Фермы из профильных труб: преимущества и расчёт

Фермы из профильных труб — один из наиболее эффективных типов стальных стропильных и подстропильных конструкций, применяемых в промышленном и гражданском строительстве. Благодаря замкнутому сечению элементов такие фермы обладают высокой жёсткостью при относительно малой массе, а их обтекаемая форма снижает ветровую нагрузку и упрощает антикоррозийную защиту. В этой статье разберём конструктивные особенности, преимущества, нормативные требования и методику расчёта ферм из квадратных и прямоугольных труб.

Что такое фермы из профильных труб

Определение и область применения

Ферма из профильных труб — это стержневая конструкция, все элементы которой (пояса, раскосы, стойки) выполнены из замкнутых гнутосварных или горячекатаных профилей квадратного или прямоугольного сечения. В отличие от классических металлических ферм из уголков и швеллеров, трубчатые фермы формируют жёсткие узловые соединения за счёт непосредственной приварки стержней друг к другу — без фасонок и косынок.

Область применения ферм из профильных труб:

• Покрытия промышленных зданий пролётом 12–36 м
• Каркасы торговых центров, спортивных залов, складских комплексов
• Навесы для автостоянок, АЗС, погрузочных терминалов
• Фермы покрытий сельскохозяйственных зданий (коровники, зернохранилища)
• Пешеходные мосты и переходы
• Рекламные конструкции и сценические фермы

Профильные трубы для ферм выпускаются сечением от 40×40×2 мм до 200×200×8 мм (квадратные) и от 40×20×2 мм до 200×100×8 мм (прямоугольные). Для поясов тяжёлых ферм пролётом свыше 24 м применяют профили до 300×300×10 мм по специальному заказу.

Конструктивные схемы

Трубчатые фермы проектируют по тем же конструктивным схемам, что и классические: с параллельными поясами, треугольные, полигональные, арочные. Однако наибольшее распространение получили фермы с параллельными поясами (для плоских кровель с уклоном до 5%) и треугольные фермы (для скатных кровель с уклоном 20–45°). Решётка — преимущественно раскосная или полураскосная, что позволяет минимизировать количество узлов и сварных швов.

Марки стали для трубчатых ферм

Профильные трубы для несущих ферм изготавливают из конструкционных сталей С245, С255, С345 (по ГОСТ 27772) или Ст3пс, 09Г2С (по ГОСТ 30245). Для неотапливаемых зданий и конструкций, эксплуатируемых при температурах ниже −30 °C, рекомендуется сталь С345 или 09Г2С с гарантированной ударной вязкостью при отрицательных температурах.

Преимущества перед уголковыми фермами

Меньшая площадь поверхности — экономия на АКЗ

Замкнутое сечение профильной трубы имеет значительно меньший периметр по сравнению с равновеликим по площади уголковым или двутавровым сечением. Это напрямую влияет на площадь антикоррозийной защиты: у трубчатой фермы площадь окрашиваемой поверхности на 20–35% меньше, чем у аналогичной конструкции из спаренных уголков. На крупном объекте с сотнями тонн ферм это даёт ощутимую экономию на материалах и трудозатратах АКЗ.

Повышенная жёсткость и устойчивость

Профильная труба — симметричное замкнутое сечение с одинаковыми моментами инерции в обеих плоскостях (для квадратного профиля). Это обеспечивает равную устойчивость при сжатии в любом направлении, что критически важно для сжатых стержней верхнего пояса и раскосов. У уголковых профилей моменты инерции относительно главных осей различаются в 3–5 раз, что требует дополнительных связей из плоскости фермы.

Кроме того, замкнутое сечение обладает высокой жёсткостью на кручение — момент инерции при кручении трубы в 100–500 раз больше, чем у открытого профиля равной площади. Это повышает общую пространственную жёсткость каркаса.

Аэродинамика и эстетика

Обтекаемая форма труб снижает аэродинамический коэффициент лобового сопротивления в 1,5–2 раза по сравнению с уголковыми решётками. Для открытых конструкций (навесы, переходы, фасадные фермы) это уменьшает расчётную ветровую нагрузку. Визуально трубчатые фермы выглядят легче и современнее — архитекторы всё чаще выбирают их для объектов с открытым несущим каркасом.

Сравнение массы: трубчатая vs уголковая ферма

Ниже приведено сравнение массы типовых ферм покрытия с параллельными поясами при одинаковой нагрузке (расчётная равномерная нагрузка 4,5 кН/м², шаг ферм 6 м, сталь С245):

Пролёт, м	Ферма из спаренных уголков, кг	Ферма из профильных труб, кг	Экономия массы, %
12	680	520	23,5
18	1 350	1 020	24,4
24	2 400	1 780	25,8
30	3 800	2 850	25,0
36	5 600	4 200	25,0

В среднем трубчатые фермы на 23–26% легче уголковых при равной несущей способности. Экономия металла компенсирует более высокую стоимость профильных труб по сравнению с горячекатаным уголком.

Нормативная база и ГОСТы

Стандарты на профильные трубы

Профильные трубы для строительных конструкций изготавливаются по следующим стандартам:

1. ГОСТ 30245-2003 — «Профили стальные гнутые замкнутые сварные квадратные и прямоугольные для строительных конструкций». Основной стандарт для несущих элементов ферм. Регламентирует размеры, допуски, механические свойства и методы испытаний.
2. ГОСТ 8639-82 — «Трубы стальные квадратные. Сортамент». Определяет номенклатуру квадратных профильных труб от 10×10 до 180×180 мм.
3. ГОСТ 8645-68 — «Трубы стальные прямоугольные. Сортамент». Аналогичный стандарт для прямоугольных труб от 28×25 до 230×100 мм.
4. ГОСТ 27772-2021 — «Прокат для строительных стальных конструкций». Определяет требования к стали (С235, С245, С255, С345 и др.).

Нормы проектирования и изготовления

Расчёт и проектирование ферм из профильных труб выполняют в соответствии с СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» (актуализированная редакция СНиП II-23-81*). Раздел 15 СП посвящён конструкциям из замкнутых гнутосварных профилей и содержит специфические требования к узловым соединениям трубчатых ферм.

Изготовление ферм регламентируется ГОСТ 23118-2019 «Конструкции стальные строительные. Общие технические условия» и СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции». Контроль качества сварных соединений — по ГОСТ 3242-79, ультразвуковой контроль — по ГОСТ 14782-86.

Требования к нагрузкам

Нагрузки на фермы определяют по СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Для ферм покрытий учитывают:

• Собственный вес конструкций (определяется по результатам расчёта)
• Вес кровельного пирога (профлист, утеплитель, гидроизоляция) — 0,3–0,8 кН/м²
• Снеговая нагрузка — от 0,5 до 5,6 кН/м² в зависимости от снегового района
• Ветровая нагрузка (отсос при пологих кровлях) — расчёт по аэродинамическим коэффициентам
• Технологические нагрузки (подвесное оборудование, освещение) — по заданию на проектирование

Типовые сечения и пролёты

Рекомендуемые сечения труб по пролётам

Выбор сечения элементов фермы зависит от пролёта, шага ферм, нагрузки и конструктивной схемы. Ниже приведены ориентировочные сечения для ферм с параллельными поясами при типовой нагрузке (собственный вес + кровля + снег III района, шаг ферм 6 м):

Пролёт, м	Высота фермы, м	Верхний пояс, мм	Нижний пояс, мм	Раскосы, мм	Стойки, мм	Масса фермы, кг
6	0,6–0,8	80×80×4	80×80×4	40×40×3	40×40×3	180–250
9	0,9–1,2	100×100×4	80×80×4	50×50×3	40×40×3	320–420
12	1,2–1,5	120×120×5	100×100×4	60×60×3	50×50×3	480–580
18	1,8–2,2	140×140×6	120×120×5	80×80×4	60×60×3	900–1 100
24	2,4–3,0	180×180×8	160×160×6	100×100×4	80×80×4	1 600–1 950
30	3,0–3,6	200×200×8	180×180×6	120×120×5	100×100×4	2 600–3 100
36	3,6–4,5	200×200×10*	200×200×8	140×140×6	100×100×4	3 800–4 600

* Для пролётов свыше 30 м верхний пояс нередко выполняют из двух профилей, соединённых планками, или применяют профили по спецзаказу сечением до 300×300×10 мм.

Высота фермы принимается в пределах 1/8–1/12 пролёта. Для ферм из профильных труб оптимальное соотношение — 1/10 пролёта, что обеспечивает минимальный расход стали при допустимых прогибах.

Соотношение сечений пояса и решётки

При проектировании ферм из замкнутых профилей важно соблюдать геометрические условия узловых соединений. Согласно СП 16.13330, ширина раскоса должна составлять 0,6–1,0 ширины пояса. Толщина стенки раскоса не должна превышать толщину стенки пояса. Эти условия обеспечивают равнопрочность сварного узла и элементов, исключая необходимость усиления стенки пояса рёбрами жёсткости.

Предельная гибкость элементов

Предельная гибкость сжатых элементов ферм покрытий по СП 16.13330 не должна превышать:

• Пояса — λ ≤ 120 (180/[λ] при динамических нагрузках)
• Раскосы и стойки — λ ≤ 150
• Растянутые элементы — λ ≤ 250 (для вертикальных связей — 300)

Профильные трубы обладают малым радиусом инерции относительно обеих осей, что автоматически обеспечивает меньшую гибкость по сравнению с уголками при равной площади сечения. Это позволяет использовать более лёгкие профили для раскосов и стоек.

Расчёт и проектирование

Общий алгоритм расчёта

Расчёт фермы из профильных труб выполняют в следующей последовательности:

1. Сбор нагрузок — определение постоянных (вес кровли, прогонов, связей) и временных (снег, ветер, технологические) нагрузок по СП 20.13330.
2. Выбор конструктивной схемы — тип фермы (с параллельными поясами, треугольная, полигональная), тип решётки (раскосная, полураскосная), высота фермы, расположение узлов.
3. Определение усилий — расчёт стержневой системы на все сочетания нагрузок. Для типовых ферм допускается ручной расчёт методом вырезания узлов или сечений. Для сложных схем — программные комплексы (ЛИРА-САПР, SCAD, Tekla Structures).
4. Подбор сечений — проверка прочности и устойчивости каждого стержня по первой группе предельных состояний, проверка прогибов по второй группе.
5. Расчёт узлов — проверка несущей способности узловых соединений (продавливание стенки пояса, разрушение сварных швов, местная устойчивость стенок).
6. Проверка общей устойчивости — расчёт из плоскости фермы, назначение связей и распорок.

Особенности расчёта по СП 16.13330

Раздел 15 СП 16.13330 устанавливает специфические требования к расчёту конструкций из замкнутых гнутосварных профилей:

Расчёт на сжатие с учётом начальных несовершенств. Гнутосварные профили имеют значительные остаточные напряжения от холодного формования (до 0,5·Ry в углах). Это учитывается коэффициентом продольного изгиба φ, значения которого для замкнутых профилей приведены в таблице Д.1 СП 16.13330 (тип сечения «б»).

Расчёт узловых соединений. Несущая способность бесфасоночного узла определяется тремя механизмами разрушения: продавливание стенки пояса, разрушение боковых стенок пояса, разрушение раскоса в зоне примыкания. Расчётные формулы зависят от соотношения ширин раскоса и пояса (β = b₁/b₀), толщины стенки пояса (t₀) и соотношения ширины пояса к толщине стенки (γ = b₀/2t₀).

Предельные прогибы. Для ферм покрытий вертикальный прогиб ограничен L/250 (для пролётов до 36 м). Для ферм, несущих подвесные краны, — L/400. Для архитектурных конструкций с открытым каркасом — L/300.

Программный расчёт

Современные программные комплексы позволяют моделировать трубчатые фермы с учётом реальной жёсткости узлов. В отличие от классического предположения о шарнирных узлах, бесфасоночные соединения профильных труб обладают значительной изгибной жёсткостью. Учёт полужёсткости узлов снижает расчётные усилия в стержнях на 5–15%, но требует дополнительной проверки узлов на изгибающие моменты.

Узловые соединения

Бесфасоночные сварные узлы

Наиболее распространённый тип соединения в трубчатых фермах — бесфасоночный, при котором раскосы и стойки привариваются непосредственно к поясу. Торцы раскосов обрабатываются (подрезаются) по контуру пояса для плотного прилегания. Сварка выполняется по всему периметру примыкания угловыми швами с катетом, равным толщине стенки раскоса.

Преимущества бесфасоночных узлов:

• Минимум деталей — нет косынок, накладок, болтов
• Снижение трудоёмкости на 30–40% по сравнению с фасоночными соединениями
• Компактность — нет выступающих элементов, удобство транспортировки
• Эстетика — чистый вид узла без лишних деталей

Ограничения: при больших усилиях в раскосах (более 0,6 от несущей способности пояса) возможно продавливание стенки пояса. В таких случаях стенку пояса усиливают рёбрами жёсткости или переходят на фланцевые соединения.

Фланцевые соединения

Фланцевые узлы применяют при монтажных стыках ферм (деление на отправочные марки) и при соединении ферм с колоннами. На торец трубы приваривается стальная пластина (фланец) толщиной 16–30 мм, после чего элементы стягиваются высокопрочными болтами класса 10.9 или 12.9.

Фланцевые соединения удобны для монтажа: не требуют сварки на высоте, позволяют разбирать конструкцию. Однако они увеличивают массу фермы на 8–12% за счёт фланцев и болтов, а также требуют высокой точности изготовления (отклонение плоскости фланца — не более 0,3 мм).

Рекомендации по конструированию узлов

При проектировании узлов трубчатых ферм следует соблюдать следующие правила:

• Оси раскосов и поясов должны пересекаться в одной точке (эксцентриситет не более 0,25·h пояса)
• Зазор между торцами смежных раскосов — не менее 2t₀ (двух толщин стенки пояса), но не менее 20 мм
• Угол между раскосом и поясом — не менее 30° (для обеспечения качества сварки)
• Для К-образных узлов перекрытие раскосов допускается не более 50% ширины раскоса
• Сварные швы выполняют непрерывными по всему контуру примыкания

Изготовление и монтаж

Технология заводского изготовления

Изготовление ферм из профильных труб на заводе металлоконструкций включает следующие операции:

1. Раскрой труб — резка в размер ленточнопильными станками или газовой резкой. Торцы раскосов подрезают под углом для прилегания к поясу — на современных производствах эту операцию выполняют лазерные или плазменные установки с ЧПУ.
2. Сборка — фиксация элементов на стапеле или в кондукторе. Для серийных ферм используют специализированные кондукторы, обеспечивающие точность геометрии ±2 мм.
3. Сварка — полуавтоматическая сварка в среде защитного газа (CO₂ или смесь Ar+CO₂). Для ответственных конструкций — аргонодуговая сварка. Последовательность наложения швов — от середины фермы к опорам для минимизации сварочных деформаций.
4. Контроль качества — визуальный и измерительный контроль 100% швов, ультразвуковой контроль стыковых швов поясов (не менее 50% длины), контроль геометрических параметров фермы.
5. Антикоррозийная обработка — дробеструйная очистка до степени Sa 2½, грунтование и окраска в заводских условиях.

Монтаж ферм на объекте

Монтаж ферм из профильных труб выполняют преимущественно укрупнёнными блоками. Лёгкие фермы пролётом до 18 м монтируют целиком, поднимая краном за две точки (в третях пролёта). Тяжёлые фермы пролётом 24–36 м делят на 2–3 отправочные марки с монтажными фланцевыми стыками.

Порядок монтажа:

1. Установка первой фермы с временным раскреплением расчалками
2. Установка второй фермы и соединение с первой горизонтальными связями
3. Проверка геометрии, выверка отметок верхнего пояса
4. Установка прогонов и вертикальных связей
5. Снятие временных расчалок после обеспечения геометрической неизменяемости блока

Предельные отклонения при монтаже: отклонение оси фермы от вертикали — L/500 (не более 15 мм), разность отметок опорных узлов — не более 10 мм, отклонение от проектного положения в плане — не более 10 мм.

Часто задаваемые вопросы