Фермы из профильной трубы: рассчитываем и изготавливаем своими руками

Особенности конструкции

Конструкция фермы для различных строительных объектов зависит от предполагаемых рабочих нагрузок, а также от ее хозяйственного назначения.

В зависимости от числа поясов бывают:

• опорные конструкции, элементы которых состоят из одной плоскости;
• подвесные конструкции, которые отличаются наличием верхнего и нижнего поясов.

Строительные конструкции предполагают применение ферм с различным контуром:

• с параллельным поясом (самый элементарный вариант, где используются одинаковые элементы);
• односкатные треугольные (все опорные узлы отличаются повышенной прочностью, из-за чего конструкция способна противостоять значительным нагрузкам);
• полигональные (выдерживают усилия от массивного настила, но отличаются сложностью в монтаже);
• трапецеидальные (имеют схожие данные с полигональными, но не настолько сложные в монтаже);
• двухскатные треугольные (используются для монтажа крутой двухскатной крыши из профильной трубы, но имеют большие затраты ресурсов);
• Сегментные (годятся для конструкций, где предусмотрена установка светопрозрачной кровли; установка непростая, так как нужно изготавливать элементы с правильной геометрией для одинакового распределения нагрузки).

В зависимости от угла наклона, классические фермы относятся к таким видам:

1. Угол от 22 до 30 градусов, когда отношение высоты к длине составляет 1:5. Годится для простых конструкций обычных навесов из профильной трубы.

Для накрытия пролетов малой и средней величины используются, в основном, треугольные виды ферм, сваренные из труб меньшего диаметра, так как они достаточно прочные и легкие.

Если длина пролета составляет больше 14-ти метров, то в конструкции предусматривают раскосы, закрепленные сверху вниз, а по верхнему поясу располагают панель, величиной 150-250 см, для получения двухпоясной конструкции, имеющей четное количество панелей.

При величине пролетов больше 20-ти метров, во избежание прогиба фермы, предусматривается установка подстропильных элементов конструкции, с креплением к опорным колоннам.

Особое внимание следует обратить на ферму «Полонсо», которая состоит из двух треугольных конструкций, скрепленных одна с другой оригинальным способом. В такой конструкции нет необходимости в монтировании длинных раскосов в средней части, что позволяет снизить общий вес конструкции.
Угол от 15 до 22 градусов, с отношением высоты к длине, как 1:7

Позволяет изготавливать фермы для соединения пролетов, имеющих длину до 20-ти метров. Если нужно увеличить высоту фермы, то придется сформировать нижний уровень ломаным.
Угол меньше 15 градусов. Подобный каркас должен состоять из трапециевидных элементов. Подобные фермы располагают короткими стойками, благодаря которым ферма выдерживает продольный изгиб. При углах наклона от 6 до 10 градусов фермы должны иметь ассиметричную конструкцию. Определяют высоту фермы с помощью деления длины пролета на 7, 8 или 9, в зависимости от конструкционных особенностей проекта.

Расчет кровли из профтрубы

Расчет характеристик профильных труб является одним из ключевых этапов проектирования односкатной кровли. В идеальном варианте этим должен заниматься профессиональный строитель.

При подсчетах нужно учитывать огромное количество нюансов:

• Размеры будущего сооружения.
• Состав и физические свойства почвы, на которой будет стоять постройка.
• Ветровые нагрузки и специфика местного климата.
• Угол наклона кровли (от этого зависит возможный вес снега, скапливающегося на крыше в зимний сезон).
• Закупочная цена профильных труб и размер бюджета, выделенного на строительство.
• Специфические требования к безопасности здания и др.

Тем не менее, если планируется строительство относительно небольшого сооружения (например, придомовой крытой парковки для 1-2 автомобилей), некоторыми из перечисленных нюансов можно пренебречь. Главное – правильно определить оптимальные размеры профильных труб, из которых будет состоять металлический каркас.

Общие рекомендации таковы:

• Если сооружение имеет ширину менее 4,5 метров, для его постройки можно выбрать трубу с размерами поперечного сечения 40х20х2 мм, где 2 мм – толщина металла.
• Для построек шириной 4,5-5,5 м оптимальным вариантом будут металлические конструкции с размерами 40х40х2 мм.

  Этого будет достаточно, чтобы кровля смогла выдерживать эксплуатационные нагрузки.

• Труба 40х40х3 мм чаще используется при строительстве навесов и крыш шириной более 5,5 м. В качестве альтернативы можно выбрать прямоугольную трубу с меньшей толщиной стенок – 60х30х2 мм.

Также стоит придерживаться общего правила, касающегося выбора расстояния между горизонтальными опорами кровли, на которых в дальнейшем будет монтироваться обрешетка и остальные слои кровельного пирога. Данное значение не должно превышать 1,7 м.

Несоблюдение этого правила может привести к нежелательной деформации кровли под ее собственным весом, что негативно скажется на ее долговечности и безопасности.

Угол наклона определяют в зависимости от материала кровли:

• Для рубероида оптимальное значение – 5 градусов.
• Для профнастила, металлочерепицы и шифера – 20, 25 и 20-35 градусов соответственно.

Изготовление стропильного изделия

При изготовлении системы из ЛСТК главные связки выполняют, прихватывая трубы двойными уголками.

К верхнему поясу перемычки и раскосы монтируют с помощью уголков с неравными сторонами, стыкуя их по короткой стороне.

Детали нижнего пояса тоже стыкуют уголками с неравными сторонами. Главные элементы соединяют с помощью накладных пластин.

Рассмотрим подробнее изготовление ферм из профильной трубы сварным методом.

Фермы лучше изготавливать из прямоугольных или квадратных труб, так как имеющиеся у них ребра обеспечат конструкции хорошую устойчивость.

Стропильную ферму нужно изготавливать только из стали, устойчивой к окислению и другим агрессивным атмосферным факторам.

Толщина металла и сечение трубы должны соответствовать параметрам, заложенным в проекте. Соблюдение этих условий обеспечит стропильной конструкции нужную несущую способность.

Каждый сварочный шов проверяют на качество, поскольку именно от него будет зависеть надежность будущей конструкции.

Видео:

Когда сварка ферм из профильной трубы закончится, останется только обработать швы антикоррозийным составом и покрыть их краской.

Этапы сваривания кровельной системы из металлических профильных труб:

1. выравнивают верхний и нижний пояс;
2. вваривают между поясами перемычки;
3. на конструкцию из двух поясов и расположенных к ним под углом 90о перемычек приваривают раскосы — отрезки трубы, срезанные под углом.

Первую ферму можно использовать как шаблон для изготовления остальных.

Совет: резать металлопрофиль под углом удобнее всего с помощью резочного станка. Такое устройство можно взять напрокат или сделать самостоятельно из болгарки.

При небольшом объеме работ, например, при изготовлении системы для навеса или ворот, резать металлопрофиль можно просто болгаркой.

Для подъема системы из профильных труб на высоту придется использовать подъемные механизмы: кран или лебедку. Стропы закрепляют в узлах верхнего пояса в 2 или 4 местах.

Для временного закрепления ставят парные расчалки под углом к горизонту не больше 45о. Затем трубы приваривают к колоннам, предварительно проверив вертикальность системы.

Сваривание труб из металлопрофиля – еще одна актуальная тема. Для соединения металлопластиковых труб можно использовать ручную, дуговую и газовую сварку.

Видео:

Так как профильные трубы делают из углеродистой и низколегированной стали (нержавейку используют редко), сваривать их можно по обычным технологиям.

Любые виды решетчатых конструкций, в том числе и кровельные фермы, изготавливают из стали толщиной не более 1 см. Длина соединений не должна превышать 40 см.

Сварные соединения фермы по-разному расположены в пространстве, поэтому сварку удобно выполнять полуавтоматом со шлангом, проволокой, заполненной флюсом, или проволокой с самозащитой.

В индивидуальном строительстве используют ручную сварку отдельными электродами. Автоматическое сваривание использовать не экономично.

Первым делом варят стыковочные швы, а затем угловые. Такой порядок позволяет избежать напряжения металла в узле.

Если швы расположены поблизости друг от друга, то перед выполнением второго шва нужно охладить металл для предупреждения пластических деформаций.

Узлы сваривают, начиная от середины. В начале накладывают швы большего сечения, затем меньшего. Каждый элемент системы прихватывают с двух сторон.

Длина соединения не должна быть меньше 3 см, катет соединения — не меньше 0,5 см. Прихваты и сварной шов должны быть выполнены из одного материала — это нужно для постоянства напряжения металла в шве.

Видео:

Строительные технологии быстро развиваются. Еще недавно здания строили только из камня или дерева, сейчас же востребованы сооружения, которые можно возвести максимально быстро.

Это можно сделать, используя профилированные трубы из металла и современные материалы: поликарбонат, пластик, профилированный лист, плитные утеплители.

Без металлических ферм из профильной трубы строительство таких конструкций было бы невозможно.

Сварка ферм из профильной трубы: как правильно учесть нюансы

Создание навеса или другого перекрытия с использованием каркаса регулируется СНиП 2.01.07-85. Здесь подробно описаны нагрузки и воздействия, которые должны переносить подобные изделия. Если этим пренебречь, то некоторые размеры или углы будут сделаны неправильно, что приведет к последующей деформации, провисанию, или разрушению металлоконструкции. Стоит учесть и погодные условия в регионе. Если выпадает большое количество снега или дуют сильные ветра, это нужно отразить в усилении фермы путем выбора большего сечения трубы.

После выбора формы, необходимо определиться с размерами будущего объекта. Навес из профильной трубы, сваренный своими руками, может иметь площадь 4 х 6 м, или 3 х 10 м. В зависимости от этого выбирается сечение трубы. Чем дальше будут находиться точки опоры, тем более крепче должна быть ферма.

Угол наклона крыши определяется благодаря установке верхней и нижней точек конструкции. Если ферма будет высокая, то это поспособствует быстрому скатыванию снега и облегчит нагрузку на балки. Но такая модель потребует большего расхода материалов и должна иметь пространство вверху, куда будет возводиться. Для маленького дворика подойдет односкатный навес, занимающий немного места, который может быть установлен даже под деревом.

Расстояние между фермами определяется нормами СНиП, но здесь стоит учесть и размер материала, которым будет перекрываться крыша. Если это ондулин или поликарбонат, то ширину листа этого элемента стоит заложить в схему установки металлоконструкции. Свой чертеж с набросками необходимо отдать на подробный расчет специалисту, который вычислит нагрузки, или ввести параметры будущей конструкции в форму онлайн-расчета. Но можно сэкономить, и воспользоваться типовым проектом, который прошел проверку временем и различными условиями. Пример того, как создать свой простой навес, можно изучить на видео в интернете.

Пример расчета металлической фермы из профильной трубы ↑

Расчет такого изделия предполагает:

определение точной высоты (Н) и длины (L) металлической конструкции. Последняя величина в точности должна соответствовать длине пролета, то есть расстоянию, перекрывающему конструкцию. Что же касается высоты, то она зависит от спроектированного угла и особенностей контура.

В треугольных металлоконструкциях высота составляет 1/5 или ¼ часть длины, для остальных типов с прямолинейными поясами, к примеру, параллельными или полигональными – 1/8 часть.

Угол раскосов решетки колеблется в пределах 35–50°

В среднем он составляет 45°.
Важно определить оптимальное расстояние от одного узла до другого. Обычно искомый промежуток совпадает с шириной панели

Для конструкций, длина пролета в которых больше 30 м, необходимо дополнительно рассчитать строительный подъем. В процессе решения задачи можно получить точную нагрузку на металлоконструкцию и подобрать правильные параметры профильных труб.

Рекомендуем

Слишком тонкие материалы не в состоянии обеспечить достаточную жесткость, что может стать причиной разрушений. Вы сможете обеспечить высокую точность расчетов, если разберетесь, как рассчитать программой навес из металла.

В качестве примера рассмотрим расчет ферм стандартного односкатного сооружения 4х6 м.

В конструкции используется профиль 3 на 3 см, стенки которого имеют толщину в 1,2 мм.

Нижний пояс изделия имеет длину 3,1 м, а верхний – 3,90 м. Между ними устанавливают вертикальные стойки, выполненные из такой же профильной трубы. Самая большая из них имеет высоту 0,60 м. Остальные вырезают по степени убывания. Можно ограничиться тремя стойками, расположив их от начала высокого ската.

Участки, которые образуются при этом, усиливают, установив раскосые перемычки. Последние изготовлены из более тонкого профиля. К примеру, для этих целей подойдет труба сечением 20 на 20 мм. В месте схождения поясов стойки не нужны. На одном изделии можно ограничиться семью раскосами.

На 6 м длины навеса используют пять подобных конструкций. Их укладывают с шагом в 1,5 м, соединяя дополнительными перемычками поперечного расположения, выполненными из профиля сечением 20 на 20 мм. Их фиксируют к верхнему поясу, расположим с шагом 0,5 м. Панели поликарбоната крепят непосредственно к этим перемычкам.

Расчет арочной фермы ↑

Изготовление арочных ферм также требует точных расчетов. Это связано с тем, что возложенная на них нагрузка распределится равномерно, только если созданные дугообразные элементы будут иметь идеальную геометрию, то есть правильную форму.

Рассмотрим подробнее, как создать арочный каркас для навеса с пролетом в 6 м (L). Расстояние между арками примем в 1,05 м. При высоте изделия в 1,5 метра архитектурная конструкция будет смотреться эстетично и сможет противостоять высоким нагрузкам.

При расчете длины профиля (mн) в нижнем поясе пользуются следующей формулой длины сектора: π •R•α:180, где значения параметров для данного примера в соответствии с чертежом равны соответственно: R= 410 см, α÷160°.

После подстановки имеем:

3,14•410•160:180 = 758 (см).

Узлы конструкции следует расположить на нижнем поясе на расстоянии 0,55 м (с округлением) друг от друга. Положение крайних рассчитывают индивидуально.

В случаях когда длина пролета меньше 6 м, сваривание сложных металлоконструкций часто заменяют на одинарную либо двойную балку, согнув металлический профиль под заданным радиусом. Хотя при этом необходимости в расчете арочного каркаса нет, однако правильный подбор профилированной трубы по-прежнему остается актуальным. Ведь от ее сечения зависит прочность готовой конструкции.

Преимущества и недостатки легких стальных каркасов

На сегодняшний день максимально передовой технологией применения металлических элементов является технология с использованием легкого стального каркаса (кратко – ЛСТК). Его монтаж осуществляется на основе холодногнутого тонкостенного оцинкованного металлического профиля для кровель, который представляет собой очень прочный и долговечный материал: согласно утверждению производителей, такие металлические стропильные системы эксплуатируются более 100 лет. Их основными преимуществами являются:

• Повышенная пожаробезопасность – монтаж стропильной системы осуществляется на основе негорючих материалов, благодаря чему исключается возможность возгорания здания с кровли, что нередко становится причиной пожаров. При локальном очаге металлическая система стропил предупреждает обрушение кровли.
• Отсутствует необходимость проведения ежегодной обработки несущих конструкций кровли антисептическими и антипиретическими веществами, как это делается в случае древесных систем.
• Длительность эксплуатационного срока – гарантия производителей на 100 лет службы основана на неподверженности материала разрушительному действию гнили, плесени, грибка, порче насекомыми-вредителями. Для защиты от коррозии на металл наносится цинковое покрытие, толщина которого достигает 275 г/кв. метр.
• Отсутствие каких бы то ни было отходов в процессе выполнения работ обеспечивается исключительной точностью всех параметров конструкции. Монтаж конструкций на основе метала можно проводить в любое время года.
• Процесс этот не представляет никакой сложности и может быть осуществлен при помощи дрели и шуруповерта при условии наличия детализированных чертежей, а также сквозной маркировки элементов.
• В процессе работы нет необходимости привлекать грузоподъемную технику.
• Немаловажным достоинством является экономичность. Благодаря применению гнутого профиля для системы стропил от шести до пятнадцати метров, толщина которого составляет от 1,2 до 2,5 м, количество расходуемого металла удается свести к минимуму.
• Благодаря малому весу конструкции нагрузки на несущие стены дома и фундамент существенно сокращаются.
• Такие конструкции обеспечивают высокие показатели степени сохранения тепла: благодаря специальному решению узлов соединения системы стропил с чердачным перекрытием удается избежать образования мостиков холода.
• Экологичность таких систем обеспечивается в результате применения абсолютно чистых с экологической точки зрения и легко поддающихся утилизации материалов, не впитывающих вредных веществ и не выделяющих их в окружающую среду. Значение имеет и отсутствие необходимости в особой обработке деталей конструкции при помощи химических реагентов: благодаря этому исключается токсическое воздействие на организм человека и внешнюю среду.

Недостатки

В случае многоэтажных зданий металлические стропила являются прекрасным выбором. Нередко такие конструкции устраиваются также под керамическую черепицу, поскольку при выборе этого кровельного материала на стропильную систему оказывается значительная нагрузка. Но в остальных случаях их использование не совсем целесообразно вследствие наличия ряда недостатков:

• Металлические стропила промерзают до такой степени, что достижение высокой энергоэффективности оказывается невозможным. С точки зрения экономичности выбор дерева является оптимальным решением.
• Транспортировка и последующий монтаж металлических конструкций – задача довольно проблематичная.
• В результате большого веса стропил для их подъема на требуемую высоту и установки должна использоваться специальная техника.
• Стальные фермы быстро деформируются в условиях высоких температур. По этой причине в случае пожара они провисают за короткий промежуток времени, что приводит к обрушению всей кровли.
• Устройство металлической стропильной системы – удовольствие недешевое.

Вследствие указанных недостатков (особенно когда речь идет о частном строительстве) лучше остановить свой выбор на деревянных стропилах. Если есть необходимость в укреплении стропильной системы, рекомендуется применение отдельных металлических элементов. Вопрос об использовании металла должен обсуждаться заранее.

Плюсы и минусы

Односкатная кровля имеет массу весомых преимуществ, среди которых:

• Широкие возможности при строительстве. Профильная труба обладает высокими прочностными характеристиками, благодаря чему такая кровля может перекрывать большие пролеты размером в несколько десятков метров.

  Для сравнения: деревянные стропильные системы позволяют возводить сооружения относительно небольших размеров, поскольку они не способны выдерживать значительные нагрузки.

• Надежность. Металл, обработанный качественным лакокрасочным и антикоррозионным покрытием, сохраняет первоначальные характеристики на протяжении десятилетий.

  Крышу не придется ежегодно ремонтировать и восстанавливать. Стропила не поржавеют из-за частых перепадов влажности и не прогнутся под весом тяжелого кровельного материала.

• Безопасность. В отличие от древесины, профильная труба не подвержена горению. При возникновении очагов возгорания (например, из-за короткого замыкания электропроводки, подведенной к навесу) такие конструкции не будут воспламеняться.

  В худшем случае они могут лишь незначительно деформироваться. Также безопасность достигается за счет того, что односкатная кровля имеет определенный наклон. На ней не скапливаются тяжелые снежные глыбы, из-за которых крыша может рухнуть.

Вместе с тем, такие кровельные конструкции имеют и некоторые недостатки:

• Дороговизна. Конструкции из металла имеют сравнительно высокую стоимость, поэтому при их строительстве нужно тщательно планировать каждый пункт денежных расходов.
• Большой вес. Тяжелые профильные трубы, вес которых может достигать нескольких центнеров, невозможно поднимать на высоту без применения спецтехники. Кроме того, такая кровля будет оказывать значительную нагрузку на основание, поэтому обустройство фундамента будет более дорогостоящим и сложным.

Проведение расчета арочной фермы из профильной трубы

Определить оптимальные значения сооружения можно на конкретном примере арочной фермы. Длина конструкции составляет 600 см. Каждый участок располагается на расстоянии в 105 см друг от друга. Высота арочного перекрытия равна 300 см. Стрела нижнего пояса в таком изделии будет равна 130 см. Радиус окружности внизу будет составлять 410 см. По условиям вычисления между радиусами угол составляет 105.9776˚.

mн – длина профиля, который необходим для прокладки нижнего яруса;

π – постоянное значение;

Чтобы вычислить необходимый показатель специалисты используют определенную формулу:

В результате получается следующее вычисление:

mн=3,14×4,1×106/180 = 758 см.

Следует заметить, что шаг между точками по углам будет равняться 55 см.

Наглядный пример демонстрирует, что фермы из профильной трубы рассчитываются достаточно просто и быстро.

Обучающее видео с правилами расчета.

Советы по выбору материала для стропильной фермы

Самым главным моментом выбора стропильной конструкции является подбор строительного материала, который может обеспечить требуемую степень прочности, жесткости, надежности. Значение имеет и ценовая категория, к которой относится материал.

Деревянные фермы

Стропильные фермы на основе дерева являются наиболее популярным вариантом, который соответствует большинству предъявляемых к конструкции требований.

Их применяют в следующих случаях:

• при устройстве кровель мансардного типа;
• при возведении коммерческих, сельскохозяйственных, спортивных, промышленных объектов;
• во время восстановления плоских кровель сооружений разного назначения;

Основными достоинствами деревянных стропильных ферм по отношению к другим разновидностям таких конструкций являются:

• простота процесса производства и его автоматизированность;
• короткие сроки выполнения работ по проектированию;
• легкость осуществления монтажа (благодаря наличию готовых элементов конструкции);
• широкая перспектива реализации самых необычных дизайнерских решений в плане формы, конфигурации и т.д.;
• сравнительно небольшой вес;
• возможность применения в случае пролетов больших размеров (наибольшая длина может составлять 18 м);
• возможность утепления и простота его осуществления;
• отличные эксплуатационные качества и технологические характеристики;
• принадлежность к первой категории пожаробезопасности (материал проходит соответствующую обработку в заводских условиях);
• соответствие требованиям экологической безопасности.

Специфика металлических стропильных ферм

Для обеспечения повышенной жесткости применяют стропильные системы на основе металла. Этот вариант максимально подходит при устройстве стропильных ферм значительной длины (более 10 м). В таких случаях из стали изготавливаются не только стропила, но также брус мауэрлата и коньковые опоры. Укладка производится не с помощью деревянной соединительной детали, а посредством швеллера. Для крепления стропильных ног используются приваренные уголки.

Основными преимуществами стальных стропильных ферм являются:

• повышенный уровень прочности;
• стойкость;
• неподверженность разрушению и гниению;
• значительный срок службы;
• удобство применения при необходимости перекрытия сооружений большой площади и высоты.

Следует указать также недостатки металлических ферм:

• значительный вес создаваемой конструкции;
• применение специальной техники для подъема конструкции на требуемую высоту;
• неустойчивость материала и высокая вероятность его деформации в условиях высокого температурного фона;
• дороговизна.

Стальные стропильные фермы бывают трех типов:

• спараллельными поясами;
• треугольные;
• полигональные.

При планировании мягкой кровли оптимально подходят фермы с параллельными поясами или полигональные. В случае применения листовых материалов лучше выбрать треугольные конструкции.

Промышленность выпускает стропильные фермы унифицированных размеров, которые рассчитаны на пролеты, длина которых составляет 18, 24, 30 и 36 метров.

Для изготовления поясов и решеток ферм в большинстве случаев применяются уголки, а скрепление отдельных элементов осуществляется посредством сварки. Наиболее рациональной считаются конструкции, для изготовления поясов которых были использованы тавровые широкополочные балки. Процесс изготовления подобных конструкций довольно простой, к тому же на них уходит меньше материала, но надежность и прочность конструкции от этого не страдают.

Во время строительства частных домов во многих случаях используются стальные стропильные фермы, материалом для которых служит профильная труба. По сравнению с фермами на основе уголков, швеллеров или тавра подобные конструкции обладают меньшим весом.

Такие конструкции могут собираться прямо на строительной площадке. При этом используется сварочный аппарат.

Фермы изготавливаются на основе гнутых или горячекатаных профильных труб. При этом используется сталь толщиной от полутора до пяти миллиметров. Сечение профиля трубы может быть квадратным или прямоугольным.

В настоящее время в строительстве нередко применяют также железобетонные стропильные фермы. Они представляют собой очень прочные решетчатые конструкции для перекрытия значительных по длине пролетов.

Подобные фермы целесообразно монтировать на кровлях одноэтажных строений, покрытие которых испытывает очень большие нагрузки.