Ферма или балка: чем перекрыть большой пролёт

Почему пролёт — главный аргумент в споре фермы и балки

Когда конструктор выбирает несущий элемент для перекрытия или покрытия, первый вопрос — это величина пролёта. При малых пролётах сплошная стальная балка из горячекатаного двутавра решает задачу экономично и без лишних усложнений: один прокатный профиль, минимум сварных швов, быстрый монтаж. Но с ростом пролёта момент сопротивления нужного сечения растёт пропорционально квадрату пролёта, а масса балки — стремительно вверх. Именно здесь ферма начинает выигрывать.

В решётчатой конструкции пояса работают преимущественно на осевые усилия растяжения и сжатия, а не на изгиб. Это позволяет задействовать материал значительно эффективнее: металл концентрируется там, где он реально работает — в поясах, а решётка из относительно лёгких элементов обеспечивает жёсткость системы. В итоге при больших пролётах ферма при той же несущей способности заметно легче эквивалентной сплошной балки.

Примерная граница, при которой переход от балки к ферме становится оправданным, в инженерной практике обычно лежит в диапазоне 15–18 метров. Это не жёсткий порог: на конкретное решение влияют величина и характер нагрузки, требования к строительной высоте, объём серийного изготовления и наличие технологической оснастки на предприятии-изготовителе.

Балка: когда она рациональна

Сплошная балка из горячекатаного широкополочного или нормального двутавра остаётся основным выбором при пролётах до 12–15 метров. При таких пролётах необходимый профиль, как правило, существует в стандартном сортаменте, не требует значительной сварки и хорошо сочетается с болтовыми монтажными соединениями. Простота изготовления и монтажа напрямую сокращает стоимость.

Сварная составная балка расширяет диапазон: из листового металла можно набрать сечение с нужным моментом инерции под конкретную нагрузку, не переплачивая за стандартный ближайший больший профиль. Такой подход оправдан при нетиповых нагрузках или когда пролёт чуть превышает стандартный ряд прокатных профилей. Однако с ростом пролёта масса составной балки нарастает быстро, и она теряет преимущество перед фермой.

Важный аргумент в пользу балки — минимальная строительная высота. Если высота этажа или подкровельного пространства жёстко ограничена архитектурным заданием, балка занимает значительно меньше места по вертикали, чем ферма. Это обстоятельство в ряде случаев перевешивает проигрыш в металлоёмкости при пролётах 15–20 м.

Ферма: принцип работы и источник экономии металла

Стержневая система фермы передаёт нагрузку в узлы, а оттуда через пояса — к опорам. В идеальной шарнирно-узловой схеме все стержни работают только на растяжение или сжатие, без изгиба. На практике узлы частично жёсткие, и в поясах возникают местные изгибающие моменты от внеузловой нагрузки, однако главное усилие — осевое. Именно это позволяет расходовать металл эффективно: сечение подбирается под осевую силу, а не под момент.

Высота фермы — ключевой параметр. С увеличением высоты плечо между поясами возрастает, усилия в поясах снижаются при той же нагрузке и пролёте, а значит, можно использовать более лёгкие сечения. По теоретическим соображениям и практическому опыту оптимальное соотношение высоты фермы к её пролёту находится в диапазоне 1/8–1/10. При высоте около 1/8 пролёта суммарный расход металла на пояса и решётку, как правило, минимален. Выход за этот диапазон в ту или другую сторону увеличивает металлоёмкость: слишком плоская ферма даёт большие усилия в поясах, слишком высокая — чрезмерно нагружает решётку.

Для пролётов от 18 до 24 м распространены фермы из профильных труб прямоугольного сечения. Такая конструкция технологична в изготовлении, имеет хорошие аэродинамические характеристики и удобна при сварке узлов типа К и N. При пролётах от 24 м и более, а также при повышенных вертикальных нагрузках рационально использовать фермы с поясами из прокатного двутавра и решёткой из уголков или труб.

Строительная высота: плата за металлоёмкость

Главный конструктивный недостаток фермы — она занимает значительно больше места по высоте, чем балка эквивалентной несущей способности. Для фермы с пролётом 24 м при соотношении высоты 1/8 это около 3 метров строительной высоты конструкции. Каждый метр дополнительной высоты — это удорожание стен, колонн и кровельных прогонов по всей длине здания. В многоэтажных зданиях или объектах с ограниченной высотой застройки это может полностью перекрыть выигрыш в металлоёмкости самой несущей конструкции.

Практический компромисс — пропуск инженерных коммуникаций внутри фермы. Если вентиляционные короба, трубопроводы и кабельные трассы размещаются в пространстве решётки, строительная высота этажа фактически не увеличивается. Такой приём широко применяется в промышленных и общественных зданиях и позволяет обратить кажущийся недостаток фермы в реальное конструктивное преимущество.

При проектировании покрытий промышленных и складских зданий с уклонами кровли для обеспечения водоотвода ферма с параллельными или ломаными поясами позволяет одновременно обеспечить нужный уклон и необходимую несущую способность. Сплошная балка в таком случае потребовала бы дополнительных прогонов-уклонообразователей или накладной конструкции, что тоже влечёт расход металла.

Очертание фермы и типы решёток: что влияет на металлоёмкость

По очертанию поясов различают фермы с параллельными поясами, трапецеидальные и полигональные (с ломаным верхним поясом). Параллельные пояса — наиболее технологичное решение: узлы однотипные, производство проще и быстрее. Полигональное очертание ближе к эпюре моментов, что даёт некоторый выигрыш в металлоёмкости поясов, но существенно усложняет изготовление из-за разнотипных узлов. Трапецеидальная ферма — компромисс между двумя крайностями.

Тип решётки влияет на длину и количество элементов, а значит, на трудоёмкость и суммарную металлоёмкость. Треугольная решётка — самая лёгкая; раскосная — наиболее распространённая для умеренных нагрузок; шпренгельная позволяет уменьшить высоту при тех же пролётах за счёт промежуточных подвесок. При проектировании важно назначить шаг узлов таким образом, чтобы нагрузка прикладывалась именно в узлы, а не в промежутке между ними — внеузловая нагрузка резко увеличивает изгибающие моменты в поясе и требует его усиления.

С точки зрения монтажной технологичности ферма из профильных труб на сварке уступает составным фермам с болтовыми монтажными соединениями по удобству укрупнительной сборки на площадке. Крупноразмерные фермы, как правило, делят на отправочные марки и укрупняют непосредственно перед подъёмом. Это требует планирования площадки и подъёмного крана достаточной грузоподъёмности.

Сравнительная металлоёмкость: на что ориентироваться

Прямое сравнение металлоёмкости балки и фермы без конкретных исходных данных невозможно — слишком много переменных: пролёт, шаг, нагрузки, марка стали, требования по прогибу. Тем не менее ряд ориентиров устойчив. При пролёте 12 м и стандартных нагрузках покрытия сплошная балка из горячекатаного двутавра и ферма из труб будут близки по расходу металла, но балка дешевле в изготовлении. При пролёте 24 м ферма, как правило, на 20–35% легче эквивалентной сплошной балки, и этот разрыв продолжает расти с увеличением пролёта.

Необходимо учитывать не только массу основного несущего элемента, но и полную металлоёмкость системы: прогоны, связи, узловые элементы (фасонки, опорные столики), болты и сварочные материалы. Ферма тянет за собой более тяжёлые опорные узлы и требует горизонтальных связей по нижнему поясу, чтобы обеспечить его устойчивость из плоскости. Всё это нужно включать в сравнительный расчёт, иначе кажущееся преимущество фермы по основному элементу окажется меньше в итоговой спецификации.

При использовании стали класса С345 вместо С235 можно снизить расход металла как в балке, так и в ферме за счёт более высокого расчётного сопротивления. Однако повышение класса стали не всегда рационально для сжатых элементов фермы, где лимитирует устойчивость, зависящая от геометрии, а не от предела текучести. Это ещё одна причина, по которой выбор варианта несущей системы неотделим от выбора марки стали и сечений элементов.

Нормативная база: что говорят СП и ГОСТ

Проектирование стальных ферм и балок в России ведётся по СП 16.13330 «Стальные конструкции». Норматив устанавливает расчётные сопротивления для различных марок стали, методы проверки элементов на прочность, устойчивость и выносливость, а также требования к соединениям. Нагрузки задаются по СП 20.13330 «Нагрузки и воздействия». Эти два документа составляют основу расчётной базы для выбора и проверки несущих конструкций.

Для сжатых поясов и стоек ферм критически важна проверка на устойчивость из плоскости фермы. Расчётная длина сжатого пояса принимается равной расстоянию между точками его бокового раскрепления — то есть между связями или прогонами, обеспечивающими боковую поддержку. Недооценка этого параметра приводит к занижению расчётной длины и, как следствие, к недостаточному сечению пояса. Это одна из наиболее распространённых расчётных ошибок при проектировании ферм.

Требования к предельным прогибам несущих конструкций покрытий и перекрытий установлены нормами и зависят от назначения помещения и наличия хрупких конструктивных элементов, таких как остекление или подвесные потолки. Ферма при больших пролётах нередко лимитируется не прочностью, а жёсткостью, и именно требование по прогибу диктует минимальную высоту конструкции. Балка в этом смысле ведёт себя аналогично, но прогибное ограничение начинает определять сечение уже при меньших пролётах.

Практические критерии выбора: итоговый алгоритм

Выбирайте сплошную балку, если пролёт не превышает 12–15 метров, строительная высота жёстко ограничена, объём производства невелик и нет оснастки для серийной сварки ферм, а нагрузки стандартные. Балка также предпочтительна при конструкциях перекрытий с переменной нагрузкой, когда важна устойчивость системы при частичном загружении.

Переходите на ферму при пролётах от 18 метров и выше, особенно если серийность производства позволяет унифицировать типы узлов, если внутри фермы удобно провести коммуникации, или если уклон кровли естественно вписывается в форму верхнего пояса. Ферма из профильных труб хороша в серии; ферма с прокатными поясами — при больших нагрузках начиная от 24 м и более.

При пролётах 15–18 м, находящихся в переходной зоне, делайте прямой технико-экономический расчёт для двух вариантов: считайте суммарную металлоёмкость с учётом узлов и связей, прибавляйте трудоёмкость изготовления в нормо-часах, учитывайте стоимость монтажа и полную высоту здания. Специалисты Stalfa помогут получить актуальные ценовые параметры на металлопрокат для обоих вариантов и ускорить такой анализ.

Частые вопросы