Навесы давно и прочно вошли в нашу жизнь. Под навесом ваша семья собирается летним вечером, чтобы посидеть за чашкой чая, под навесом вы безбоязненно можете оставить свой автомобиль, под навесом ваш бассейн остается чистым.
Несмотря на то, что навес является простейшим архитектурным сооружением, их конструктивные особенности могут иметь большие отличия. Самый простой и легко монтируемый своими руками навес представляет собой конструкцию на четырех или более опорах, с верхней обвязкой и стропильной системой. Но такой навес подойдет только для того, чтобы защищать небольшое пространство. Для более массивных сооружений понадобятся, так называемые, фермы для навеса.
Что подразумевает под собой понятие ферма для навеса? Ферма — это каркасная конструкция из металла, у которого есть два пояса сверху и снизу. При помощи сварочного аппарата эти пояса соединяют, посредством вертикальных стоек и раскосов. Применение ферм в строительстве своими руками навесов помогает строению выдерживать повышенные нагрузки.
Готовые фермы вы можете купить, но можно сделать их своими руками. Чтобы навес или другая конструкция, построенная своими руками, получились крепкими и прочными вам понадобятся некоторые расчеты.
- Форма кровли навеса. Для каждых форм, односкатных, арочных, двускатных, шатровых расчет будет производиться свой, так как вид пояса будет индивидуален.
- Еще одним важным фактором будет размер навеса. Помните, чем шире просвет между фермами, тем большую нагрузку, им придется выдерживать. Делая расчет определите у скатов крайние точки по вертикали. Чем более крутой угол ската, тем меньшее количество снега на нем останется.
- Зная размеры панелей сотового поликарбоната, проще сделать расчет расстояния между фермами.
- Сверяясь с картами, можно рассчитать предельную нагрузку от выпадающих осадков и ветра.
Вообще, сделать расчет ферм самостоятельно не так просто, если только вы не инженер. Не имея технического образования, вы можете, имея размеры навеса, найти подходящую схему и проект в интернете. Но все же наилучшим решением проблемы будет обращение к специалисту в строительной сфере. Он поможет вам составить расчет правильно, учитывая все допустимые нагрузки, а также проконсультирует, какие именно материалы подойдут для вашего типа навеса. Исходя из этого вы можете правильно рассчитать примерную стоимость навеса, а это один из основополагающих факторов, который всех интересует перед тем как начать изготовление навеса.
Лучшим материалом для изготовления ферм всегда считались профильные трубы. Профильные трубы из нержавеющей стали имеют свои преимущества:
- Профильные трубы не деформируются при больших нагрузках.
- Полость внутри снижает вес труб.
- Дешевизна.
- Возможность создавать прочные и долговечные сооружения.
Для кровли лучше применить один из видов поликарбоната – сотовый или литой. Листы поликарбоната крепят на саморезы. Покрытие из поликарбоната позволяет создавать кровлю не подверженную коррозии,
Расчет ферм для односкатного навеса
Односкатный навес один из наиболее часто встречающихся видов подобных конструкций, которые строят своими руками и применяемых для временного хранения техники и других нужд. Стандартные размеры навеса, как правило, имеют размеры6 ширина 4 метра, длина 6 метров. Стандартные ширина плит поликарбоната 2,1 м.
Расположение ферм под плитами поликарбоната будет следующим: в середине и под краем листа. Ферма для навеса, как уже говорилось выше, будет изготовлена из квадратной профильной трубы из металлопрофиля сечением 30 мм. Длина верней трубы будет 4000 мм, нижней — 3200 мм. Квадратные трубы, играющие роль распорок должны иметь сечение 20 мм. Их соединяют с верней и нижней трубами в виде зигзага, под углом равным 25°. Далее фермы соединяются своими руками между собой, их приваривают к направляющим, изготовленным из квадратного профиля, сечение которого равно 30 мм.
Небольшое количество ферм можно соединить внизу и затем поднять наверх. Это достаточно легко сделать, но для более тяжелых конструкций придется привлечь дополнительную технику и прибегнуть к помощи третьих лиц.
Сборка каркаса с применением готовых ферм
Порядок сборки каркаса из металла выглядит так:
- На размеченном участке у устанавливаются и бетонируются опоры, расположение должно быть вертикальным, что легко сделать, прибегнув к уровню или отвесу.
- К установленным стойкам приваривают продольно квадратные трубы.
- Ферма монтируется на земле, к поясам вверху и внизу привариваются раскосы и перемычки. Фермы поднимают на опоры и приваривают.
- На расстоянии полуметра к каждой ферме приваривают перемычки, это основа для крепления листов поликарбоната.
- Все металлические части зачищают, обезжиривают, грунтуют и наносят краску. Тщательная подготовка каркаса поможет защитить его от коррозии.
Необходимые условия строительства
Все строения должны соответствовать строительным нормам ГОСТ.
Чтобы обеспечить сход снега, скат навеса должен быть установлен с соблюдением угла 25-30°.
Профильные трубы должны иметь стенку не менее 3мм.
Чтобы не допустить провисания листов поликарбоната, между фермами не должно быть расстояние более 1.75 м.
Выступ листов поликарбоната за пределы каркаса на 15 см необходим, это не позволит каплям дождя попасть на металлические части.
Торцевые части листов поликарбоната закрывают профилями, чтобы предотвратить проникновение инородных предметов и воды внутрь поликарбоната.
Сделать своими руками правильно фермы можно только в том случае, если вы уже имели опыт сварочных работ. В этом случае изготовление не потребует от вас усилий, и вы сможете сварить конструкцию очень быстро.
В заключение хочется сказать, что навес конструкция долговечная, при надлежащем подходе к технической стороне строительства. Правильно произведенный расчет и применение новейших технологий позволят вам в кратчайшие сроки возвести функциональное и удобное строение.
Применив профильную трубу для монтажа ферм, можно создавать конструкции, рассчитанные на высокие нагрузки. Легкие металлоконструкции подходят для возведения сооружений, обустройства каркасов под дымоходы, монтажа опор для кровли и козырьков. Вид и габариты ферм определяют в зависимости от специфики использования, будь то домашнее хозяйство или промышленная сфера. Важно грамотно выполнить расчет фермы из профильной трубы, иначе конструкция может не выдержать эксплуатационные нагрузки.
Навес из арочных ферм
Виды ферм
Металлические фермы из трубопроката отличаются трудоемкостью в монтаже, но они экономичнее и легче конструкций из сплошных балок. Профилированная труба, которую изготавливают из круглой путем горячей или холодной обработки, в поперечном разрезе имеет вид прямоугольника, квадрата, многогранника, овала, полуовала или плоскоовальную форму. Удобнее всего монтировать фермы из квадратных труб.
Ферма – это металлоконструкция, в состав которой входит верхний и нижний пояс, а также решетка между ними. К элементам решетки относятся :
- стойка – располагается перпендикулярно к оси;
- раскос (подкос) – устанавливается под наклоном к оси;
- шпренгель (вспомогательный подкос).
Конструктивные элементы металлической фермы Фермы в первую очередь предназначены для перекрытия пролетов. За счет ребер жесткости они не деформируются даже при использовании длинных конструкций на сооружениях с большими пролетами.
Изготовление металлических ферм производится на земле или в производственных условиях. Элементы из профильных труб обычно скрепляются между собой при помощи сварочного аппарата или клепок, могут использоваться косынки, парные материалы. Чтобы смонтировать каркас навеса, козырька, крыши капитальной постройки, готовые фермы поднимают и крепят к верхней обвязке согласно разметке.
Для перекрытия пролетов применяются различные варианты ферм из металла. Конструкция может быть :
- односкатной;
- двухскатной;
- прямой;
- арочной.
Треугольные фермы, изготовленные из профильной трубы, используются как стропила, в том числе для монтажа простого односкатного навеса. Металлоконструкции в виде арок пользуются популярностью благодаря эстетичности внешнего вида. Но арочные конструкции требуют максимально точных расчетов, поскольку нагрузка на профиль должна распределяться равномерно.
Треугольная ферма для односкатной конструкции Особенности конструкций
Выбор конструкции ферм навесов из профильной трубы, козырьков, стропильных систем под кровлей зависит от расчетных эксплуатационных нагрузок. По количеству поясов различаются :
- опоры, составные части которой формируют одну плоскость;
- подвесные конструкции, в состав которых входит верхний и нижний пояс.
В строительстве можно использовать фермы с различным контуром :
- с параллельным поясом (самый простой и экономичный вариант, собирается из идентичных элементов);
- односкатные треугольные (каждый опорный узел характеризуется повышенной жесткостью, за счет чего конструкция выдерживает серьезные внешние нагрузки, материалоемкость ферм небольшая);
- полигональные (выдерживают нагрузки от тяжелого настила, но сложны в монтаже);
- трапецеидальные (схожи по характеристикам с полигональными фермами, но этот вариант более простой по конструкции);
- двухскатные треугольные (применяются для устройства крыши с крутыми скатами, характеризуются большой материалоемкостью, при монтаже много отходов);
- сегментные (подходят для сооружений со светопрозрачной кровлей из поликарбоната, монтаж усложнен из-за необходимости изготавливать дугообразные элементы с идеальной геометрией для равномерного распределения нагрузок).
Очертания поясов ферм В соответствии с величиной угла наклона типовые фермы подразделяют на следующие виды :
Основы расчета
Перед тем как рассчитать ферму, необходимо подобрать подходящую конфигурацию крыши, учитывая габариты сооружения, оптимальное количество и угол наклона скатов. Также следует определить, какой контур поясов подойдет для выбранного варианта крыши – при этом принимаются во внимание все эксплуатационные нагрузки на кровлю, включая осадки, ветровую нагрузку, вес людей, производящих работы по обустройству и обслуживанию навеса из профильной трубы или кровли, монтажу и ремонту оборудования на крыше.
Чтобы выполнить расчет фермы из профильной трубы, необходимо определить длину и высоту металлоконструкции. Длина соответствует расстоянию, которое должна перекрывать конструкция, при этом высота зависит от запроектированного угла наклона ската и выбранного контура металлоконструкции.
Расчет навеса в итоге сводится к тому, чтобы определить оптимальные промежутки между узлами фермы. Для этого требуется рассчитать нагрузку на металлоконструкцию, выполнить расчет профильной трубы.
Неправильно рассчитанные каркасы кровли несут угрозу для жизни и здоровья людей, поскольку тонкие или недостаточно жесткие металлоконструкции могут не выдержать нагрузок и разрушиться. Поэтому рекомендуется доверить расчет металлической фермы профессионалам, знакомым со специализированными программами .
Если принято решение выполнить вычисления самостоятельно, необходимо воспользоваться справочными данными, в том числе о сопротивлении трубы на изгиб, руководствоваться СНиП. Правильно рассчитать конструкцию без соответствующих знаний сложно, поэтому рекомендуется найти пример расчета типовой фермы нужной конфигурации и подставить в формулу необходимые значения .
На этапе проектирования составляется чертеж фермы из профильной трубы. Подготовленные чертежи с указанием размеров всех элементов упростят и ускорят изготовление металлоконструкций.
Чертеж с размерами элементов Рассчитываем ферму из стальной профильной трубы
- Определяется размер пролета постройки, который требуется перекрыть, выбирается форма крыши и оптимальный угол наклона ската (или скатов).
- Подбираются подходящие контуры поясов металлоконструкции с учетом назначения постройки, формы и размеров крыши, угла наклона, предполагаемых нагрузок.
- Рассчитав приблизительные габариты фермы, следует определить, можно ли изготовить металлоконструкции в заводских условиях и доставить их на объект автотранспортом, или сварка ферм из профильной трубы будет выполнена непосредственно на стройплощадке по причине большой длины и высоты конструкций.
- Далее требуется рассчитать габариты панелей, основываясь на показателях нагрузок при эксплуатации кровли – постоянных и периодических.
- Чтобы определить оптимальную высоту конструкции в середине пролета (Н), используют следующие формулы, где L – длина фермы:
- для параллельных, полигональных и трапецеидальных поясов: Н=1/8×L, при этом уклон верхнего пояса доложен составлять приблизительно 1/8×L или 1/12×L;
- для металлоконструкций треугольной формы: Н=1/4×L либо Н=1/5×L.
- Угол установки раскосов решетки составляет от 35° до 50°, рекомендуемое значение 45°.
- На следующем этапе следует определить расстояние между узлами (обычно оно соответствует ширине панели). Если длина пролета превышает 36 метров, требуется вычисление строительного подъема – обратно погашаемого изгиба, который воздействует на металлоконструкцию при нагрузках.
- На основании измерений и вычислений готовится схема, согласно которой будет вестись изготовление ферм из профильной трубы.
Изготовление конструкции из профильной трубы Чтобы обеспечить необходимую точность расчетов, используйте строительный калькулятор – подходящую специальную программу. Так вы сможете сопоставить свои и программные расчеты для того, чтобы не допустить большого несоответствия в размерах!
Арочные конструкции: пример расчета
Чтобы сварить ферму для навеса в виде арки, применяя профильную трубу, необходимо правильно рассчитать конструкцию. Рассмотрим принципы расчета на примере предполагаемого сооружения с пролетом между опорными конструкциями (L) 6 метров, шагом между арками 1,05 метра, высотой фермы 1,5 метра – такая арочная ферма выглядит эстетично и способна выдержать высокие нагрузки. Длина стрелы нижнего уровня арочной фермы при этом составляет 1,3 метра (f), а радиус окружности в нижнем поясе будет равен 4,1 метра (r). Величина угла между радиусами: а=105.9776°.
Схема с размерами арочного навеса Для нижнего пояса длину профиля (mн) рассчитывают по формуле:
mн = π×R×α/180 , где:
mн – длина профиля из нижнего пояса;
π – постоянная величина (3,14);
R – радиус окружности;
α – угол между радиусами.
В результате получаем:
mн = 3,14×4,1×106/180 = 7,58 м
Узлы конструкции располагают в участках нижнего пояса с шагом 55,1 см - допускается округлить значение до 55 см, чтобы упростить сборку конструкции, но увеличивать параметр не следует. Расстояния между крайними участками требуется рассчитать индивидуально.
Если длина пролета составляет менее 6 метров, вместо сварки сложных металлоконструкций можно воспользоваться одинарной или двойной балкой, выполнив сгиб металлического элемента под выбранным радиусом. В этом случае расчет арочных ферм не требуется, но важно правильно подобрать сечение материала, чтобы конструкция выдерживала нагрузки.
Профильная труба для монтажа ферм: требования к расчету
Чтобы готовые конструкции перекрытий, в первую очередь крупногабаритные, выдерживали проверку на прочность на протяжении всего срока эксплуатации, трубопрокат для изготовления ферм подбирается на основании:
- СНиП 07-85 (взаимодействие снеговой нагрузки и веса элементов конструкций);
- СНиП П-23-81 (о принципах работы со стальными профилированными трубами);
- ГОСТ 30245 (соответствие сечения профильных труб и толщины стенок).
Данные из указанных источников позволят ознакомиться с видами профильных труб и выбрать оптимальный вариант с учетом конфигурации сечения и толщины стенок элементов, конструктивных особенностей фермы.
Навес для авто из трубопроката Фермы рекомендуется изготавливать из трубопроката высокого качества, для арочных конструкций желательно выбрать легированную сталь. Чтобы металлоконструкции были устойчивы к коррозии, сплав должен включать большой процент углерода. Металлоконструкции из легированной стали не нуждаются в дополнительной защитной окраске.
Зная, как сделать решетчатую ферму, можно смонтировать надежный каркас под светопрозрачный навес или кровлю. При этом важно учитывать ряд нюансов.
- Самые прочные конструкции монтируются из металлопрофиля с сечением в виде квадрата или прямоугольника за счет наличия двух ребер жесткости.
- Основные компоненты металлоконструкции крепятся между собой с использованием спаренных уголков и прихваток.
- При стыковке деталей каркаса в верхнем поясе требуется использовать двутавровые разносторонние уголки, при этом соединять следует по меньшей стороне.
- Сопряжение частей нижнего пояса крепят с установкой равносторонних уголков.
- Стыкуя основные части металлоконструкций большой длины, применяют накладные пластины.
Важно представлять, как сварить ферму из профильной трубы, если металлоконструкцию требуется собрать непосредственно на строительной площадке. Если нет навыков ведения сварочных работ, рекомендуется пригласить сварщика с профессиональным оборудованием.
Сварка элементов фермы Стойки металлоконструкции монтируют под прямым углом, раскосы – под наклоном в 45°. На первом этапе нарезаем из профильной трубы элементы в соответствии с размерами, указанными на чертеже. Собираем на земле основную конструкцию, проверяем ее геометрию. Затем варим собранный каркас, используя уголки и накладные пластины, где они требуются.
Обязательно проверяем прочность каждого сварного шва . От их качества и точности расположения элементов зависит прочность и надежность сваренных металлоконструкции, их несущая способность. Готовые фермы поднимают наверх и крепят к обвязке, соблюдая шаг установки согласно проекту.
Расчёт металлоконструкций стал камнем преткновения для многих строителей. На примере простейших ферм для уличного навеса мы расскажем, как правильно рассчитать нагрузки, а также поделимся простыми способами самостоятельной сборки без использования дорогостоящего оборудования.
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 = R 2 · 6 — уравнение равновесия моментов относительно узла а , где 6 м — длина плеча)
- R 2 = (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:
- R 1 + R 2 = 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 + S 1 = 0
- S 1 = 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) · S 3 = 0 — уравнение равновесия на ось у
- S 3 = 300 / sin(33,69) = 540,83 кг — стержень 3 сжат
- -S 3 · cos(33,69) + S 4 = 0 — уравнение равновесия на ось х
- S 4 = 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: F тр — площадь поперечного сечения растянутой детали; N — усилие от расчётных нагрузок; R y γ с
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: F тр — площадь поперечного сечения сжатой детали; N — усилие от расчётных нагрузок; φ — коэффициент продольного изгиба сжатых элементов (определяется по таблице); R y — расчётное сопротивление материала; γ с — 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: i x — радиус инерции сечения; J x — осевой момент инерции; F тр — 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: l x — расчётная длина в плоскости фермы; i x — минимальный радиус инерции сечения по оси x; l y — расчётная длина из плоскости фермы; i y — 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.
Навес из профильной трубы – это очень распространенная конструкция, которую можно встретить едва ли не в каждом дворе. Из профильных труб можно сделать как небольшой навес над крыльцом, так и большую крышу для автомобильной стоянки – и конструкция в любом случае будет достаточно крепкой, красивой и простой в обустройстве. В данной статье будет рассмотрен расчет навеса из профильной трубы и его монтаж.
Расчет и чертеж навеса
Грамотный расчет и создание хорошего чертежа подразумевают соблюдение ряда стандартов и требований, предъявляемых к конструкциям из профильных труб. Впрочем, маленькие односкатные навесы не нужно рассчитывать так уж точно – небольшой козырек из профильной трубы большим весом не отличается, поэтому никакой опасности такого рода конструкции не представляют. Крупногабаритные навесы для стоянок или бассейнов нужно обязательно рассчитать, чтобы избежать проблем.
Чертеж навеса из профтрубы всегда начинается с эскиза – простого наброска, на котором указан тип конструкции, ее основные особенности и примерные габариты. Чтобы точно определить размеры будущего навеса, стоит провести замеры на участке, где конструкция и будет располагаться. В том случае, если навес будет пристраиваться к дому, то необходимо также измерить стену, чтобы точно знать размеры профильной трубы для навеса.
Можно рассмотреть методику расчета на примере конструкции, расположенной на площадке 9х7 м, расположенной перед домом с размерами 9х6 м:
- Длина навеса вполне может равняться длине стены (9 м), а вылет конструкции на метр короче ширины площадки – т.е. 6 м;
- Нижний край вполне может иметь высоту 2,4 м, а высокий стоит поднять до 3,5-3,6 м;
- Угол наклона ската определяется в зависимости от разницы высот нижнего и верхнего краев (в данном примере получается около 12-13 градусов);
- Для расчета нагрузок на конструкцию нужно найти карты, отображающие уровень атмосферных осадков в данном регионе, и отталкиваться от них;
- Когда размер конструкции и предполагаемые нагрузки рассчитаны, остается составить подробный чертеж, подобрать материалы и приступить к сборке навеса.
Чертежи ферм из профильной трубы для навеса должны отображаться отдельно со всеми подробностями. Также стоит помнить, что минимальный уклон навеса составляет 6 градусов, а оптимальное значение – 8 градусов. Слишком малый наклон не позволит снегу сползать самостоятельно.
Закончив с чертежами, подбирается соответствующий материал и его количество. Расчет нужно проводить точный, а перед приобретением стоит добавить около 5% допуска – при работе очень часто происходят небольшие потери, да и брак встречается нередко. По подобным расчетам можно сделать и каркас гаража из профильной трубы , что достаточно востребовано.
Создание навеса из профильной трубы
Конструкция навеса особой сложностью не отличается. Если чертеж навеса и необходимые для его сборки материалы уже есть, то можно приступить непосредственно к обустройству конструкции.
Изготовление навеса из профильной трубы осуществляется по следующему алгоритму:
- Сначала размечается и подготавливается участок под навес. Нужно подобрать место для фундаментных ям и выкопать их, а потом засыпать дно всех ям щебнем. В ямах устанавливаются закладные элементы, после чего фундамент заливается цементным раствором.
- К нижним частям стоек навеса привариваются стальные детали квадратной формы, размер которых совпадает с габаритами закладных деталей, как и диаметр отверстий под болты. Когда раствор застынет, столбы для навеса из профильной трубы прикручиваются к закладным деталям.
- Следующий шаг – сборка каркаса. Профильная труба на этом этапе размечается и разрезается на необходимые куски, и только после этого может осуществляться изготовление ферм из профильной трубы для навеса. Сначала при помощи болтов крепятся боковые фермы, потом фронтальные перемычки, а последними при необходимости обустраиваются раскосные решетки. Собранный каркас устанавливается на стойки и фиксируется выбранным способом.
Перед монтажом кровли навес нужно покрасить или покрыть антикоррозионным составом, чтобы предотвратить возможное разрушение материала – во время сборки базовое покрытие повреждается, и металлические детали в результате теряют сопротивляемость коррозии. Кроме того, нужно понимать, что внешняя обработка не защищает конструкцию от разрушения изнутри, поэтому края труб необходимо закрыть заглушками.
Виды креплений элементов навеса и их размеры
Для сборки элементов навеса из профильной трубы могут использоваться разные способы:
- Одним из наиболее распространенных способов фиксации навесов из профтруб является болтовое соединение. Качество такого соединения достаточно высокое, при этом сложностью оно не отличается. Для работы потребуется дрель со сверлом по металлу, а также болты или саморезы, диаметр которых зависит от сечения трубы.
- Еще один способ, которым крепятся элементы навеса – сварное соединение. Сварочные работы требуют определенных навыков, да и оборудование потребуется более дорогое, чем для болтового соединения. Впрочем, результат того стоит – сварка обеспечивает высокую прочность конструкции без ее ослабления.
- Для фиксации небольших навесов из труб диаметром до 25 мм можно использовать систему краб, которая представляет собой специальные хомуты разной формы (детальнее: " "). Чаще всего при монтаже навесов применяются Т-образные и Х-образные хомуты, обеспечивающие соединение трех или четырех труб соответственно. Для стяжки хомутов требуются болты с соответствующими гайками, которые часто приходится докупать отдельно. Главный недостаток краб-систем – возможность сборки конструкции только под 90-градусным углом.
Выбор профильных труб для изготовления ферм
Подбирая трубы для обустройства крупногабаритного навеса из профильной трубы, необходимо изучить следующие стандарты:
- СНиП 01.07-85, в котором описана зависимость между степенью нагрузок и весом составляющих элементов конструкции;
- СНиП П-23-81, описывающий методику работы со стальными деталями.
Можно рассмотреть обустройство конструкции на примере пристенного навеса размерами 4,7х9 м, опирающийся на наружные стойки спереди, а сзади прикрепленный к зданию. Подбирая угол наклона, лучше всего остановиться на 8-градусном показателе. Изучив стандарты, можно узнать уровень снеговой нагрузки в регионе. В данном примере односкатная крыша из профильной трубы будет подвергаться нагрузке, составляющей 84 кг/м2.
Одна 2,2-метровая стойка из профильной трубы имеет вес около 150 кг, а степень нагрузки на нее получается около 1,1 тонны. Учитывая степень нагрузки, придется подбирать прочные трубы – стандартная круглая профильная труба с 3-мм стенками и диаметром 43 мм здесь не подойдет. Минимальные размеры круглой трубы должны составлять 50 мм (диаметр) и 4 мм (толщина стенки). Если в качестве материала используется труба диаметром 45 мм и толщиной стенки 4 мм. Используя такой материал, может быть сделана и калитка из профильной трубы своими руками , которая будет достаточно надежной и долговечной.
Выбирая фермы, стоит остановиться на конструкции из двух параллельных контуров с раскосной решеткой. Для фермы высотой 40 см можно использовать профильную трубу квадратного сечения с диаметром 35 мм и толщиной стенки 4 мм (прочитайте также: " "). На изготовление раскосных решеток хорошо пойдут трубы диаметром 25 мм и толщиной стенки 3 мм.
Заключение
Собрать навес из профтрубы своими руками не так уж сложно. Для успешной работы необходимо грамотно спроектировать будущую конструкцию и ответственно подойти к каждому этапу реализации проекта – и тогда в результате получится надежная конструкция, способная простоять долгие годы.
Ферма — это система обычно прямолинейных стержней, которые соединяются между собой узлами. Это геометрически неизменяемая конструкция с шарнирными узлами (рассматриваются как шарнирные в первом приближении, так как жесткость узлов влияет на работу конструкции несущественно).
За счет того, что стержни испытывают только растяжение либо сжатие, материал фермы используется более полно, чем в сплошной балке. Это делает такую систему экономичной по затратам материала, но трудоемки в изготовлении, поэтому при проектировании нужно учитывать, что целесообразность использования ферм растет прямо пропорционально ее пролёту.
Фермы широко используются в промышленно-гражданском строительстве. Их применяют во многих строительных отраслях: покрытие зданий, мосты, опоры под линии электропередач, транспортные эстакады, грузоподъёмные краны и т.д.
Устройство конструкции
Основные элементы ферм — это пояса, из которых состоит контур фермы, а также решетка, состоящая из стоек и раскосов. Эти элементы соединяются в узлах путем примыкания или узловыми фасонками. Расстояние между опорами называется пролётом. Пояса ферм обычно работают на продольные усилия и изгибающие моменты (как и сплошные балки); решетка фермы принимает на себя в основном поперечную силу как и стенка в балке.
По расположению стержней фермы подразделяются на плоские (если все в одной плоскости) и пространственные. Плоские фермы способны воспринимать нагрузку только относительно собственной плоскости. поэтому их необходимо закреплять из своей плоскости с помощью связей или других элементов. Пространственные же фермы создаются, чтобы воспринимать нагрузку в любом направлении, так как создают жесткую пространственную систему.
Классификация по поясам и решеткам
Для разных видов нагрузок применяются различные виды ферм. Их классификаций множество, в зависимости от разных признаков.
Рассмотрим типы по очертанию пояса :
а — сегментные; б — полигональные; в — трапецеидальные; г — с параллельным расположением поясов; д — и — треугольные
Пояса фермы должны соответствовать статической нагрузке и виду нагрузки, которая определяет эпюру изгибающих моментов.
Очертания поясов во многом определяет экономичность фермы. По количеству используемой стали наиболее эффективна сегментная ферма, но она же является самой сложной в изготовлении.
По типу системы решетки фермы бывают :
а — треугольные; б — треугольные с дополнительными стойками; в — раскосные с восходящими раскосами; г — раскосные с нисходящими раскосами; д — шпренгельные; е — крестовые;
ж — перекрестные; з — ромбические; и — полураскосные
Особенности расчета и проектирования трубчатых ферм
Для производства использует сталь, толщиной 1,5 — 5 мм. Профиль может быть круглый или квадратный.
Трубчатый профиль для сжатых стержней наиболее эффективен с точки зрения расхода стали за счет благоприятного распределения материала относительно центра тяжести. При одинаковой площади сечения он имеет наибольший радиус инерции по сравнению с другими видами проката. Это позволяет проектировать стержни наименьшей гибкости и уменьшить расход стали на 20%. Также существенным преимуществом труб считается их обтекаемость. Благодаря этому давление ветра на такие фермы меньше. Трубы легко чистить и красить. все это делает трубчатый профиль выгодным для использования в фермах.
При проектировании ферм нужно стараться центрировать элементы в узлах по осям. Это делается, чтобы избежать дополнительных напряжений. Узловые сопряжения ферм из труб должны обеспечивать герметичное соединение (необходимо предотвратить возникновение коррозии во внутренней полости фермы).
Наиболее рациональными для трубчатых ферм являются бесфасоночные узлы с примыканием стержней решетки прямо к поясам. Выполняются такие узлы с помощью специальной фигурной резки концов, что позволяет минимализировать затрату труда и материала. Центрируют стержни по геометрическим осям. При отсутствии механизма для такой резки сплющивают концы решетки.
Такие узлы допустимы не для всех видов стали (только низкоуглеродистая или другая с высокой пластичностью). Если трубы решетки и поясов одинакового диаметра, то целесообразно соединять их на кольце.
Расчет стропильных ферм в зависимости от угла наклона крыши
Возведение при угле наклона крыши 22-30 градусов
Угол наклона крыши считается оптимальным для двускатной крыши 20-45 градусов, для односкатной 20-30 градусов.
Конструкция покрытий зданий состоит обычно из поставленных рядом стропильных ферм. Если они связаны между собой только прогонами, то система образуется изменяемая и может потерять устойчивость.
Чтобы обеспечить неизменяемость конструкции, проектировщики предусматривают несколько пространственных блоков из соседних ферм, которые скрепляются связями в плоскостях поясов и вертикальными поперечными связями. К таким жестким блокам крепятся другие фермы с помощью горизонтальных элементов, что и обеспечивает устойчивость конструкции.
Для расчета покрытия здания необходимо определиться с углом наклона кровли. Этот параметр зависит от нескольких факторов:
- вид стропильной системы
- кровельный пирог
- обрешетка
- материал кровли
Если угол наклона значительный, то использую фермы треугольного типа. Но они имеют некоторые недостатки. Это сложный опорный узел для которого необходимо шарнирное сопряжение, что делает всю конструкцию менее жесткой в поперечном направлении.
Сбор нагрузок
Обычно нагрузка, действующая на конструкцию, прикладывается в местах узлов, к которым крепятся элементы поперечных конструкций (например, навесной потолок или прогоны кровли). Для каждого вида нагрузки желательно определять усилия в стержнях отдельно. Виды нагрузок для стропильных ферм:
- постоянная (собственная масса конструкции и всей поддерживаемой системы);
- временная (нагрузка от подвесного оборудования, полезная нагрузка);
- кратковременная (атмосферная, включающая снег и ветер);
Для определения постоянной расчетной нагрузки следует сначала найти грузовую площать, с которой она будет собираться.
Формула для определения нагрузки на кровлю:
F = (g + g1/cos a)*b ,
где g — собственная масса фермы и ее связей, горизонтальной проекции, g1 — масса кровли, а — угол наклона верхнего пояса относительно горизонта, b — расстояние между фермами
Исходя из этой формулы, чем больше угол наклона, тем меньше нагрузка, действующая на кровлю. Однако, следует учитывать, что увеличение угла влечет за собой и значительное повышение цены за счет увеличения объёма строительных материалов.
Также при проектировании крыши учитывается регион строительства . Если предполагается значительная ветровая нагрузка, то угол наклона закладывают минимальный и крышу делают односкатной.
Снег — нагрузка временная и загружает ферму только частично. Загружение половины фермы может быть очень невыгодным для средних расковов.
Полная снеговая нагрузка на кровлю рассчитывается по формуле :
Sр – расчетное значение снегового веса на 1 м2 горизонтальной поверхности;
μ – расчетный коэффициент, для учета наклона кровли (согласно СНиПу, равняется единице, если угол наклона меньше 25 градусов и 0.7, если угол от 25 до 60 градусов)
Давление ветра считается значимым только для вертикальных поверхностей и поверхностей, если их угол наклона к горизонту больше 30 градусов (актуально для мачт, башен и крутых стропильных ферм). Ветровая нагрузка как и остальные сводится к узловой.
Определение усилий
При проектирование трубчатых стропильных ферм следует учитывать их повышенную жесткость на изгиб и значительное влияние жесткости соединений в узлах. Поэтому для трубчатых профилей расчет ферм по шарнирной схеме допускается при отношении высоты сечения к длине не более 1/10 для конструкции, которые будут эксплуатироваться при расчетной температуре ниже -40 градусов.
В других случаях необходим расчет на изгибающие моменты в стержнях, возникающие из-за жесткости узлов. При этом можно осевые усилия вычислять по шарнирной схеме, а дополнительные моменты находить приближенно.
Инструкция для расчета стропильной фермы
- определяется расчетная нагрузка (с использованием СНиП «Нагрузки и воздействия»)
- находятся усилия в стержнях фермы (следует определиться с расчетной схемой)
- вычисляется расчетная длина стержня (равняется произведению коэффициента приведения длины (0,8) на расстояние между центрами узлов)
- проверка сжатых стержней на гибкость
- задавшись гибкостью стержней, подобрать сечение по площади
При предварительном подборе для поясов значение гибкости принимается от 60 до 80, для решетки 100-120.
Подводим итоги
При грамотном проектировании стропильной системы можно значительно сократить количество используемого материала и сделать строительство кровли значительно дешевле. Для правильного расчета необходимо знать регион строительства, определиться с типом профиля, исходя из назначения и вида объекта. Применив правильную методику для нахождения расчетных данных, можно достигнуть оптимального соотношения между ценой возведения конструкции и ее эксплуатационными характеристиками.