм

Во многом схема раскладки стропил зависит от длины пролета здания и наличия/отсутствия внутренних несущих стен. Используется простая стропильная ферма в том случае, если она опирается исключительно на внешние стены постройки (у дома нет опор внутри) и параметр пролета не превышает 6 метров.

Металлические и стальные стропильные конструкции

Чтобы изготовить пояса и решетки используют уголки для стропильной системы, а отдельные элементы соединяют сваркой. Оптимальным решением, отличающимся надежностью, специалисты считают конструкцию, для которой пояса делают из тавровых широкополочных балок. Отличие между стальными подстропильными фермами и стропильными заключается в наличии параллельного пояса. Их размеры соответствуют параметрам стропильных конструкций.

Для постройки частных домов, как правило, применяют фермы, для производства которых используют профильные горячекатаные или гнутые трубы прямоугольные или с квадратным сечением. Это объясняется просто: их вес меньше, чем у изделий, изготовленных из уголка, тавра или швеллера. Такую систему можно легко собрать из отдельных готовых элементов на стройплощадке перед началом монтажа при помощи сварки.

 

 

Ферма - это стержневая система, которая останется геометрически неизменяемой после условной замены ее жестких узлов шарнирными

Конечно же в абсолютном большинстве случаев фермы изготавливаются с достаточно жесткими узлами, специальных шарнирных соединений никто не делает, а

условная замена жестких узлов шарнирными нужна для максимального упрощения расчета

Так фермаявляется статически определимой системой, т.е. определить нормальные напряжения в стержнях такой фермы мы можем, используя стандартный набор из трех уравнений равновесия. А если бы узлы фермы были жесткими, то такая ферма была бы трижды статически неопределимой со всеми вытекающими отсюда последствиями. Как показывает практика, результаты расчетов параметров фермы при условной замене жестких узлов шарнирными достаточно близки к результатам для фермы с жесткими узлами при соотношении длины стержня к его высоте или ширине l/h > 10 и при приложении нагрузки в узлах фермы. А чтобы такие расчеты можно было смело производить, конструкция должна быть геометрически неизменяемой.

 

Само собой кроме плоских ферм, у которых оси всех стержней расположены в одной плоскости, как в вышерассмотренных случаях, в строительстве применяются пространственные фермы, оси элементов которых не лежат в одной плоскости, как на фотографии 1. Расчет пространственных ферм часто удается свести к расчету нескольких плоских ферм. Впрочем, расчет как пространственных, так и плоских ферм не является темой данной статьи.

Расстояние между осями опор фермы l называется пролетом. Стержни, расположенные по внешнему контуру фермы называются поясными и образуют верхний сжимаемый и нижний растягиваемый пояс фермы. Стержни АС и ВС на рисунке 1.в образуют верхний пояс, стержень АВ - нижний пояс. Стержни, соединяющие верхний и нижний пояс, образуют решетку фермы. Вертикальные стержни, на которые действуют сжимающие напряжения, называются стойками, наклонные стержни называются раскосами. Расстояние между соседними узлами любого пояса фермы обычно измеряется по горизонтали и называется панелью.

 

Какую форму стропильных ферм выбрать?

 

Для определения наиболее оптимального варианта формы стропильной фермы учитывайте основные определяющие моменты:

• основной материал покрытия кровли;
• угол уклона кровли;
• наличие потолочных перекрытий.
• особенности типа соединения элементов ферм.

Например. При устройстве плоской кровли, с наружным покрытием битумными рулонными материалами оптимальный вариант фермы – трапеция или прямоугольник.
Если кровля имеет угол наклона больше 12 градусов, а также для тяжелых покрытий специалисты рекомендуют подбирать треугольные фермы.

При расчете высоты стропильной фермы используется формула, соответствующая выбранной форме.

• форма « треугольник» – 1/5*L;
• форма «прямоугольник» – 1/6*L, где L - длина пролета.

 

Особенности несущей конструкции металлических стропильных ферм

 

Для повышения жесткости кровли, как правило, используют стропильную систему, изготовленную из металла.
Кроме этого, такой вариант системы широко используется при создании стропильной фермы, длина которой превышает 10 метров. В этом случае на стальные заменяют не только сами стропила, а и опоры коньков и брус мауэрлата. Вместо деревянного соединительного элемента производят укладку с помощью швеллера, а крепление стропильных ног производят с использованием приваренных уголков.
Стальные стропильные фермы обладают целым рядом преимуществ:

• высокая степень прочности;
• устойчивость к гниению и саморазрушению;
• длительность срока службы;
• возможность применения при перекрытии помещения большой высоты и площади.

Однако кроме преимуществ такие металлические конструкции обладают и рядом недостатков:

• большой вес конструкции – особые требования к использованию спецтехники при подъеме на нужную высоту;
• низкий уровень сопротивляемости материала высоким температурам;
• высокая стоимость материала изготовления.

Металлические стропильные фермы изготавливают используя классические профили, спаренные уголки и другие элементы.

При строительстве мансард, как правило, используются висячие стропила.

Особенностью установки висячих стропил является закрепление на две крайние опоры, например, на стены здания. В этом случае промежуточные опоры не используются. Особенностью эксплуатации таких стропильных ног является работа на изгиб и сжатие. Данная конструкция обладает значительным горизонтальным распирающим усилием, передающиеся стенам. Для уменьшения усилия используется затяжка. С этой целью применяются железобетонные металлические балки.
В зданиях со столбчатыми промежуточными опорами или средней несущей стеной используют наклонные стропила. Такой вариант предполагает опору концов конструкции на наружные стены дома. Средняя часть стропильной конструкции опирается на опоры или внутреннюю стену. Такие стропила работают только на изгиб (принцип работы балки)

Установка стропильных систем – расчет нагрузок

При установке стропильных систем важно не только правильно выбрать форму конструкции и материал изготовления. Одним из основных критериев надежности конструкции является грамотный расчет нагрузок.
Все возможные нагрузки на крышу дома подразделяются на три группы:

• временные (возможный вес снега, людей, ветра и т.д.);
• постоянные (вес кровельного пирога);

Стропильная система (фермы и балки) представляет собой несущую конструкцию, состоящую из многих элементов. Независимо от выбора формы и конструкции – это технологически сложный процесс, основным этапов которого является проектирование.
Именно на этом этапе производится расчет, который ляжет в основу всей безопасности конструкции на весь эксплуатационный период. Данный расчет представляет собой сложные вычисления, в основу которых заложены специфические профессиональные знания.
Провести качественные расчетные мероприятия могут только профессионалы – инженеры, архитекторы, проектировщики и специалисты-монтажники. Проводить такие работы самостоятельно, означает увеличить риск нарушения требований безопасности несущей конструкции. Кроме этого, возможны нарушения архитектурных форм крыши, а также значительное увеличение расходов на проведение ремонтных работ.

 

Стропильные металлоконструкции: использование профильных труб

Большие размеры помещения? Конструкция крыши должна быть очень прочной и надежной? Тогда при установке стропильной системы используем металл. Металлические стропила применяются для монтажа бруса длиной более 10 метров.

Металлические фермы применяют в строительстве мостов, промышленных зданий.

Решетчатые металлоконструкции, которые состоят из соединенных стержней, называют фермами.

Их производство экономичнее в отличие от сплошностенчатых балок, но более трудоемко. Чем больше пролет и меньше нагрузка, тем больше экономический эффект ферм.

Плоские фермы (в одной плоскости) нуждаются в закреплении, а пространственные принимают нагрузку в любом направлении (жесткая пространственная конструкция). Ферма состоит из поясов (контур конструкции) и решетки (стойки, раскосы). При изготовлении ферм используют парный материал и косынки для их соединения. Элементы соединяют клепками или сваривают.

 

Ферма металлическая из профильной трубы. При изготовлении ферм используют парный материал и косынки для их соединения. Элементы соединяют клепками или сваривают.

Фермы (или металлические стропила) применяют при строительстве мостов, перекрытий жилых и промышленных зданий, объектах связи, линий электропередач, грузоподъемных кранов, транспортных эстакадах и т.д. Недостатки металлических конструкций:

• ввиду большого веса для подъема и монтажа на необходимую высоту требуется специальная техника;
• фермы имеют низкий коэффициент сопротивления высоким температурам, поэтому в случае пожара кровля быстро провисает и рушится (15-20 минут);
• установка металлического каркаса очень дорогостоящая.

При построении стропильной конструкции используют в основном трапециевидную и треугольную фермы. Это зависит от нагрузки, размеров здания и типа кровельного покрытия.

Стропильная ферма: что это и как использовать?

Стропильная ферма представляет собой металлоконструкцию, состоящую из стропильных ног, стоек, распорок, ригелей, подкосов, соединенных в одной плоскости. С другой стороны, стропильная ферма - висячая металлоконструкция, состоящая из верхнего и нижнего поясов, раскосов, стоек. Какую конструкцию выбрать? Ответ на этот вопрос зависит от нагрузки, уклона кровли, расположения чердачного перекрытия, длины пролета.

 

Схема соединения профильных труб.

Угол склона кровли на 22-30 градусов В данном случае лучше использовать треугольную ферму, высота которой будет составлять 1/5 длины пролета. Она будет иметь меньший вес, а стены можно возводить невысоко (пределы чердака). При больших размерах пролета (14-20 метров) снизить вес конструкции необходимо за счет нисходящих раскосов. Длина панели верхнего пояса должна быть 1,5-2,5 метров, а их количество - 8. При этом лучшим кровельным покрытием будут шифер, этернит или железо. Для промышленных зданий (длина пролета 20-35 метров) применяют фермы Полонсо (2 треугольные фермы, соединенные затяжкой). В средней панели нет длинных раскосов, чтобы снизить вес конструкции. На верхнем поясе содержится 12-16 панелей длиной 2-2,75 метров.

Угол склона кровли 15-22 градуса Высота стропильной конструкции составляет 1/7 длины пролета. Для увеличения высоты до 0,16-0,23 от длины пролета, делают ломаным нижний пояс. В результате снижается вес фермы до 30% от треугольной формы. Но здесь необходимо увеличить стены чердака (количество панелей 8). Длина пролетов должна быть не более 20 метров. Угол склона кровли 6-15 градусов При маленьких уклонах используется трапециевидная конструкция. Высота фермы, чтобы снизит вес, должна составлять 1/7 или же 1/9 длины пролета. Раскосы в виде треугольной решетки, если потолок не подвешивается, а количество панелей, как и у треугольной фермы. Стены чердака у опор должны быть выше. Если подвешиваем потолок, то панели нижнего и верхнего поясов должны быть равны по длине (1,5-2,5 метров). К раскосам прибавляют стойки.

 

Конструктивные схемы ферм: А - треугольная; Б - треугольная на лобовых рубках; В - многоугольная; Г - пятиугольная на лобовых врубках.

Ферма Полонсо используется тогда, когда потолок сложно геометричный, и его центр высоко поднят над опорами. Если требуется высоко поднять потолок над опорами, то нужно заказать многоугольную стропильную ферму (нижний пояс поднят). Высота фермы должна быть 1/6 или 1/7 от длины пролета. В данном случае кровля мансардная или прямолинейная. Все детали ферм делают из парного профиля, соединяя в узлах косынками. Элементы свариваются или клепаются. Верхний пояс делают в виде таврового сечения из 2-х неравнобоких уголков, стыкая по маленькой стороне. Нижний пояс напротив делают из равнобоких уголков. Чтобы снизить нагрузку панелей применяют парные швеллеры. При изготовлении раскосов и стоек также используют равнобокие уголки с крестообразным или тавровым сечением. Для изготовления полностью сварной фермы применяют тавры.

Металлические профильные трубы будут актуальны всегда

 

Классификация способов сварки труб.

• профильные трубы легче уголка, швеллера, тавра;
• легко собираются на месте, если есть сварка.

Для крыши с тяжелым кровельным покрытием (металлочерепица, шифер, черепица, железо) устанавливают деревянную стропильную систему. А в случае использования легких материалов (битумные гонты, прозрачный шифер, ондулин, поликарбонат, рулонный материал) монтируется ферма из профильных труб. Ввиду того, что люди стали больше использовать современное легкое и удобное в эксплуатации кровельное покрытие, фермы из профильных труб пользуются большой популярностью. Металлические профильные трубы - это один из видов трубного производства, в котором используют в основном 2 вида материалов: сталь и алюминий. Она изготавливается из круглой трубы методом холодного или горячего деформирования. Характеристики металлической профильной трубы (размер и толщина стенок, форма) зависят от назначения. Чтобы снять механическое напряжение внутри, ее термически обрабатывают. Профильные трубы по типу изготовления делят на:

Преимущества профильной трубы:

• удобство при транспортировке, складировании, погрузке-разгрузке;
• низкая металлоемкость конструкций;
• выдерживают большие механические нагрузки;
• дают простор фантазии архитекторам и дизайнерам.

Виды профильных труб

• Стальные профильные трубы

Стальные профильные трубы производятся из различных сплавов стали. Существует несколько видов профильного сечения этих труб: квадратное, прямоугольное, овальное, каплевидное, плоскоовальное. Стальные профильные трубы отличаются очень высокими прочностными характеристиками. По этой причине они нашли применение в строительстве металлоконструкций как легких (беседки, скамейки), так и тяжелых. Широко используются в автомобильном производстве и производстве мебели.

Но все металлические изделия подвержены коррозии, что значительно снижает срок их эксплуатации. Но в настоящее время и этот вариант продуман - оцинкованные профильные трубы. не подвержены коррозии благодаря цинковому слою, который наносится на внутреннюю и внешнюю поверхности, поэтому долговечнее обычных в 3-4 раза. Этот слой наносится способом горячего цинкования толщиной около 30 мм. В связи с этим труба надежно защищена от коррозии, имеет прекрасный эстетический вид, а способ горячего цинкования заметно улучшает эксплуатационные характеристики. Оцинкованные профильные трубы имеют прямоугольное или квадратное сечение.

Толстостенные оцинкованные профильные трубы применяются при возведении каркасов здания и других строительно-монтажных работах, где необходима высокая прочность конструкции. Тонкостенные оцинкованные профильные трубы используются: для наружной реклам; для строительства заборов, перегородок и внутриусадебных построек; для детских и спортивных площадок.

Профильные трубы в индивидуальном строительстве кровли

В зависимости от погодных условий и кровельного покрытия металлокаркас для крыши может использоваться и при постройке жилых зданий. Сварка производится на месте. Установка осуществляется вместе с основой. В этом случае не только деревянные стропила заменяются металлом, но и опоры коньков, прогоны и мауэрлат (брус, к которому крепится несущая конструкция крыши). Вместо мауэрлата кладут мощный швеллер, а стропила к нему приваривают с помощью уголков.

Стропила из дерева и металла Очень часто при возведении стропильной системы используют оба материала (дерево и металл). Но необходимо обрабатывать деревянные элементы специальными составами (антисептические и влагостойкие) и укладывать между деревом и металлом рубероид. Все это не позволит при образовании конденсата на металле (большое колебание температур) вызвать гниение древесины, которая соприкасается с металлическими конструкциями.

Стропила только из металла Вариант «без древесины» позволяет не тратить силы, время и деньги на обработку материала от гниения. Здесь возможно применение стропил длиной 7-30 метров (по необходимости). Срок эксплуатации такой крыши превышает описанный выше вариант. Металлические стропила, называемые фермами, можно изготовить самостоятельно при помощи сварки или приобрести готовые.

Укладка утепляющего материала отличается от его монтажа в жилых зданиях. Необходимо учитывать, что при соприкосновении утеплителя с металлом (если вставлять утеплитель между стропилами) первый намокнет от конденсата. Поэтому утепляющий слой укладывают над или под стропилами и оставляют вентиляционный зазор. Если утепляющий материал устанавливается под стропильной системой, то внутренняя обшивка, гидроизоляция, вентиляционный зазор и кровельное покрытие должны находиться над утеплителем. В этом случае полностью отсутствуют мостики холода, поэтому потери тепла через крышу будут сведены к минимуму.