Фермы из профильной трубы: расчет, сварка, самостоятельное изотовление

Что такое ферма?

Фермы для навеса – это своего рода изделия из металла. Они могут быть изготовлены самостоятельно, а могут быть куплены под размер вашего навеса, для чего нужен только проект. По сложности, ферма может быть прямой, либо округлой, где последнее предполагает гибку.

Металл, используемый для изготовления, может варьироваться по толщине и площади сечения. Чем толще используемый металл, тем тяжелее будет нагрузка на основание, но в то же время, навес или другая металлоконструкция сможет легче сопротивляться внешним факторам. Это ветер, снег, дождь и другие воздействия.

Зачем нужны фермы?

Что касается видов металлоконструкций, для которых применяется «ферма», выделяют следующие направления:

• Навес для машины, беседка, козырек.
• Крытая парковка, укрытие для колодца, летняя веранда.
• Летняя стройплощадка и другие места.

Таким образом, фермы из профильной трубы для навеса используются везде, где будет облегченная конструкция, с возможностью выдерживать большие нагрузки. Изготовление фермы почти всегда индивидуально, разве что это не касается типовых проектов. Когда ее делают своими руками, то сначала изготавливают один шаблон, под него подгоняются детали, их сваривают, а, затем, по шаблону делают все остальные похожие элементы.

Что касается количества ферм на один пролет, то это рассчитывается исходя из планируемой нагрузки на кровлю. В основном, на каждом промежуточном столбе ставится ферма. Иногда ее подгоняют под тип используемого кровельного материала.

При этом если для металлочерепицы и профлиста это фактически не имеет значения, то для поликарбоната фермы стоит размещать так, чтобы стык листа был на металле. Иначе поверхность кровли может деформироваться.

Необходимость применения ферм склоняется к их дешевизне, поскольку из аналогов, такой конструктив самый дешевый, долговечный и надежный. Форма конструкции такова, что нагрузка размещается максимально равномерно, что даже при обильном количестве снега на крыше не скажется на продолжительности эксплуатации.

Конструкционные особенности ферм

Составляющие элементы конструкции фермы:

• Пояс.
• Стойка – вертикальный элемент, соединяющий верхний и нижний пояс.
• Раскос (подкос).
• Шпренгель – опорный раскос.
• Фасонки, накладки, косынки, заклепки, болты – всевозможные вспомогательные и крепежные материалы.

Высоту фермы считают от самой нижней точки нижнего пояса до самой верхней точки. Пролет – расстояние между опорами. Подъем – отношение высоты фермы к пролету. Панелью называют расстояние между узлами пояса.

Виды ферм

В зависимости от конструкции, расположения навеса, территориальных особенностей участка и других факторов, выбирается тип фермы. Их много, но в целом их можно с группировать по следующим категориям:

1. Прямоугольные фермы. Этот вариант может применяться при больших нагрузках на металлокаркас. Он формируется посредством объединения 4 круглых или профилированных труб, между которыми свариваются распорки. Все из перечисленных элементов могут соединяться между собой при помощи сварки, на болтовые соединения, на специальные коннекторы.

За счет того, что каркас рассчитан на большие нагрузки, металлокаркас может соединяться в трибуны, барные подвесы для освещения. В зависимости от назначения, каркас может быть изготовлен из нержавеющей или обычной трубы. В зависимости от нагрузки, диаметр и сечение трубы может меняться. В случае с круглой трубой, диаметр варьируется от 25 до 50 мм и даже более, с шагом в 5 мм и разной толщиной стенки.

2. Арочные фермы для навеса. Такой вариант наиболее сложен, и часто, в домашних условиях, без применения специального прокатного станка, арочная ферма не может быть изготовлена. Здесь важен точный прокат каждого элемента.

Виды ферм для навеса

В случае с навесами, арочная разновидность применяется на болтовом и сварочном соединении. При изготовлении крытых разборных платформ, монтаж выполняется на сборные клипсы для быстрого последующего демонтажа.

3. Плоские фермы для навеса. Этот тип конструкции наиболее дешевый в производстве. Для дома он вполне подойдет, поскольку выдержит нагрузку даже по площади более 50 квадратных метров. Именно такие удобно делать самому, изготовив макет и в дальнейшем собирая конструкцию по образу.

Фермы для навеса своими руками из профтрубы для быта зачастую собирают из материала сечением 40 на 40 мм, толщиной стенки детали от 2-3 мм. Шаг опор рассчитывается индивидуально. Возможность подобрать наклон позволяет спланировать разный конструктив. Плоские конструкции иногда образуют в квадратные фермы, усиливая несущую способность.

4. Треугольные фермы. Применение такого конструктива делает металлокаркас прочным, эстетичным, рассчитанным на большие нагрузки. В быту почти не задействован, поскольку дорого, но в промышленности, для обеспечения удобной установки световых и звуковых приборов. Если не применяется сварное соединение, то конструктив получается разборным, удобным в демонтаже.

В остальном, разновидности могут комбинироваться, что зависит от конкретной задачи и планируемых финансовых вложений в проект. Для дома применяется сварочное соединение с шагом между двумя отдельными фермами не более 1,75 метров.

Советы по выбору качественного профиля

Прежде чем возводить любую конструкцию, следует определиться с выбором материала. При покупке металлического профиля или труб следует внимательно осмотреть заготовки – нет ли трещин, раковин, наплывов, нестыковок по шву, большого количества помятых и погнутых заготовок. При покупке оцинкованных материалов – желательно убедиться в качестве покрытия – нет ли отслоений и наплывов.

При покупке необходимо потребовать копию сертификата и чек. Обязательно нужно убедиться в соответствии толщине стенки трубы заявленной в документах. Трубы в гараже на коленке не сделаешь, и подделок не бывает, но на плохое качество материала можно натолкнуться, поэтому покупать лучше в достаточно крупных магазинах.

Какой материал выбрать для каркаса

В большинстве случаев для каркаса усадебных построек или кровли дома выбирают сталь. Для очень небольших конструкций иногда используют алюминиевые и стеклопластиковые профиля – обычно в покупных изделиях (тентах, качалках). Для возведения металлоконструкций можно использовать трубы полого сечения и профиля сплошного сечения (круг, полосу, квадрат, швеллер, двутавр).

Огромным преимуществом прямоугольных и квадратных труб по сравнению с профилем того же веса является высокая устойчивость к смятию и другим деформациям. Поэтому сплошные профиля можно заменить гораздо более легкими профтрубами – это очень значительно облегчает (в 2 раза и больше) и удешевляет конструкцию трубчатого типа.

Размеры сечения труб выбирают в зависимости от длины пролета и расстояния между опорами и фермами. В частных усадьбах навесы и другие конструкции не очень большие, и можно воспользоваться советами специалистов или найти готовые чертежи в интернете.

При расстоянии между опорами до 2 м для небольших навесов с пролетами длиной до 4 м подойдут профиля 40×20х2 мм, при пролетах до 5 м – 40×40х3, 60×30х3 мм; пролетах длиннее 5 м – 60×40х3, 60×60х3 мм. Если планируется автомобильный навес на две машины шириной 8-10 м, то профиль потребуется от 60×60 до 100×100 с толщиной стенки 3-4 мм. Размеры профиля зависят от расстояния между фермами.

Профтрубы поступают в продажу отрезками длиной 6 и 12 м. При длине 12 м металл расходуется экономнее, но для транспортировки таких труб нужен длинномер. Перед покупкой материалов следует продумать, как вы будете отрезать заготовки и сколько их разместится в трубе длиной 6 м или 12 м, и подсчитать, сколько отрезков профтрубы Вам понадобится.

Ориентироваться на номинальный вес нельзя – вес 1 м.п. в конкретной партии будет отличаться от номинального, и скорее всего в сторону увеличения (изготавливать изделия с более толстой стенкой выгоднее продавцам – цена идет за тонну). При покупке по весу материал придется докупать и довозить – а это лишние расходы.

Преимущества и недостатки разных металлов

Практически для конструкционных профильных труб используются стали следующих видов: углеродистые обыкновенного качества и качественные, конструкционные, легированные. Трубы бывают с защитным цинковым покрытием. Используют и алюминий – но редко, для небольших, чаще сезонных конструкций. Алюминиевые профиля применяют для небольших конструкций.

Традиционно для небольших конструкций в частной усадьбе для возведения стальных конструкций с фермами применяют углеродистую сталь Ст3сп, Ст3пс, иногда оцинкованную. Такая сталь имеет достаточную прочность для обеспечения надежности конструкции, разницы по коррозионной стойкости у всех трех типов сталей практически нет.

Если на конструкции будут попадать осадки, рано или поздно проржавеют и изделия из конструкционных и изделия из легированных сталей. Небольшое количество легирующих элементов от коррозии не защищают (для конструкций можно применять низколегированные стали типа 30ХГСА, 30ХГСН, 38ХА – в содержание легирующих элементов в них 2-4 %, и на коррозионную стойкость это количество не влияет).

По прочности конструкционные и легированные стали должны быть немного долговечнее углеродистых – они более устойчивы к циклическим нагрузкам. Но это качество у сталей проявляется после термообработки – а закалка с отпуском могут покоробить трубы, и обычно такую термообработку на готовых изделиях никто не делает. На бесшовных трубах может быть проведен отжиг – после отжига в металле снимаются остаточные напряжения (наклеп), но он становится более мягким.

Конструкционные стали (20А, 45, 40, 30А) имеют более высокое качество и более высокую цену. Легированные стали еще дороже (и есть вероятность, что Вам продадут трубы из стали 3 взамен легированной). Поэтому при монтаже конструкций шириной менее 20 м не имеет смысла покупать профтрубы из легированной или конструкционной стали. Применять оцинкованную профтрубу однозначно имеет смысл, если монтаж будет производиться при помощи краб-систем.

Если монтаж будет производиться путем сварки, сварные швы будут ржаветь так же быстро, как и обычный металл без покрытия. Но если тщательно следить за швами, регулярно проводить антикоррозионную обработку (очистку, грунтовку, окраску), то оцинкованная труба предпочтительней. Если же Вам нужен временный навес на 10 лет для стройматериалов, а затем Вы навес будете сносить – тем более не заморачивайтесь, покупайте обычные трубы из углеродистой стали без покрытия.

Если Вы планируете возводить на участке очень большой навес или ангар с большой длиной пролета, стоит обратиться к профессиональным строителям и сделать проект – они определят, какую сталь Вам выбрать.

Требования к расчету профильной трубы для строительства фермы

При расчетах размеров и толщины стенки профильных труб, требуемых для сооружения Ваших металлоконструкций; учитываются следующие условия:

• Размеры металлоконструкции, и в частности, длина, шаг опор – расстояние между опорами.
• Высота опор и ферм.
• Форма ферм.
• Максимальная снеговая нагрузка зимой.
• Ветровая нагрузка.
• Возможные особенности геологических условий (сейсмическая активность, возможность оползней).
• Вес покрытия.

Что будет, если рассчитать неправильно

При неправильных расчетах возможны следующие последствия:

• Конструкции фермы будут деформироваться под весом снега, мокрой листвы.
• В самом неудачном случае конструкции будут деформироваться под собственным весом.
• Вся конструкция может обрушиться при сильном ветре.
• Деформация рано или поздно приведет к разрушению фермы и всей конструкции, что опасно для человека и может повредить предметы, находящиеся под навесом – машину, например.
• Непрочная и подвижная конструкция будет приводить к разрушению кровли, положенной на ферму.
• При применении слишком мощного и тяжелого профиля неоправданно возрастают затраты на материалы и работы при возведении металлоконструкции.

Проектируем ферму и ее элементы

Полный и точный расчет нагрузки на ферму вместе с эпюрами сложен, и для его выполнения следует обратиться к специалистам.

При проектировании крупных навесов, ангаров, гаражей из металлоконструкций точный расчет требуемого профиля необходим, но для строительства не слишком больших навесов или беседок в частной усадьбе можно воспользоваться общеизвестными рекомендациями специалистов.

Для очень маленьких конструкций (навес в вольере для животных, навес над запасом дров) достаточно использовать трубы размером 40×20 мм с толщиной стенки 2 мм; для беседок и навесов над столами, барбекю или местами отдыха – 40×40 мм с толщиной стенки 3 мм; навес над местом для автомобиля – от 60×40 до 100×100 мм с толщиной стенки 3-4 мм.

Если ферм и опор у навеса несколько и шаг опор менее 2 м, можно взять более тонкую трубу, если всего 4 опоры и две фермы и длина пролета 6-8 м и больше – более толстую.

Допустимые нагрузки на фермы приведены в таблице:

Ширина пролета, м Размер трубы на толщину стенки, мм	1	2	3	4	5	6
Для профильной трубы
40×40х2	709	173	72	35	16	5
40×40х3	949	231	96	46	21	6
50×50х2	1165	286	120	61	31	14
50×60х3	1615	396	167	84	43	19
60×60х2	1714	422	180	93	50	26
60×60х3	2393	589	250	129	69	35
80×80х3	4492	1110	478	252	144	82
100×100х3	7473	1851	803	430	253	152
100×100х4	9217	2283	990	529	310	185
120×120х4	113726	3339	1484	801	478	296
140×140х4	19062	4736	2069	1125	679	429
Для прямоугольной трубы (при вертикальном расположении большей стороны)
50×25х2	684	167	69	34	16	6
60×40х2	1255	308	130	66	35	17
80×40х2	1911	471	202	105	58	31
80×40х3	2672	658	281	146	81	43
80×60х3	3583	884	380	199	112	62
100×50х4	5489	1357	585	309	176	101
120×80х3	7854	1947	846	455	269	164

Чертежи и схемы

При изготовлении металлоконструкций выполнение чертежа с точными размерами обязательно! Это позволит закупить нужное количество материала, сэкономит время при сборке и подготовке заготовок, позволит без проблем проконтролировать размеры металлоконструкции в процессе монтажа и уже готового сооружения. В данном случае от точности сборки зависит безопасность Вас и Ваших домочадцев – рухнувшее от снега или от ветра сооружение может принести много бед.

Расчёт и изготовление металлической фермы для навеса

Общая методология расчёта

Фермы применяют там, где использовать цельную несущую балку нецелесообразно. Эти конструкции отличаются меньшей пространственной плотностью, при этом сохраняют устойчивость воспринимать воздействия без деформаций благодаря правильному расположению деталей.

Конструкционно ферма состоит из внешнего пояса и заполняющих элементов. Суть работы такой решётки довольно проста: поскольку каждый горизонтальный (условно) элемент не может выдержать полную нагрузку ввиду недостаточно большого сечения, два элемента располагаются на оси главного воздействия (силы тяжести) таким образом, чтобы расстояние между ними обеспечивало достаточно большое сечение поперечного среза всей конструкции. Ещё проще можно объяснить так: с точки зрения восприятия нагрузок ферму рассматривают так, будто она выполнена из цельного материала, при этом заполнение обеспечивает достаточную прочность, исходя лишь из расчётного приложенного веса.

Конструкция фермы из профильной трубы: 1 — нижний пояс; 2 — раскосы; 3 — стойки; 4 — боковой пояс; 5 — верхний пояс

Такой подход крайне прост и зачастую его с лихвой хватает для сооружения простых металлоконструкций, однако материалоёмкость при грубом расчёте получается крайне высокой. Более подробное рассмотрение действующих воздействий помогает снизить расход металла в 2 и более раз, такой подход и будет наиболее полезным для нашей задачи — сконструировать лёгкую и достаточно жёсткую ферму, а потом собрать её.

Основные профили ферм для навеса: 1 — трапециевидный; 2 — с параллельными поясами; 3 — треугольный; 4 — арочный

Начать следует с определения общей конфигурации фермы. Обычно она имеет треугольный или трапециевидный профиль. Нижний элемент пояса располагают преимущественно горизонтально, верхний — под наклоном, обеспечивающим правильный уклон кровельной системы. Сечение и прочность элементов пояса при этом следует выбирать близкими к таким, чтобы конструкция могла поддерживать свой собственный вес при имеющейся системе опоры. Далее производится добавление вертикальных перемычек и косых связей в произвольном количестве. Конструкцию нужно отобразить на эскизе для визуализации механики взаимодействия, указав реальные размеры всех элементов. Далее в дело вступает её величество Физика.

Определение сочетанных воздействий и реакции опоры

Из раздела статики школьного курса механики мы возьмём два ключевых уравнения: равновесия сил и моментов. Их мы будем применять, чтобы вычислить реакцию опор, на которые положена балка. Для простоты вычислений опоры будем считать шарнирными, то есть не имеющими жёстких связей (заделки) в точке касания с балкой.

Пример металлической фермы: 1 — ферма; 2 — балки обрешётки; 3 — кровельное покрытие

На эскизе нужно предварительно отметить шаг обрешётки системы кровли, ведь именно в этих местах должны находиться точки сосредоточения приложенной нагрузки. Обычно именно в точках приложения нагрузки и размещаются узлы схождения раскосов, так проще выполнить расчёт нагрузки. Зная общий вес кровли и число ферм в навесе, нетрудно вычислить нагрузку на одну ферму, а фактор равномерности покрытия определит, равны ли будут приложенные силы в точках сосредоточения, или же они будут отличаться. Последнее, к слову, возможно, если в определённой части навеса один материал покрытия сменяется другим, имеется проходной трап или, например, зона с неравномерно распределённой снеговой нагрузкой. Также воздействие на разные точки фермы будет неравномерным, если её верхняя балка имеет скругление, в этом случае точки приложения силы нужно соединить отрезками и рассматривать дугу как ломанную линию.

Когда все действующие усилия проставлены на эскизе фермы, приступаем к вычислению реакции опоры. Относительно каждой из них ферму можно представить не иначе как рычаг с соответствующей суммой воздействий на него. Чтобы вычислить момент силы в точке опоры, нужно умножить нагрузку на каждую точку в килограммах на длину плеча приложения этой нагрузки в метрах. Первое уравнение гласит, что сумма воздействий в каждой точке и равняется реакции опоры:

• 200 · 1,5 + 200 · 3 + 200 · 4,5 + 100 · 6 = R2 · 6 — уравнение равновесия моментов относительно узла а, где 6 м — длина плеча)
• R2 = (200 · 1,5 + 200 · 3 + 200 · 4,5 + 100 · 6) / 6 = 400 кг

Второе уравнение определяет равновесность: сумма реакций двух опор будет в точности равна приложенному весу, то есть зная реакцию одной опоры, можно легко найти значение для другой:

• R1 + R2 = 100 + 200 + 200 + 200 + 100
• R1  = 800 – 400 = 400 кг

Но не ошибитесь: здесь также действует правило рычага, поэтому если ферма имеет существенный вынос за одну из опор, то и нагрузка в этом месте будет выше пропорционально разнице расстояний от центра масс до опор.

Дифференциальный расчёт усилий

Переходим от общего к частному: теперь необходимо установить количественное значение усилий, действующих на каждый элемент фермы. Для этого перечисляем каждый отрезок пояса и заполняющие вставки списком, затем каждый из них рассматриваем как сбалансированную плоскую систему.

Для удобства вычислений каждый соединительный узел фермы можно представить в виде векторной диаграммы, где векторы воздействий пролегают по продольным осям элементов. Всё, что нужно для вычислений — знать длину сходящихся в узле отрезков и углы между ними.

Начинать нужно с того узла, для которого в ходе вычисления реакции опоры было установлено максимально возможное число известных величин. Начнём с крайнего вертикального элемента: уравнение равновесия для него гласит, что сумма векторов сходящихся нагрузок равна нулю, соответственно, противодействие силе тяжести, действующей по вертикальной оси, эквивалентно реакции опоры, равной по величине, но противоположной по знаку. Отметим, что полученное значение — лишь часть общей реакции опоры, действующая для данного узла, остальная нагрузка придётся на горизонтальные части пояса.

Узел b

• -100 + S1 = 0
• S1 = 100 кг

Далее перейдём к крайнему нижнему угловому узлу, в котором сходятся вертикальный и горизонтальный сегменты пояса, а также наклонный раскос. Сила, действующая на вертикальный отрезок, вычислена в предыдущем пункте — это давящий вес и реакция опоры. Сила, действующая на наклонный элемент, вычисляется по проекции оси этого элемента на вертикальную ось: из реакции опоры вычитаем действие силы тяжести, затем «чистый» результат делим на sin угла, под которым раскос наклонён к горизонтали. Нагрузка на горизонтальный элемент находится также путём проекции, но уже на горизонтальную ось. Только что полученную нагрузку на наклонный элемент мы умножаем на cos угла наклона раскоса и получаем значение воздействия на крайний горизонтальный сегмент пояса.

Узел a

• -100 + 400 – sin(33,69) · S3 = 0 — уравнение равновесия на ось у
• S3 = 300 / sin(33,69) = 540,83 кг — стержень 3 сжат
• -S3 · cos(33,69) + S4 = 0 — уравнение равновесия на ось х
• S4 = 540,83 · cos(33,69) = 450 кг — стержень 4 растянут

Таким образом, последовательно переходя от узла к узлу, необходимо вычислить действующие в каждом из них силы. Обратите внимание, что встречно направленные векторы воздействий сжимают стержень и наоборот — растягивают его, если направлены противоположно друг от друга.

Определение сечения элементов

Когда для фермы известны все действующие нагрузки, пора определяться с сечением элементов. Оно не обязательно должно быть равным для всех деталей: пояс традиционно выполняют из проката более крупного сечения, чем детали заполнения. Так обеспечивается запас надёжности конструкции.

где: Fтр — площадь поперечного сечения растянутой детали; N — усилие от расчётных нагрузок; Ry — расчётное сопротивление материала; γс — коэффициент условий работы.

Если с разрывающими нагрузками для стальных деталей всё относительно просто, то расчёт сжатых стержней производится не на прочность, а на устойчивость, так как итоговый результат количественно меньше и, соответственно, считается критическим значением. Рассчитать можно на онлайн-калькуляторе, а можно и вручную, предварительно определив коэффициент приведения длины, определяющий, на какой части общей протяжённости стержень способен изгибаться. Этот коэффициент зависит от метода крепления краёв стержня: для торцевой сварки это единица, а при наличии «идеально» жёстких косынок может приближаться к 0,5.

где: Fтр — площадь поперечного сечения сжатой детали; N — усилие от расчётных нагрузок; φ — коэффициент продольного изгиба сжатых элементов (определяется по таблице); Ry — расчётное сопротивление материала; γс — коэффициент условий работы.

Также нужно знать минимальный радиус инерции, определяемый как квадратный корень из частного от деления осевого момента инерции на площадь сечения. Осевой момент определяется формой и симметрией сечения, лучше взять это значение из таблицы.

где: ix — радиус инерции сечения; Jx — осевой момент инерции; Fтр — площадь сечения.

Таким образом, если разделить длину (с учётом коэффициента приведения) на минимальный радиус инерции, можно получить количественное значение гибкости. Для устойчивого стержня соблюдается условие, что частное от деления нагрузки на площадь поперечного сечения не должно быть меньше произведения допустимой сжимающей нагрузки на коэффициент продольного изгиба, который определяется значением гибкости конкретного стержня и материалом его изготовления.

где: lx — расчётная длина в плоскости фермы; ix — минимальный радиус инерции сечения по оси x; ly — расчётная длина из плоскости фермы; iy — минимальный радиус инерции сечения по оси y.

Обратите внимание, что именно в расчёте сжатого стержня на устойчивость отображена вся суть работы фермы. При недостаточном сечении элемента, не позволяющем обеспечить его устойчивость, мы вправе добавить более тонкие связи, изменив систему крепления. Это усложняет конфигурацию фермы, но позволяет добиться большей устойчивости при меньшем весе.

Изготовление деталей для фермы

Точность сборки фермы крайне важна, ведь все расчёты мы проводили методом векторных диаграмм, а вектор, как известно, может быть только абсолютно прямым. Поэтому малейшие напряжения, возникающие вследствие искривлений из-за неправильной подгонки элементов, сделают ферму крайне неустойчивой.

Сначала нужно определиться с размерами деталей внешнего пояса. Если с нижней балкой всё достаточно просто, то для нахождения длины верхней можно воспользоваться либо теоремой Пифагора, либо тригонометрическим соотношением сторон и углов. Последнее предпочтительно при работе с такими материалами, как угловая сталь и профильная труба. Если угол ската фермы известен, его можно вносить как поправку при подрезке краёв деталей. Прямые углы пояса соединяются подрезкой под 45°, наклонные — путём добавления к 45° угла наклона с одной стороны стыка и вычитанием его же с другой.

Детали заполнения вырезают по аналогии с элементами пояса. Основная загвоздка в том, что ферма — изделие строго унифицированное, а потому для её изготовления потребуется точная деталировка. Как и при расчёте воздействий, каждый элемент нужно рассматривать индивидуально, определяя углы схождения и, соответственно, углы подреза краёв.

Довольно часто фермы изготавливают радиусными. Такие конструкции имеют более сложную методику расчёта, но большую конструкционную прочность, обусловленную более равномерным восприятием нагрузок. Изготавливать скругленными элементы заполнения смысла нет, а вот для деталей пояса это вполне применимо. Обычно арочные фермы состоят из нескольких сегментов, которые соединяются в местах схождения заполняющих раскосов, что нужно учитывать при проектировании.

Сборка на метизах или сваривание?

В заключение было бы неплохо обозначить практическую разницу между способами сборки фермы свариванием и с помощью разъёмных соединений. Начать следует с того, что сверление в теле элемента отверстий под болты или заклёпки практически не влияет на его гибкость, а потому на практике не учитывается.

Когда речь зашла о способе скрепления элементов фермы, мы установили, что при наличии косынок длина участка стержня, способного изгибаться, существенно сокращается, за счёт чего можно уменьшить его сечение. В этом преимущество сборки фермы на косынках, которые крепятся сбоку к элементам фермы. В таком случае особой разницы в методе сборки нет: длины сварочных швов будет с гарантией достаточно, чтобы выдержать сосредоточенные напряжения в узлах.

Если же сборка фермы производится стыкованием элементов без косынок, здесь нужны особые навыки. Прочность всей фермы определяется наименее прочным её узлом, а потому брак в сваривании хотя бы одного из элементов может привести к разрушению всей конструкции. При недостаточном навыке ведения сварочных работ рекомендуется провести сборку на болтах или заклёпках с использованием хомутов, угловых кронштейнов или накладных пластин. При этом крепление каждого элемента к узлу должно осуществляться не менее чем в двух точках.

Пример расчета металлической фермы из профильной трубы ↑

Расчет такого изделия предполагает:

• определение точной высоты (Н) и длины (L) металлической конструкции. Последняя величина в точности должна соответствовать длине пролета, то есть расстоянию, перекрывающему конструкцию. Что же касается высоты, то она зависит от спроектированного угла и особенностей контура.

В треугольных металлоконструкциях высота составляет 1/5 или ¼ часть длины, для остальных типов с прямолинейными поясами, к примеру, параллельными или полигональными – 1/8 часть.

• Угол раскосов решетки колеблется в пределах 35–50°. В среднем он составляет 45°.
• Важно определить оптимальное расстояние от одного узла до другого. Обычно искомый промежуток совпадает с шириной панели. Для конструкций, длина пролета в которых больше 30 м, необходимо дополнительно рассчитать строительный подъем. В процессе решения задачи можно получить точную нагрузку на металлоконструкцию и подобрать правильные параметры профильных труб.

РекомендуемСлишком тонкие материалы не в состоянии обеспечить достаточную жесткость, что может стать причиной разрушений. Вы сможете обеспечить высокую точность расчетов, если разберетесь, как рассчитать программой навес из металла.

В качестве примера рассмотрим расчет ферм стандартного односкатного сооружения 4х6 м.

В конструкции используется профиль 3 на 3 см, стенки которого имеют толщину в 1,2 мм.

Нижний пояс изделия имеет длину 3,1 м, а верхний – 3,90 м. Между ними устанавливают вертикальные стойки, выполненные из такой же профильной трубы. Самая большая из них имеет высоту 0,60 м. Остальные вырезают по степени убывания. Можно ограничиться тремя стойками, расположив их от начала высокого ската.

Участки, которые образуются при этом, усиливают, установив раскосые перемычки. Последние изготовлены из более тонкого профиля. К примеру, для этих целей подойдет труба сечением 20 на 20 мм. В месте схождения поясов стойки не нужны. На одном изделии можно ограничиться семью раскосами.

На 6 м длины навеса используют пять подобных конструкций. Их укладывают с шагом в 1,5 м, соединяя дополнительными перемычками поперечного расположения, выполненными из профиля сечением 20 на 20 мм. Их фиксируют к верхнему поясу, расположим с шагом 0,5 м. Панели поликарбоната крепят непосредственно к этим перемычкам.

Расчет арочной фермы ↑

Изготовление арочных ферм также требует точных расчетов. Это связано с тем, что возложенная на них нагрузка распределится равномерно, только если созданные дугообразные элементы будут иметь идеальную геометрию, то есть правильную форму.

Рассмотрим подробнее, как создать арочный каркас для навеса с пролетом в 6 м (L). Расстояние между арками примем в 1,05 м. При высоте изделия в 1,5 метра архитектурная конструкция будет смотреться эстетично и сможет противостоять высоким нагрузкам.

При расчете длины профиля (mн) в нижнем поясе пользуются следующей формулой длины сектора: π •R•α:180, где значения параметров для данного примера в соответствии с чертежом равны соответственно: R= 410 см, α÷160°.

После подстановки имеем:

3,14•410•160:180 = 758 (см).

Узлы конструкции следует расположить на нижнем поясе на расстоянии 0,55 м (с округлением) друг от друга. Положение крайних рассчитывают индивидуально.

В случаях когда длина пролета меньше 6 м, сваривание сложных металлоконструкций часто заменяют на одинарную либо двойную балку, согнув металлический профиль под заданным радиусом. Хотя при этом необходимости в расчете арочного каркаса нет, однако правильный подбор профилированной трубы по-прежнему остается актуальным. Ведь от ее сечения зависит прочность готовой конструкции.

Длину дуги арки можно определить по формуле Гюйгенса. На дуге отмечают середину, обозначив ее точкой М, которая находится на перпендикуляре СМ, проведенном к хорде АВ, через ее середину С. Затем нужно измерить хорды АВ и АМ.

Длина дуги определяется по формуле Гюйгенса: p = 2l x 1/3 x (2l – L), где l – хорда АМ, L – хорда АВ)

Относительная погрешность формулы равна 0,5%, если дуга АВ содержит 60 град, а при уменьшении угловой меры погрешность значительно падает. Для дуги в 45 град. она составляет всего 0,02%.

Порядок выполнения работ

Чтобы сварить ферму для навеса правильно, нужно придерживаться следующего порядка действий:

1. Нарезаются основные стойки, на которых будет находиться вся конструкция. Для шестиметрового навеса потребуется шесть стоек. Лучше взять профильную трубу 80 х 80 или 100 х 100 мм.
2. Опоры бетонируются в землю на глубину 800 мм. Четыре стойки должны располагаться по углам металлоконструкции, а две посередине длинных балок. Чтобы равномерно распределить нагрузку, стойки не обязательно устанавливать на самый угол, а можно отступить внутрь на 600 мм. Это уменьшит нагрузку на провисание по всей длине.
3. Высота стоек берется исходя из потребностей владельцев и вида транспортного средства. Для легкового автомобиля достаточно 210 см. Небольшой микроавтобус заедет под 250 см (это чистый размер без учета забетонированного участка). Опоры монтируются по уровню и дается достаточно времени, чтобы раствор застыл. Важно выставить одинаковую высоту опор над уровнем пола, чтобы избежать перекоса крыши. Но незначительную погрешность можно устранить путем подкладывания в зазор металлического квадрата.
4. Если навес монтируется рядом с кирпичной стеной, то роль опор с оной стороны могут играть закладные, которые устанавливаются в несущую конструкцию на уровне, соответствующем забетонированным опорам с противоположной стороны.
5. Элементы фермы собираются на земле. Раскладываются нижняя и верхняя балки, между которыми ввариваются вертикальные стойки.
6. Когда неравнобедренный треугольник готов, привариваются раскосые перемычки. Эта ферма откладывается в сторону и изготавливается следующая.
7. Когда все шесть ферм готовы, между опорами необходимо протянуть длинные продольные балки, соединяющие три стойки в ряд. Они послужат основой для расстановки.
8. Поочередно поднимаются и привариваются фермы на расстоянии 150 см друг от друга.
9. Сразу происходит их скрепление поперечными перемычками, привариваемыми через каждые 50 см по всей длине верхнего пояса.
10. Швы вверху тщательно зачищаются болгаркой, чтобы выступы не мешали прижимать кровельный материал.
11. Все изделие красится и в верхнем профиле сверлятся отверстия для фиксации перекрытия.
12. Поликарбонат прикручивается на специальные термошайбы.

Изготовление подобной фермы доступно даже начинающему сварщику. Важно следить за хорошим проваром нижнего пояса к опорам, на который будет приходиться ключевая нагрузка. Но благодаря собственным усилиям получится сделать простой и надежный навес.

Сварка ферм из профильной трубы: как правильно учесть нюансы

Создание навеса или другого перекрытия с использованием каркаса регулируется СНиП 2.01.07-85. Здесь подробно описаны нагрузки и воздействия, которые должны переносить подобные изделия. Если этим пренебречь, то некоторые размеры или углы будут сделаны неправильно, что приведет к последующей деформации, провисанию, или разрушению металлоконструкции. Стоит учесть и погодные условия в регионе. Если выпадает большое количество снега или дуют сильные ветра, это нужно отразить в усилении фермы путем выбора большего сечения трубы.

После выбора формы, необходимо определиться с размерами будущего объекта. Навес из профильной трубы, сваренный своими руками, может иметь площадь 4 х 6 м, или 3 х 10 м. В зависимости от этого выбирается сечение трубы. Чем дальше будут находиться точки опоры, тем более крепче должна быть ферма.

Угол наклона крыши определяется благодаря установке верхней и нижней точек конструкции. Если ферма будет высокая, то это поспособствует быстрому скатыванию снега и облегчит нагрузку на балки. Но такая модель потребует большего расхода материалов и должна иметь пространство вверху, куда будет возводиться. Для маленького дворика подойдет односкатный навес, занимающий немного места, который может быть установлен даже под деревом.

Расстояние между фермами определяется нормами СНиП, но здесь стоит учесть и размер материала, которым будет перекрываться крыша. Если это ондулин или поликарбонат, то ширину листа этого элемента стоит заложить в схему установки металлоконструкции. Свой чертеж с набросками необходимо отдать на подробный расчет специалисту, который вычислит нагрузки, или ввести параметры будущей конструкции в форму онлайн-расчета. Но можно сэкономить, и воспользоваться типовым проектом, который прошел проверку временем и различными условиями. Пример того, как создать свой простой навес, можно изучить на видео в интернете.

Несколько советов относительно монтажа своими руками

Сварка перед болтовыми соединениями имеет ряд значительных преимуществ:

• отсутствие утяжеления конструкции болтами;
• устойчивость к деформациям;
• продолжительный срок эксплуатации;
• меньшая стоимость проведения работ;
• равномерное распределение веса металла;
• быстрое возведение фермы.

Единственным случаем, когда следует отдать предпочтение болтам – это применение оцинкованных труб, поскольку сварка разрушает слой цинка, в результате чего возможно появление коррозии.