Основы расчета и сварки фермы из профильной трубы

Каркасный материал

Основа навесов – сталь, полимеры, дерево, алюминий, железобетон. Но, чаще каркас составляют металлические фермы из профильной трубы. Этот материал полый, сравнительно легкий, но прочный. В разрезе имеет вид:

• прямоугольника;
• квадрата;
• овала (а также полу- и плоскоовальной фигуры);
• многогранника.

Сваривая из профильной трубы фермы, чаще выбирают квадратное или прямоугольное сечение. Эти профили легче в обработке.

Допустимые нагрузки зависят от толщины стенок, марки металла, метода изготовления. Материалом зачастую служат качественные конструкционные стали (1-3пс/сп, 1-2пс(сп)). Для особых нужд используют низколегированные сплавы и оцинковку.

Что касается параметров элементов каркасов, есть следующие рекомендации:

• для малогабаритных навесов (до 4,5 м шириной) применяется трубный материал сечением 40×20×2 мм;
• если ширина до 5,5 м, рекомендованы параметры 40×40×2 мм;
• для навесов более значительных размеров советуют брать трубы 40×40×3 мм, 60×30×2 мм.

Основы расчета фермы

Влияние угла наклона

Выбор конструкции ферм навесов из профильной трубы связан с уклоном проектируемого сооружения. Есть три возможных варианта:

• от 6°до 15°;
• от 15° до 22°;
• от 22° до 35°.

При уклоне свыше 22° расчеты ведутся по специальным программам. Навесы такого рода чаще используются для кровли из шифера, металла и подобных материалов. Здесь применяют треугольные фермы из профильной трубы при их высоте в 1/5 от всей длины пролета.

Чем больше угол наклона, тем меньше на навесе будет скапливаться осадков, тяжелого снега. Несущая способность системы возрастает с повышением ее высоты. Для дополнительной прочности предусматривают добавочные ребра жесткости.

Параметры базовых углов

• Если пояса параллельные, полигональные, трапецеидальные, Н=1/8×L, где L – длина фермы. Верхний пояс должен иметь уклон около 1/8×L либо 1/12×L.
• Для треугольного типа, в среднем, Н=1/4×L или Н=1/5×L.

Раскосы решетки должны иметь наклон примерно 45° (в пределах 35°-50°).

Значимые факторы выбора участка

Если навес относится к дому или другому зданию, на него потребоваться официальное разрешение, о чем тоже придется позаботиться.

Сначала выбирается участок, где будет располагаться сооружение. Что при этом учитывается?

Расчет ферм

К вопросу о расчете плоских ферм (приложение к дискуссии)

Расчет фермы на прочность по способу вырезаний узлов довольно громоздкий. Расчет состоит из таких этапов (по Леоненко Д. В.):
1. Определение реакций опор фермы путем составления уравнений равновесия относительно точек опор:

определяют напряжение в элементах фермы или момент сопротивления профиля (W), если определены положения, с последующим выбором определенного профиля из сортамента профилей.

Этот расчет классический и может применяться для расчета ответственных ферм в строительстве.

В качестве примера можно привести способ увеличения несущей способности балки путем рассечения ее по стойке с последующей сваркой частей балки со смещением в местах примыкания (см. схему).

Такой способ применяли для производства панелей покрытия и стеновых панелей при строительстве быстромонтируемых зданий производственного назначения.

Определяем величину увеличения несущей способности балки после ее рассечения и сварки.

Стандартный профиль балки №30.
Балка рассеченная, сварная

Видно, что момент сопротивления балки в 4,3 раза, а значит возросла ее несущая способность.

Рассмотрим упрощенный расчет фермы из профильных труб (нижний и верхний пояса), стойки и раскосы из листового проката или труб меньшего поперечного сечения:

Сечение фермы в точке приложения сечения силы: используем формулу для определения момента сопротивления относительно оси Х (сопромат, табл. 1, стр. 37).

Определив изгибающий момент от действия Р вычисляется напряжение в нижнем (растянутом) поясе формы.

Где – допускаемое напряжение для материала (Сталь 3)
– момент сопротивления сечения составил 510,6 см3.

Для сравнения момент сопротивления двутавровой балки №30е (ГОСТ 8239-56) составляет 518 см3 (сопромат, табл. 6, стр. 90).

Рассмотрим расчет фермы из круглих труб (нижний и верхний пояса), стойки и раскосы из листового материала (или профильного) проката:

Сечения фермы в точке приложения силы Р будет. Используем известную методику определения момента сопротивления сложного сечения.

Где I – момент инерции трубчатого сечения. (сопромат, стр. 55, таб.1)

ymax – максимальное удаление поперечного сечения трубы от главной оси Х – Х.
(сопромат, стр. 21)

Определив изгибающий момент от действия силы Р, определим напряжение в нижнем (растянутом) поясе фермы.

Где – допускаемое напряжение для материала (Сталь 3)
Wx – момент сопротивления сечения составил 110,4 см3.

Для сравнения момент сопротивления двутавровой балки №22 (ГОСТ 8239-56) составляет 230 см3 (сопромат, табл. 6).

Рассмотрим расчет фермы из профильных труб прямоугольного сечения. Используем известную методику определения момента сопротивления сложного сечения.

Общий момент сопротивления будет относительно оси Х – Х.

(сопромат, стр. 31)

Общий момент сопротивления будет относительно оси х-х:

Рассчитав момент сопротивления сечения, можно определить напряжение в нижнем поясе фермы и выбрать необходимый профиль.

Ткаченко Н.А. зам главного конструктора » ТОВ Стальмира «

Использованные источники
1. Г.С. Писаренко и др. Справочник по сопротивлению материалов. К. 1975г.
2. С.П. Фесик. Справочник по сопротивлению материалов. К. 1982г.
3. Д.В. Леоненко. Расчет плоских ферм. Б: 2006г.

Главные пункты расчетов металлических ферм

Главными преимуществами металлических ферм являются:

1. Низкая стоимость материала
2. Устойчивость к большим механическим нагрузкам
3. Долговечность
4. Прочность.

К недостаткам можно отнести:

1. Большой вес конструкции
2. Сложную установку
3. Плохую устойчивость к высоким температурам (например, при пожаре высока вероятность обрушения кровли из-за деформации металла).

Более подробно о фермах можно прочитать в этой статье: «Стальные или металлические стропильные фермы», «Как сделать так, чтобы балка не прогибалась? «.

Применение металлических ферм

Расчет металлической конструкции

В видео дополнительно говорится о расчетах металлических ферм:

Этап II. Приобретаем качественный профиль

Итак, прежде, чем составить проект будущих ферм, сначала нужно определиться с такими важными пунктами, как:

• контуры, размер и форма будущей крыши;
• материал изготовления верхнего и нижнего поясов фермы, а также ее решетки;
• угол наклона и планируемая нагрузка.

Запомните одну простую вещь вещь: у каркаса из профильной трубы есть так называемые точки равновесия, которые важно определить для устойчивости всей фермы. И очень важно подобрать под эту нагрузку качественный материал:

Профильные трубы для ферм бывают двух видов сечений: прямоугольного или квадратного. Выпускаются они разного диаметра, с разной толщиной стенок:

Обязательно учитывайте при проектировании снеговые и ветровые нагрузки в вашей местности. Ведь большое значение при выборе профиля имеет угол наклона ферм:

Более точно спроектировать ферму из профильной трубы вы сможете при помощи онлайн-калькуляторов.

Этап IV. Изготавливаем и устанавливаем фермы

Мы дадим вам несколько ценных советов, как самостоятельное без особых сложностей сварить такие фермы прямо у себя на участке:

Вот, к примеру, хороший видео-урок, как удлинить трубу при помощи сварки и достичь идеальной геометрии:

Вот также очень полезное видео, как отрезать трубу под углом 45°:

Итак, теперь подходим непосредственно к сборке самих ферм. Справиться с этим вам поможет такая пошаговая инструкция:

С чем еще сталкиваются те, кто изготавливает такие фермы в домашних условиях? Во-первых, заранее продумайте опорные столики, на которых вы будете класть ферму. Далеко не лучший вариант бросить ее на землю – работать будет очень неудобно.

Поэтому лучше поставить небольшие мосты-опоры, которые будут немного шире, чем нижний и верхний пояс фермы. Ведь вы будете вручную замерять и вкладывать между поясами перемычки, и важно, чтобы они не проваливались на землю.

Следующий важный момент: фермы из профильной трубы тяжеловаты на вес, а поэтом вам понадобится помощь минимум еще одного человека. Кроме того, не помешает подмога и в такой нудной и кропотливой работе, как зашкуривание металла перед варкой.

Также в некоторых конструкциях приходится сочетать разные виды ферм, чтобы присоединить крышу к стене здания:

Еще учитывайте, что нарезать фермы вам нужно будет много, для всех элементов, а поэтому советуем вам либо приобрести, либо соорудить самодельный станок по типу того, что в нашем мастер-классе. Вот как он работает:

Что собой представляет данная металлоконструкция?

Процесс изготовления конструкции является довольно трудоемким, но более экономичным сравнительно с использованием сплошных балок.

Таким образом можно сделать вывод что данная конструкция является своего рода каркасом (или скелетом) будущего сооружения, обшитая снаружи облицовочным материалом.

Так же металлическая ферма из профильного трубопроката является идеальным перекрытием для пролета любой длины, но чтобы правильно ее установить потребуется провести грамотные подсчеты.

Качественное изготовление конструкции при помощи сварки проводится на земле и только после этого переносится наверх и монтируется уже в собранном виде по верхней обвязке по ранее установленной разметке.

Только в этом случае можно говорить о надежности конструкции и о длительном времени ее эксплуатации. Фермы пространственного вида нуждаются в закреплении, потому что конструкция является жесткой и может нести высокие нагрузки.

Процесс соединения отдельных элементов своими руками

Изготовление фермы из профильной трубы своими руками предполагает в процессе объединения всех составляющих использование таких соединительных элементов как спаренный уголок или прихватка.

При сборке верхнего пояса оптимальным соединительным элементом считается пара тавровых уголков, что соединяются друг с другом меньшей стороной. Нижний пояс соединяется уголками с ровными сторонами.

В случае соединения фермы больших размеров обязательно используются накладные пластины, а чтобы равномерно распределить давление по всей конструкции применяются двойные швеллеры.

После того так конструкция собрана можно переходить к осуществлению сварочных работ. Как сварить ферму из профильной трубы? Приветствуется как использование ручной сварки, так и автоматической, а тут можете по видео урокам посмотреть как нужно варить профтрубы.

После того как сварка завершена все полученные швы аккуратно зачищаются после чего все строение обрабатывается антикоррозийным раствором и покрывается несколькими слоями краски.

Рекомендации по процессу установки

Для того чтобы уменьшить давление конструкции при минимальном скате кровли лучше применять дополнительные решетки. Если уклон не более 25 градусов, то для уменьшения массы рекомендуется изготовить нижний пояс ломаного вида.

Во время изготовления фермы большой длины применяйте только парное количество панелей. А если ее длина превышает два десятка метров, то желательно использовать фермы Полонсо.

Выбор диаметра профиля обусловлен размером будущего навеса и градуса его уклона, но в любом случае расстояние от одной фермы до другой не должно превышать 1,7 м.

Возведение арочной фермы

При планировании изготовления каркаса арочного вида использование ферм является обязательным условием. Ее изготовление из профильной трубы по технологии несколько сложнее создания обычного каркаса.

Данные конструкции служат связующим звеном для лаг, столбов и опор. Если она правильно собрана, то это добавит ей надежности и предупредит его преждевременное разрушение и деформацию.

Изготовление арочных ферм из профильной трубы является самым лучшим решением, так как этот материал отличается прочностью и хорошо соединяется с листами поликарбоната, что используются для перекрытия.

Смотреть видео

При выборе конструкции нужно учесть факт, что для навеса важно использовать такую форму, которая позволит не задерживать на себе осадки.

В противном случае большое скопление воды или снега может спровоцировать деформацию или даже поломку. От величины радиуса арки зависит, будут ли на ней задерживаться осадки.

Односкатные виды из профильной трубы часто используются при создании навеса. Его особенностью является то, что более высокой стороной такой навес присоединяется к основному строительному объекту. Его покрытие подбирается исходя из внешних характеристик и конструктивных особенностей.

Установка односкатного навеса (расчеты и рекомендации)

Давайте подробнее рассмотрим устройство односкатного навеса, для которого будет использоваться ферма односкатная на 12 метров из профильной трубы, чертежи конструкции также должны прилагаться к расчетам и другой строительной документации.

Для перекрытия односкатного навеса лучше использовать листы поликарбоната двухметровой ширины. Конструкция должна собираться таким образом, чтобы край кровельного материала попадал именно на ферму.

Основой металлического каркаса служит пара профилей с сечением 3х3 см. Между фермами обязательно использование полуметровых продольных перемычек, которые направлены на снижение снеговой нагрузки.

Заметьте, что к сварочным работам можно допускать лишь человека, который имеет соответствующее образование и опыт работы сварщиком, так как от его профессионализма зависят эксплуатационные характеристики навеса.

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.

Советы по выбору качественного профиля

Какой материал выбрать для каркаса

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.

Преимущества и недостатки разных металлов

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.

Проектируем ферму и ее элементы

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

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:

Чертежи и схемы

Основные этапы работ по изготовлению и монтажу ферм своими руками

До монтажа ферм выполняют работы по планировке участка, установке опор, бетонированию фундаментов опор, привариванию боковых связей или боковых ферм. Затем монтируют поперечные фермы.

Порядок выполнения работ по изготовлению и монтажу ферм:

Как сварить фермы

Если у Вас небольшие навыки сварщика и монтажника, можно заказать изготовление фермы в специализированной организации или бригаде.

Материал каркаса

Навесы могут изготавливаться из самых разных материалов:

• Дерево;
• Бетона;
• Алюминия;
• Пластмассы.

Однако в большинстве случаев каркас фермы изготавливается из специальной профильной трубы. Эта полая конструкция отличается от других высокой прочностью и одновременной легкостью. Сечение такой трубы может быть:

1. Прямоугольником;
2. Квадратом;
3. Овалом;
4. Многогранником.

Для сварки фермы чаще всего пользуются прямоугольным или квадратным сечением. Такой профиль менее трудоемок при обработке.

Предельные нагрузки, которые может выдержать труба, зависят от нескольких факторов:

• Толщины стенки;
• Вида стали;
• Способ изготовления.

Профильные металлические трубы изготавливают, из специальной конструкционной стали (1-3пс/сп, 1-2пс(сп)). Иногда, когда возникают определенные обстоятельства, пользуются оцинкованной сталью или низколегированными сплавами.

Трубы с небольшим сечением выпускаются длинной 6 метров. Длина больших сечений достигает 12 метров. Диаметр трубы могут быть самыми разными. Минимальными считаются:

• 10х10х1 мм;
• 15х15х1,5 мм.

Чем толще стенка, тем выше прочность профиля. К примеру, изделия с очень большими размерами (300x300x12 мм) в основном применяются для строительства промышленных зданий.

На что нужно обратить внимание при расчете

Прежде чем начать рассчитывать сечение трубы, необходимо определить оптимальный вид крыши. На выбор влияют ее габариты, угол наклона кровли и контура поясов.

Эти вышеперечисленные составляющие находятся в зависимости от нескольких условий:

• Функционал здания;
• Из какого материала изготовлены перекрытия;
• Угол скоса крыши.

Затем определяются габариты трубы. В зависимости от угла наклона подбирается длина. На определение высоты влияет марка материала, из которого будет сделано перекрытие.

Габариты трубы зависят также от способа транспортировки и общего веса всей металлоконструкции.

В том случае, когда расчет фермы из профильной трубы определил, что длина будет превышать 36 метров, необходимо дополнительно рассчитать строительный подъем.

Затем определяются габариты панелей. Все подсчеты опираются на значение нагрузки, которую обязана выдержать конструкция. Для кровли треугольного типа, скос должен достигать 45 градусов.

Завершает расчет определение точного расстояния между элементами металлоконструкции из профильной трубы.

Все точно распланировать в цифрах достаточно трудно, не имея специальных знаний. Поэтому лучше обратиться к профессионалам, которые проведут его на компьютере. Они всегда гарантируют высокое качество своих услуг.

Прежде чем приступить к строительству, стоит вновь проверить все расчеты, учитывая максимальную нагрузку, которое может испытать строение.

Входная дверь и козырек

• Стандартного консольного козырька – 900-1350 мм на 1400-1800 мм.
• Консольно-опорного навеса над крыльцом, пример расчета на 3 ступени и площадку: глубина (900/1350 + 3*250/320) = 1650 – 2410 мм, ширина 800/1200 + 300 + 300 = 1400-1500 мм.

Как рассчитать стоянку машин

Пример расчета навеса для машины среднего класса, ширина – 1600 -1750 мм, длина – 4200-4500 мм:

1600 /1750 + 1000 + 1000 = 3600/3750 мм – ширина навеса;

4200/4500 + 300 +300 = 4800/5100 мм – эргономичная длина, чтобы осадки не заливали площадку.

Расчет ширины навеса на две машины:

3600/3750 + 800 = 4400/4550 мм.

Предварительные соображения

Нагрузка балок может быть распределённой (“q” на схемах 3,4,5,9,15 и др.) или сосредоточенной (“P” на схемах 1,2,6,7,8 и др.).

Крепление балок может быть:

1. консольным с жесткой заделкой одного из концов (например, схемы 1,2,3 и другие);
2. “заделка – заделка”, когда оба конца балки из трубы жестко защемлены (заделаны), схемы 6, 7, 8, 9;
3. “шарнир – шарнир”, (схемы 12, 13, 14, 15 и другие), причём левый шарнир неподвижный, а правый подвижный;
4. “заделка – шарнир” (схемы 9, 10, 11 другие).

Жесткая заделка предотвращает поворот балки из трубы и перемещение её в любом направлении. Неподвижный шарнир допускает только поворот трубы в месте крепления в вертикальной плоскости.

Подвижный шарнир допускает поворот трубы в месте крепления в вертикальной плоскости и перемещение вдоль её собственной оси. Эти перемещения весьма незначительны и являются следствием деформации трубы под нагрузкой.

Жесткая заделка трубы предотвращает ее поворот и перемещение в любом направлении. Неподвижный шарнир допускает только поворот трубы в месте крепления в вертикальной плоскости.

Подвижный шарнир допускает поворот в месте крепления в вертикальной плоскости и перемещение вдоль её собственной оси. Эти перемещения весьма незначительны и являются следствием деформации балки из трубы под нагрузкой.

Из размерных характеристик поперечного сечения трубы для расчёта прогиба используется момент инерции сечения (“I”); величина прогиба зависит также от положения проверяемой точки трубы относительно опор.

Допустимая величина прогиба балок определяется их назначением и местом в строительных конструкциях и регламентируется соответствующим СНиП; в легких случаях она не должна превышать 1/120 – 1/250 длины трубы.

Поэтому настоятельно рекомендуется проверять результаты расчета на допустимость.

Виды вероятных нагрузок

Как можно классифицировать нагрузки на балку из трубы? В соответствии с СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия» моменты нагружения конструкции можно распределить по следующим признакам:

Прочностью перекрытия определяется уровень безопасности проживания на загородном участке или в деревенском доме.

Степень нагружения конструкций можно подбирать по таблицам, при этом учитываются:

1. величина момента инерции, обозначенная в стандартах;
2. длина пролета;
3. величина нагрузки;
4. модуль Юнга (справочные данные).

Балочная ферма, подсчет которой произведен таким образом, будет надежной конструкцией на долгое время. При правильном расчете предельная жесткость перекрытия гарантирована.

Конструкционные особенности ферм

Ферма из профильной трубы имеет характерные особенности, о которых следует помнить заранее. В основе деления можно выделить определенные параметры. Главным значением считают количество поясов. Можно выделить следующие виды:

Полезные советы по выбору и созданию металлоконструкции

Чтобы сварка ферм была качественной, необходимо следовать ряду рекомендаций. Среди них выделяют следующие: