Ферма представляет собой конструкцию в форме решетки, отличительной особенностью которой является отсутствие изменений в геометрии фермы, даже при замене узлов с жестких на шарнирные. Элементы подобной решетки, как правило, имеют прямолинейную форму и обладают малой изгибной жесткостью.

Классификация ферм

Классификация ферм производится по различным признакам.

1.Статическая схема.

Вид статической схемы определяется назначением фермы в конструкции. Различают следующие виды ферм:

• Балочные (ферма заменяет балку);

  • Разрезные. Фермы этого вида легко монтируются, однако обладают низкой чувствительностью к неравномерной просадке опор и влекут за собой большой расход материалов.
  • Неразрезные. Используются в конструкциях, имеющих большие пролеты и испытывающие значительные нагрузки. Монтаж неразрезных ферм более сложен, если сравнивать его с разрезными, и требует наличия опор. Этот вид ферм отличает экономный расход материалов.
  • Консольные системы. Представляют собой комбинацию разрезных и неразрезных ферм и обладают промежуточными свойствами и характеристиками.

• Специальные системы с общей осью.

  • Вертикальные консоли. К ним относятся системы башенного типа имеющие решетчатую структуру. Основание такой системы жестко закреплено. Примеры вертикальных консолей: осветительные вышки, телебашни, опоры линий электропередач и другие подобные конструкции.

• Фермы-рамы.

  • Прямолинейные элементы таких ферм имеют шарнирные соединения. Используются фермы-рамы в перекрытиях, имеющих большие пролеты. Общая ось фермы имеет вид ломаной.

• Арочные фермы.

  • Отличаются от ферм-рам криволинейной формой общей оси. Применение таких ферм обусловлено, как правило, архитектурными особенностями сооружения.

2.Способ соединения элементов.

Монтаж элементов в фермах может выполняться методом сварки или клепки. По этому признаку фермы классифицируются на сварные и клепаные. Монтажные стыки в фермах могут выполняться при помощи болтов (обычные или высокопрочные).

3.Конструкция фермы.

Исходя из конструкции узлов и сечений элементов, различают легкие и тяжелые фермы. Легкие фермы имеют один плоский соединительный элемент в узле (фасонку) или не имеют их вообще. Сечения в легких фермах обычно из уголков. У тяжелых ферм количество фасонок больше одной, а сечения выполняют из листов, швеллеров, двутавров и уголков.

4.Пространственное расположение элементов.

В зависимости от того, в скольких плоскостях размещаются элементы фермы, их делят на плоские и пространственные. Плоские фермы воспринимают нагрузку только в собственной плоскости. Связи обеспечивают устойчивость сжатых элементов таких ферм из их плоскости.

Пространственные фермы (структуры) представляют собой конструкцию, включающую несколько плоских ферм, плоскости которых пересекаются между собой. Элементы пространственных ферм способны воспринимать нагрузку в разных плоскостях и применяются, например, в купольных конструкциях.

Технические параметры ферм

Конструкция фермы обычно включает в себя пояс и решетку.

На очертание пояса влияет назначение фермы, действующая на ее элементы нагрузка и характер смежных с ней элементов конструкции. Назначение пояса заключается в восприятии момента от нагрузки, которая действует на ферму, в соответствии с тем, какой именно элемент конструкции заменяется фермой – балка, арка или рама.

Основное назначение решетки – передача на опору поперечной силы наиболее коротким образом в соответствии со схемой нагрузки, приложенной к ферме. Приложение нагрузки вне узлов приводит к существенному увеличению веса поясов и, и собственно, самой фермы.

Очертание пояса

Подавляющее большинство стальных ферм представляют собой стропильные фермы, которые используются для покрытия зданий производственного назначения. Основная их функция заключается в поддержке покрытия, с помощью которого с кровли отводятся дождевые и талые воды. Это определяет уклон верхнего пояса стропильной фермы и самой кровли – он должен соответствовать ее материалу. Для штучных материалов, составляющих покрытие кровли, высота фермы определяется исходя из длины пролета фермы.

Треугольное очертание, не смотря на широкое распространение, имеет ряд недостатков. Во-первых, неточное соответствие очертания поясов параболе, которая является эпюром равномерно распределенной на ферму нагрузки. Такое несоответствие приводит к назначению средних раскосов сечений по гибкости увеличению их длины. Во-вторых, ферма имеет большую высоту в пролете и гораздо меньшую на опоре. Вследствие этого ферму невозможно соединить с колоннами рамы, а кроме того, снижается ее горизонтальная жесткость.Изменение усилий в поясе по длине приводят к тому, что конструкция требует усложнения, и, как следствие, увеличения количества материалов на изготовление фермы. Даже для небольших значений длины пролета (24 м) размер полуфермы будет превышать допустимые габариты перевозки грузов на железной дороге. Если же ферму поставлять не цельной конструкцией, то это существенно удорожает ее монтаж.

Трапецеидальные фермы обеспечивают жесткое соединение с колонной и позволяют при этом добиться необходимой высоты. Отправочная единица такой фермы (полуферма) имеет вид трапеции.

Односкатные фермы используются для придания кровле необходимого уклона.

Параллельное очертание поясов применяют в тех случаях, когда фермы используются для поддержки междуэтажных перекрытий. Кроме того, такие очертания применяют, когда уклон кровли возникает за счет разноуровневых опор, а пояса при этом параллельны.

Полигональные фермы позволяют максимально приблизить очертания поясов к параболической форме, которая соответствует равномерно распределенной нагрузке. При этом узлы фермы располагают на кривой, максимально приближенной к параболе. Недостатками полигональных ферм является низкая унификация их узлов, а также высокая трудоемкость при производстве и монтаже. Применение такие фермы имеют только в тех случаях, когда подобное очертание поясов окупает вынужденное усложнение конструкции (например, при высоте пролетов порядка 60-100 м).

Системы решеток

Конструкция решетки включает в себя:

1. Раскосы – элементы, расположенные под наклоном к оси фермы. Обычно это самые длинные элементы решетки. Для понижения точки передачи нагрузки на колонну и сокращения ее расчетной длины, раскосы, как правило, делают восходящими.
2. Стойки – сжатые элементы, перпендикулярные к оси фермы.
3. Подвески – растянутые элементы, перпендикулярные к оси фермы.

Самым коротким путем нагрузка на опоры передается в треугольной системе решеток. Однако при этом надферменные утяжеляются конструкции за счет увеличения расстояния между точками приложения нагрузки. Чтобы сократить эти расстояния, в конструкцию решетки вводят стойки, подвески или их комбинацию. Кроме этого, уменьшить расстояние можно увеличив угол наклона раскосов. Подобного же эффекта можно добиться, введя шпренгели у пояса (дополнительные фермы) – для этого в конструкцию основной фермы добавляют вспомогательные стержни (полураскосы, подвески и стойки). Применение шпренгелей позволяет уменьшить панель у загруженного пояса и избавиться от приложения нагрузки вне узлов. Однако это приводит к увеличению количества узлов и повышению трудоемкости.

Если расстояние между узлами сокращается, то это приводит к сокращению общего веса фермы и веса сжатых поясов (с уменьшением их гибкости).

У ферм, имеющих параллельные или трапециевидные пояса, при увеличении высоты фермы вес поясов уменьшается, а вес решетки увеличивается.

Для конструкций с подвижной нагрузкой высота фермы может определяться необходимыми условиями жесткости. На практике реальная высота всегда немного меньше расчетной.

Для регулировки знака усилия в элементах применяют раскосные решетки. Знак определяется направлением раскосов. В случае равномерной нагрузки имеющей направление сверху вниз для параллельных поясов (или близких к ним трапецеидальных) длинные раскосы делают нисходящими к центру, при этом короткие стойки делают сжатыми.Для ферм, имеющих треугольное очертание поясов, выгодно сжатие нисходящих раскосов, их длина при этом меньше восходящих. Раскосная решетка имеет большее количество узлов и длину, в сравнении с треугольной. Все ее элементы работают при этом на поперечную силу.

Крестовая форма решетки используется при наличии небольших усилий на решетку. При этом направление нагрузки на ферму имеет переменный характер (ветер). Раскосы подобной решетки часто делают гибкими.

Ромбическая решетка за счет изменяемой геометрии ромба требует наличие диагональной связи как минимум в одном ромбе фермы (обычно центральный). В противном случае невозможно гарантировать неизменяемость системы.

Полураскосная решетка имеет нисходящие и восходящие раскосы в каждой панели.

Полураскосная и ромбическая решетки за счет повышенной жесткости (два раскоса в каждой панели) позволяют применять их для ферм большой высоты.

Типовые стальные фермы

При выпуске типовых стальных ферм имеют значение следующие факторы: унификация размеров и очертаний ферм, серийность, способ перевозки отправочных единиц, тип кровли.

Унификацию имеют только два вида ферм: стропильные и подстропильные фермы покрытий.

Унификация включает в себя:

• требования к длине пролетов: 24, 30, 36 м для стропильных и 12, 18, 24 м для подстропильных ферм;
• требования к уклону под рулонную кровлю: для стропильных ферм с трапецеидальными поясами 1/12 и 1/8, в фермах с параллельными поясами – 1,5%, для ферм под кровлю из волнистых асбоцементных листов 1/3,5;
• требования к высоте ферм на опоре: 2,25 м для стропильных ферм, 3,15 м для подстропильных ферм и ферм с параллельными поясами (при длине пролета 30 и 36 м), для ферм под кровлю из волнистых асбоцементных листов 0,45 м;
• требования к форме решетки: используется треугольная с дополнительными стойками.

Верхний пояс фермы дополняется шпренгелями. Для ферм с меньшей длиной пролетов средние панели отсутствуют. Подстропильные фермы изготавливают с параллельными поясами, не имеющими уклон, деление их на отправочные единицы необязательно.

Выпуск ферм на заводе производится в форме отправочных элементов соответствующих габаритов (с учетом требований транспортировки). Непосредственная сборка проводится на строительной площадке.