Металлическая ферма — стержневая несущая конструкция, воспринимающая нагрузки от кровли, мостовых кранов, технологического оборудования и передающая их на колонны. В промышленном и гражданском строительстве фермы перекрывают пролёты от 6 до 96 м и более, обеспечивая минимальный расход стали при высокой несущей способности. В этой статье разберём классификацию ферм, типы решёток, рекомендуемые сечения элементов и порядок расчёта нагрузок по действующим нормам.
Что такое металлическая ферма и где она применяется
Принцип работы
Ферма состоит из верхнего и нижнего поясов, соединённых решёткой из раскосов и стоек. Все стержни работают преимущественно на осевые усилия — растяжение или сжатие, что выгодно отличает ферму от сплошностенчатой сварной или прокатной балки. При пролётах свыше 12–18 м ферма оказывается легче балки на 20–40 % за счёт рационального распределения материала.
Область применения
- Покрытия промышленных зданий (цеха, склады, ангары) — пролёты 18–36 м
- Большепролётные общественные здания (спортзалы, выставочные павильоны) — пролёты 36–96 м
- Мостовые конструкции и эстакады
- Башни, мачты, опоры ЛЭП
- Подстропильные фермы при шаге колонн 12 м и шаге стропильных ферм 6 м
Выбор конструктивной схемы здания определяет тип фермы, её пролёт, шаг и высоту. На стадии КМ разрабатываются чертежи отправочных марок с узлами и спецификацией.
Классификация ферм по очертанию поясов
Очертание поясов определяет распределение усилий в стержнях, расход стали, уклон кровли и архитектурный облик здания. Согласно СП 16.13330, при проектировании следует выбирать тип фермы исходя из назначения здания, величины пролёта и характера нагрузки.
Фермы с параллельными поясами
Наиболее распространённый тип для промышленных зданий с плоской или малоуклонной кровлей (i = 1,5–5 %). Верхний и нижний пояса параллельны, высота фермы постоянна по длине. Преимущества: унификация стержней решётки, простота изготовления, возможность использования в качестве подстропильных ферм. Оптимальны при пролётах 18–36 м.
Треугольные фермы
Треугольные фермы имеют наклонные верхние пояса, сходящиеся в коньке. Уклон кровли 20–45° делает их пригодными для зданий со скатной крышей и значительной снеговой нагрузкой. Недостаток — длинные сжатые раскосы у опор и большой перепад усилий в стержнях, что увеличивает расход стали на 15–25 % по сравнению с фермами с параллельными поясами при одинаковом пролёте.
Полигональные и сегментные фермы
Полигональные фермы имеют ломаный верхний пояс, приближённый к параболе. Сегментные — верхний пояс из дуговых участков. Оба типа применяются при пролётах 36–96 м, где экономия стали за счёт рационального очертания компенсирует усложнение изготовления. Уменьшение изгибающих моментов в поясах позволяет снизить массу на 10–18 % относительно ферм с параллельными поясами.
Арочные фермы
Решётчатые арки перекрывают пролёты 60–120 м. Оба пояса криволинейные, стрела подъёма обычно составляет 1/4–1/6 пролёта. Применяются для ангаров, крытых стадионов, выставочных комплексов. Требуют мощных фундаментов для восприятия распора или устройства затяжек.
Типы решёток стропильных ферм
Решётка передаёт нагрузку от узлов верхнего пояса к опорам. Тип решётки влияет на число стержней, суммарную длину сварных швов, трудоёмкость изготовления и общую массу фермы.
Треугольная решётка
Состоит из раскосов, наклонённых в противоположные стороны в смежных панелях. Минимальное число стержней, наименьшая суммарная длина, простота узлов. Рекомендуется для ферм с параллельными поясами при пролётах до 36 м. При необходимости крепления прогонов в промежуточных точках устанавливают дополнительные стойки (треугольная решётка со стойками).
Раскосная решётка
Все раскосы наклонены в одну сторону, вертикальные стержни — стойки. Направление раскосов выбирают так, чтобы длинные раскосы были растянутыми, а короткие стойки — сжатыми. Применяется при больших поперечных силах у опор (подкрановые фермы, фермы с сосредоточенными нагрузками).
Крестовая и ромбическая решётки
Крестовая решётка — два ряда раскосов, пересекающихся в середине панели. Ромбическая — раскосы образуют ромбы. Оба типа обеспечивают повышенную жёсткость из плоскости фермы и применяются в подкрановых фермах, мостах, башнях. Расход стали на решётку увеличивается на 20–30 %, но снижается расчётная длина сжатых стержней.
Полураскосная решётка
Комбинация раскосов и стоек, при которой раскосы соединяют не смежные, а через один узел. Даёт увеличенную высоту панелей и меньшее число узлов. Применяется в фермах высотой более 4 м при пролётах от 36 м.
Пролёты, высота и масса ферм
Пролёт фермы определяется шагом колонн и назначением здания. Высота фермы в середине пролёта — ключевой параметр, влияющий на расход стали: заниженная высота увеличивает усилия в поясах, завышенная — увеличивает длину и массу решётки.
Рекомендуемая высота ферм
По результатам технико-экономических сравнений и рекомендациям СП 16.13330 оптимальная высота стропильных ферм составляет:
| Тип фермы | Оптимальная высота h | Минимальная высота | Область применения |
|---|---|---|---|
| С параллельными поясами | 1/8–1/10 L | 1/12 L | Промышленные здания, склады |
| Треугольная | 1/3–1/4 L (в коньке) | 1/5 L | Скатные кровли, навесы |
| Полигональная | 1/6–1/8 L | 1/10 L | Большие пролёты 36–96 м |
| Сегментная | 1/6–1/7 L | 1/9 L | Большие пролёты 36–96 м |
| Арочная | 1/4–1/6 L (стрела) | 1/7 L | Пролёты 60–120 м |
Где L — пролёт фермы. Например, для фермы с параллельными поясами пролётом 24 м оптимальная высота составляет 2,4–3,0 м, минимальная — 2,0 м.
Масса стропильных ферм в зависимости от пролёта
Ориентировочная масса ферм из парных уголков при нормативной нагрузке на покрытие 1,5–2,5 кН/м² и шаге ферм 6 м (сталь С245–С345 по ГОСТ 27772):
| Пролёт, м | Высота фермы, м | Масса фермы, т | Расход стали, кг/м² | Тип решётки |
|---|---|---|---|---|
| 12 | 1,5 | 0,4–0,6 | 5–8 | Треугольная |
| 18 | 2,0–2,25 | 0,8–1,3 | 7–12 | Треугольная |
| 24 | 2,4–3,15 | 1,5–2,5 | 10–17 | Треугольная со стойками |
| 30 | 3,15–3,75 | 2,5–4,0 | 14–22 | Треугольная со стойками |
| 36 | 3,75–4,5 | 4,0–6,5 | 18–30 | Раскосная |
| 42 | 4,2–5,25 | 5,5–8,5 | 22–34 | Раскосная |
| 48 | 4,8–6,0 | 7,0–11,0 | 24–38 | Полураскосная |
| 60 | 6,0–7,5 | 11,0–18,0 | 30–50 | Полураскосная |
| 72 | 7,2–9,0 | 16,0–26,0 | 37–60 | Крестовая |
| 96 | 9,6–12,0 | 28,0–45,0 | 48–78 | Крестовая |
Масса указана без учёта связей, прогонов и фасонок. Для ферм из профильных труб масса снижается на 15–25 % за счёт лучшей работы замкнутых сечений на сжатие. Для ферм из широкополочных тавров (разрезанных двутавров) масса близка к табличной, но трудоёмкость изготовления ниже из-за бесфасоночных узлов.
Сечения элементов ферм
Выбор сечения стержней фермы определяется величиной усилий, расчётной длиной элемента, условиями эксплуатации и технологией изготовления. В отечественной практике наибольшее распространение получили четыре типа сечений.
Парные уголки
Классическое сечение для ферм пролётом до 36 м. Пояса — из двух равнополочных или неравнополочных уголков, соединённых через фасонку. Решётка — из одиночных или парных уголков. Преимущества: широкий сортамент, простота стыковки на фасонках, хорошая свариваемость. Типичные сечения поясов: 2L 75×5 – 2L 200×16. Недостаток — открытое сечение склонно к потере устойчивости из плоскости фермы, требуются связи через 6–12 м.
Профильные трубы (замкнутые сечения)
Квадратные и прямоугольные трубы — современное решение для ферм пролётом 6–36 м. Замкнутое сечение обеспечивает одинаковые радиусы инерции в обеих плоскостях, что снижает расчётную длину сжатых стержней и массу фермы. Бесфасоночные узлы (прямое примыкание решётки к поясу) уменьшают трудоёмкость на 20–30 %. Типичные сечения поясов: от 80×80×4 до 300×300×10 мм. Для решётки: от 40×40×3 до 150×150×6 мм.
Тавры из широкополочных двутавров
Пояса выполняют из тавров (половинок широкополочных двутавров), решётку — из одиночных уголков или тавров меньшего сечения. Узлы бесфасоночные: стержни решётки привариваются непосредственно к стенке тавра. Экономия на фасонках составляет 10–15 % массы фермы. Применяется при пролётах 18–48 м.
Одиночные уголки (лёгкие фермы)
Для ферм покрытий лёгких зданий (навесы, теплицы, каркасные дома) при пролётах 6–18 м и нагрузках до 1,0 кН/м² применяют фермы из одиночных уголков. Все стержни лежат в одной плоскости, крепление — на фасонках или непосредственно к поясам. Масса таких ферм — 0,1–0,5 т при пролёте 6–12 м.
Расчёт нагрузок на фермы
Расчёт нагрузок выполняется по СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Стропильная ферма воспринимает постоянные и временные нагрузки, передаваемые через прогоны или плиты покрытия в узлах верхнего пояса.
Постоянные нагрузки
- Собственный вес фермы — принимается по предварительному расчёту или по таблице выше; для первого приближения: 0,4–0,8 кН/м² покрытия при пролётах 18–36 м
- Вес кровли — зависит от типа: профнастил 0,10–0,15 кН/м², сэндвич-панели 0,20–0,35 кН/м², железобетонные плиты 1,5–3,0 кН/м²
- Вес прогонов и связей — обычно 0,05–0,15 кН/м²
- Вес утеплителя — минвата 100 мм: 0,04–0,06 кН/м², PIR 80 мм: 0,03 кН/м²
Временные нагрузки
Снеговая нагрузка — нормативное значение определяется по карте снеговых районов (СП 20.13330, приложение Г). Для центральных регионов России (III снеговой район) нормативная снеговая нагрузка Sg = 1,8 кН/м², расчётная — Sg × γf = 1,8 × 1,4 = 2,52 кН/м². Для IV района: 2,4 × 1,4 = 3,36 кН/м². При уклоне кровли свыше 25° вводится понижающий коэффициент μ.
Ветровая нагрузка — для покрытий плоских зданий ветровая нагрузка создаёт отсос (отрицательное давление). Нормативный скоростной напор для I ветрового района — 0,23 кН/м², для III — 0,38 кН/м². Аэродинамические коэффициенты для покрытий: ce = −0,5…−1,2 (отсос).
Технологические нагрузки — подвесные краны (3,2–5,0 тс), подвесное оборудование, трубопроводы. Для кранов нагрузка передаётся на нижний пояс фермы через подвески.
Порядок расчёта
- Сбор нагрузок на 1 м² покрытия (постоянные + временные) с учётом коэффициентов надёжности γf
- Определение погонной нагрузки на ферму: q = (g + s + w) × B, где B — шаг ферм (обычно 6 или 12 м)
- Определение узловых сил: P = q × d, где d — длина панели верхнего пояса
- Определение усилий в стержнях методом вырезания узлов или сечений (метод Риттера)
- Подбор сечений стержней по прочности и устойчивости согласно СП 16.13330
- Проверка предельных прогибов: f/L ≤ 1/250 для покрытий (1/400 для ферм, несущих подвесные краны)
В современной практике расчёт выполняется в программных комплексах (SCAD, ЛИРА, Robot Structural Analysis) с учётом пространственной работы каркаса, геометрической нелинейности и комбинаций нагрузок по СП 20.13330.
Поможем выбрать тип фермы и рассчитать нагрузки для вашего объекта
Нормативная база: ГОСТы и СП
Проектирование, изготовление и монтаж металлических ферм регулируются комплексом нормативных документов.
Основные стандарты проектирования
- СП 16.13330.2017 — «Стальные конструкции». Основной документ для расчёта: прочность, устойчивость, предельная гибкость стержней (λ ≤ 180 для растянутых, λ ≤ 120 для сжатых поясов, λ ≤ 150 для сжатых элементов решётки)
- СП 20.13330.2016 — «Нагрузки и воздействия». Снеговые и ветровые нагрузки, коэффициенты надёжности, комбинации нагрузок
- СП 70.13330.2012 — «Несущие и ограждающие конструкции». Требования к монтажу, допуски на отклонения
Стандарты изготовления и приёмки
- ГОСТ 23118-2019 — «Конструкции стальные строительные. Общие технические условия». Требования к материалам, изготовлению, маркировке, приёмке
- ГОСТ 27772-2021 — «Прокат для строительных стальных конструкций». Сортамент и марки стали (С235, С245, С255, С345, С375, С390)
- ГОСТ 14771-76 — «Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные». Типы швов для узлов ферм
- СП 53-101-98 — «Изготовление и контроль качества стальных строительных конструкций»
При проектировании ферм для конкретного объекта на стадии КМ указываются марка стали, категория сварных швов (I–III), требования к контролю качества (УЗК, радиография). Для ферм пролётом свыше 36 м или при динамических нагрузках (краны, вибрация) назначают I категорию швов стыковых соединений поясов и II категорию для узловых швов решётки.
На производстве фермы изготавливаются на стапелях с кантовкой или на поточных линиях. Точность сборки контролируется по ГОСТ 23118: отклонение длины фермы — не более ±5 мм для ферм до 18 м и ±10 мм для ферм свыше 18 м; стрела выгиба (строительный подъём) — L/1000 ± 5 мм.
Частые вопросы
Какой максимальный пролёт может перекрыть металлическая ферма?
Стандартные стропильные фермы перекрывают пролёты до 96 м. Арочные и структурные фермы — до 120–150 м. Рекордные пролёты крытых сооружений (более 200 м) достигаются комбинацией ферм с вантовыми или подвесными системами. Для типовых промышленных зданий наиболее экономичный диапазон — 18–36 м.
Чем ферма из профильных труб лучше фермы из уголков?
Фермы из профильных труб на 15–25 % легче за счёт замкнутого сечения с одинаковыми радиусами инерции. Бесфасоночные узлы снижают трудоёмкость изготовления на 20–30 %. Однако трубный прокат дороже уголкового, а сварка узлов требует более высокой квалификации. Для пролётов до 24 м экономия массы может не компенсировать удорожание материала.
Как определить необходимую высоту фермы?
Оптимальная высота стропильной фермы с параллельными поясами — 1/8–1/10 пролёта. Для пролёта 24 м это 2,4–3,0 м. Минимальная высота — 1/12 пролёта (2,0 м для L = 24 м). Занижение высоты резко увеличивает усилия в поясах и расход стали. Строительный подъём (выгиб) назначается L/250–L/400 вверх для компенсации прогиба под нагрузкой.
Какие нагрузки учитываются при расчёте стропильной фермы?
Постоянные: собственный вес фермы, кровли, прогонов, утеплителя (суммарно 0,7–3,5 кН/м²). Временные: снеговая (1,2–5,6 кН/м² в зависимости от района), ветровая (отсос кровли), технологические (подвесные краны, трубопроводы). Подробнее о расчёте нагрузок — в отдельной статье базы знаний.
Какую марку стали выбрать для фермы?
Для ненагруженных ферм пролётом до 24 м в отапливаемых зданиях (t ≥ −30 °C) — С245. Для нагруженных ферм, пролётов 24–48 м — С345 (экономия массы 20–30 % за счёт повышенного предела текучести). Для ферм при температуре эксплуатации ниже −40 °C — С345-3 или С390 с гарантией ударной вязкости при отрицательных температурах. Выбор марки стали определяется по таблицам СП 16.13330 в зависимости от группы конструкций и климатического района.