Арочные фермы из металла широко распространены в разных областях производственной сферы, строительстве, сельском хозяйстве. Изготовленные из высококачественной стали, они характеризуются прочностью, надежностью и повышенной устойчивостью. Их используют для возведения ангаров, торговых центров, автостоянок и много другого.

Что это такое

Ферма арочного вида – это несущая конструкция из стальных стержней, которые фиксируются в узлах. Она геометрически неизменяема, верхний пояс имеет криволинейную конфигурацию, узлы – шарнирного типа.

Арочные системы бывают плоскими или пространственного типа. В первом варианте все элементы располагаются в одной плоскости. Они воспринимают только те нагрузки, которые приложены в их плоскости. Пространственные конструкции выполнены из нескольких плоских систем, жестко соединяемых между собой. Здесь нагрузочные воздействия могут восприниматься в разном направлении.

Конструкция состоит из решеток, поясов. Пояса образуют общий контур, предназначены для работы на продольную нагрузку. В состав решеток входят раскосы и стойки, которые воспринимают поперечные усилия.

Главные обозначения расстояний между:

  • Осями – высота;
  • Опорами – пролет;
  • Узлами – панель.

Классификацию производят согласно:

  • Статических схем;
  • Конфигурации поясов;
  • Видам решеток;
  • Методам соединения деталей в узлах.

Конструкции также различаются по сечениям элементов.

Статическая схема

Согласно статической схеме конструкции могут быть следующих видов:

  • Балочного – консольные, неразрезные, разрезные;
  • Рамногои;
  • Арочного;
  • Вантового.

У каждого из них свое назначение и сфера применения.

Консольные

Системы востребованы для возведения опор под электролинии (воздушные), башен.

Неразрезные балочные

Конструкции применяются, если необходимо перекрыть 2 и больше пролета. Они экономичные, жестче разрезных. Это дает возможность снизить их высоту. Монтировать элементы сложно, не рекомендуется устанавливать в районах со слабыми грунтами.

Разрезные балочные

Балочные системы разрезного вида используются при устройстве покрытий сооружений, для строительства мостов. Изготовление таких деталей материалоемко, перекрытие пролетов больше 40 метров требует сборки из нескольких элементов.

Рамные

Рамные изделия чаще применяют при возведении большепролетных сооружений. Расход стали на изготовление здесь небольшой, монтаж не представляет сложностей.

Арочные

Арочные изделия экономичны по расходу металла, используются обычно в архитектурных целях. Использование таких деталей ведет к увеличению площади ограждающих элементов, объема помещения.

Вантовые

Вантовые системы часто применяют при возведении мостов, устройстве большепролетных перекрытий. В них элементы работают только на растягивающие усилия. Вместо жестких стержней можно использовать стальные тросы. Это способствует максимально полному использованию прочностных параметров стали.

Очертания поясов

Исходя из очертания поясов различают фермы:

  • Сегментного;
  • Полигонального;
  • Трапецеидального;
  • Треугольного типа.

Сегментные

На производство сегментных ферм расходуется мало стали. Параболический пояс воспринимает нагрузки равномерно. Но его сложно изготовить. Сейчас такие конструкции используют редко.

Полигональные

Полигональные системы имеют переломы пояса в узлах. По распределению нагрузочных воздействий они близки к параболическим. При этом здесь нет потребности в криволинейных деталях. Такие конструкции подходят для перекрытий с большими пролетами, мостов.

Трапецеидальные

Конфигурация в виде трапеции имеет упрощенные узловые соединения, если сравнивать с полигональной. В этом ее достоинство. За счет использования таких изделий можно выполнить жесткий узел, чтобы повысить общую жесткость каркаса.

Треугольные

Фермы-треугольники рационально использовать в консольных конструкциях, балочных системах, где нагрузка сосредоточена посередине пролета, пример – подстропильные фермы. На производство таких элементов приходится повышенный расход стали. Также стоит отметить сложность острого угла, который может сопрягаться с колоннами посредством только шарнира. Сечение длинных раскосов требуется подбирать, исходя из предельной гибкости.

Типы решеток

Решетки в фермах бывают нескольких типов:

  • Треугольного;
  • Треугольного со стойкой;
  • Раскосого;
  • Шпренгельного;
  • Крестового;
  • Перекрестного;
  • Ромбического;
  • Полураскосого.

Подбирают решетку исходя из прилагаемых усилий, конструктивных условий, конфигурации поясов. Чтобы углы между поясами и раскосами были компактными, желателен их диапазон от 30О до 50О.

Треугольные, треугольные с подвесом, стойкой

Треугольные решетки имеют минимальное количество узлов, наименьшую суммарную длину элементов. Опорные раскосы здесь бывают нисходящего и восходящего вида. Там, где прилагаются сосредоточенные нагрузки (опора кровельных прогонов), удобно сделать дополнение из подвесок или стоек, работающих на местные нагрузки. С их помощью также уменьшают длину пояса.  

Наличие сжатых удлиненных раскосов – это минус треугольных решеток. При их производстве требуется больше стали, чтобы обеспечить устойчивость деталей.

Раскосые

В раскосых изделиях к стойкам и раскосам прилагаются усилия противоположных знаков. Такая решетка более материалоемкая, но сложнее в изготовлении, чем треугольная. Здесь суммарная длина деталей и количество узлов больше. Раскосые системы используют для невысоких изделий, где предусмотрены значительные нагрузки в узлах.

Шпренгельные

Шпренгельные решетки применяются в системах с сосредоточенными нагрузками на верхний пояс, прикладываемыми вне узлов. Их применяют также, если требуется уменьшить его длину. Эта решетка трудоемка в производстве, но расход металла снижается.

Крестовые, перекрестные

Когда на ферму усилия действуют в разных направлениях, например, ветер, то рационально использовать крестовую решетку. Если пояса конструкции выполнены из тавров, удобно применять перекрестные системы. Их изготавливают из отдельных уголков. Раскосы фиксируются непосредственно к стене профиля.

Ромбические, полураскосые

В ромбических, полураскосых решетках присутствуют два вида раскосов. Из-за этого конструкции отличаются повышенными параметрами по жесткости. Фермы с этими решетками позволяют уменьшить длину элементов. Они применяются при устройстве мачт, башен, мостов.

Методы соединения деталей

В узлах детали могут соединяться с помощью сварки или болтами. Раньше еще использовались соединения на клепках. Сейчас чаще распространены сварные изделия. Для болтовых соединений в узлах применяются высокопрочные метизы.

Вид сечений стержней

Если максимальные усилия в элементах менее 3 000 кН, то элементы фермы делают из профилей (гнутых, прокатных). Это легкие конструкции. При усилиях больше 3 000 кН (тяжелые фермы) для производства применяются детали составного сечения.

Применяются следующие виды сечений стержней:

  • Круглое;
  • Прямоугольное;
  • Тавровое;
  • Двутавровое;
  • Треугольное.

Круглое

Тонкостенные трубчатые сжатые детали материалоемки, распределение металла здесь оптимально по отношению к центру тяжести. Идентичная с другими видами профилей площадь сечения элемента характеризуется максимальным радиусом инерции – примерно 0,355 d. Он одинаков по всем направлениям, стержни получаются менее гибкими. Применение таких элементов позволяет экономить сталь на 20-25 %.

Прямоугольное

Узлы сопряжения будут проще, если их изготавливать из прямоугольных стержней гнуто-замкнутого вида. Но такие конструкции производятся всего на нескольких заводах, где можно обеспечить повышенную точность изготовления.

Из уголков

Применяя угловые профили, можно выполнить несколько видов сечений деталей в большом диапазоне площадей. Из них просто конструировать узловые соединения на фасонках, детали крепления к фермам. К недостаткам данных конфигураций можно отнести:

  • Значительное количество типоразмеров деталей;
  • Повышенный расход стали на прокладки, фасонки;
  • Трудоемкое изготовление;
  • Образование щели между уголками, приводящее к коррозии.

Когда необходима работа элементов на сжатие, неэффективно применении таврового сечения.