Несущие металлические фермы пролётов производственных зданий принято изготавливать из фасонного проката – швеллеров, двутавров и уголков. Считается, что применение разновидностей именно таких профилей гарантирует каркасу прочность и пространственную жесткость. Но, если исключить уникальные проекты строительства индустриальных сооружений, пролеты которых превышают 30 м (да ещё и оснащённые сложно разветвленным видом спринклерного пожаротушения), то для остальных вариантов вполне реально предусматривать фермы не сплошного фасонного профиля, а трубчатые, основой которых являются профильные стальные трубы квадратного или прямоугольного профилей.
Всё о проектировании ферм из профильных труб
Дизайн фермы из профильной трубы - многоступенчатый процесс, который включает в себя:
- Понимание траекторий нагрузки;
- Выбор геометрии сечения труб;
- Спецификацию материала;
- Расчет и конструирование соединений;
- Условия опирания.
При учете нагрузок определяются с их типом (прямая, под напряжением, ветровая, сейсмическая, вибрационная), конфигурацией фермы и свойствами материала (размеры поперечного сечения профиля, толщина стенки, марка стали).
Структурный анализ, будь то ручные расчеты или компьютерное моделирование методом конечных элементов (МКЭ), необходим для проверки способности конструкции выдерживать ожидаемые усилия.
Классификация и анализ нагрузок, определение их наибольших значений
Среди потенциальных нагрузок, действующих на ферму, рассматриваются постоянные (вес самой конструкции), временные (возможное наличие подвесного оборудования), ветровые и сейсмические. Под путями нагрузки понимают форму и способ их передачи через стержни фермы к опорам.
В процессе проектирования рассматриваются различные сочетания нагрузок, чтобы ферма могла выдержать самые критические варианты своей эксплуатации.
При выборе геометрии и типа фермы рассматривают оптимальную конфигурацию металлоконструкции в зависимости от пролета, требований к нагрузке и эстетических предпочтений. Основными факторами являются количество трубчатых стержней и диагоналях/узлах – с уменьшением габаритных размеров таких треугольников усилия на ферму снижаются. При этом главные диагонали проектируют из толстостенных профильных труб, а второстепенные – из тонкостенных.
Важным этапом расчета является определение пролета и высоты фермы – этим определяется наибольший прогиб, по величине которого можно подобрать подходящее сечение профильной трубы, и материал, из которого она должна быть изготовлена.
Спецификация материала
Выбор всегда делается в пользу стальных труб с подходящими механическими и прочностными характеристиками, требуемой толщиной стенки и маркой стали. Обычно приоритет отдаётся конструкционным малоуглеродистым (либо экономно легированным типа 12ГС или 10Г2С) сталям, которые обладают наилучшей свариваемостью. Так удается в полной мере удовлетворить требования к прочности и жесткости готовой конструкции. В обоснованных случаях допускается применять алюминиевые трубчатые профили.
Проверяют значение момента сопротивления профиля, которое обязательно приводится в соответствующих стандартах. Из-за потенциальной опасности для здоровья и проблем с качеством сварных швов рекомендуется избегать использования оцинкованных труб. Если коррозионная стойкость фермы имеет решающее значение, оцинковка на участках, подлежащих сварке, должна быть удалена.
Проектирование соединений
Особо важны размеры верхнего пояса (это компрессионный элемент, часто имеющий размеры больше, чем аналогичные для нижнего пояса, являющегося натяжным элементом). В расчёте необходимо учитывать следующее:
- Передачу эксплуатационных усилий: соединения должны быть спроектированы так, чтобы эффективнее всего передавать нагрузки между стержнями;
- Методы соединения: при выборе между сваркой или болтовыми соединениями предпочтение отдают сварке, поскольку сварная ферма будет иметь повышенную прочность и жесткость;
- Размещение отверстий: обеспечивают правильное расположение крепежных отверстий и размер вертикальных элементов трубчатой конструкции.
Визуализация расчётов с помощью МКЭ позволяет оценить слабые места фермы, и – при необходимости – выбрать способ усиления.
Условия опирания
Условия опирания учитываются при проектировании фундамента: он должен быть разработан с учетом компоновки фермы и распределения нагрузок. Надёжность конструкции возрастёт, если для передачи усилий с фермы на опоры, предусмотреть пластины из толстолистового металла. Тот же эффект для горизонтальных элементов фермы даст наварка ребер жесткости в местах расчётного наибольшего прогиба конструкции.
Как устанавливают фермы из профильных труб
Что нужно принять во внимание перед началом работ
Учитывают общую длину перекрываемого сооружения, которая должна быть не больше расчётной (округляется в меньшую сторону). Длина определяет качество металла и фактический запас прочности конструкции. Из-за сложностей монтажа предпочтительны прямые фермы, а не арочные.
Далее выбираются контуры сварных узлов и расстояния между ними. При их значительном количестве лучше предварительную сварку-сборку данных элементов производить на земле. Важно определиться с вопросом, удастся ли перенести ферму на объект теперь, когда понятны все размеры металлоконструкции.
На предварительном этапе размечают также места размещения плоских элементов - накладок и ребер жесткости. Их вырезают из стальной толстолистовой полосы низкоуглеродистой стали и приваривают к раскосам, нижнему и верхнему поясам.
|
Конструктивный элемент |
Верхний пояс |
Раскосы |
Нижний пояс (навес) |
Узел |
Накладки, ребра жесткости |
|
Материал |
Сталь |
Сталь или алюминий |
Сталь |
Низкоуглеродистая сталь |
Низкоуглеродистая сталь |
|
Профиль |
Труба |
Труба |
Труба |
Труба |
Полоса |
|
Стандарт |
ГОСТ 32931-2015 |
ГОСТ 13663-86 или ГОСТ 32931-2015 |
ГОСТ 32931-2015 |
ГОСТ 32931-2015 |
ГОСТ 103-2006 |
Монтаж
Основные этапы:
- Расположить собранную ферму на земле, чтобы ее удобнее было сваривать. Исключение составляют плоские компоненты, приварка которых может быть выполнена позже, когда будет произведен замер фактического прогиба конструкции.
- Для привязки мест установки усиливающих деталей можно использовать отверстия. Для этого их просверливают дрелью прежде, чем установить каждую из ферм на место.
- Перед установкой болтов устанавливают ферменные пластины. До затяжки гаек следует обеспечить плотное прилегание. Та же процедура проделывается и для противоположной стороны стропильной конструкции.
- Установку ферм начинают с центральной, после чего добавляют смежные, двигаясь влево и вправо от центра. Всякий раз, когда фермы разделяются, рекомендуется добавлять плоские пластины, обеспечивающие прирост жесткости в продольном направлении.
- Убедившись, что каркас прямой и ровный, помещают всю сборку на крышу. По её размеру определяют размер и конфигурацию свеса. С интервалом в каждые 600…800 мм прикрепляют трубчатую ферму к каркасу.
Компания ЗАО "ТФД "Брок Инвест Сервис и К" не только поможет подобрать трубный профиль, руководствуясь постоянно обновляемым каталогом, но и выполнит металлообработку под нужные размеры, используя собственное оборудование, плоского и объёмного проката под требуемые клиенту размеры, используя для этого собственное металлообрабатывающее оборудование.