Расчёт стропильной фермы из профильной трубы для навеса

Область применения и конструктивные схемы ферм для навесов

Фермы из замкнутых гнутосварных профилей — профильных труб квадратного и прямоугольного сечения — стали стандартным решением для навесов пролётом от 4 до 18 метров. Их популярность объясняется сочетанием технологичности изготовления, достаточной жёсткости при небольшой металлоёмкости и простоты защиты от коррозии: замкнутое сечение не имеет внутренних полостей, недоступных для окраски, а торцы труб заделываются сваркой или заглушками.

Для навесов чаще всего применяют две принципиальные схемы: односкатную ферму с параллельными поясами и небольшим уклоном верхнего пояса за счёт разной высоты опорных стоек, либо треугольную ферму с нижним горизонтальным поясом и наклонным верхним. Тип решётки — треугольная, раскосная или крестовая — выбирается исходя из пролёта, нагрузки и архитектурных требований. При пролётах до 9 м распространена простая раскосная решётка с уклоном раскосов 40–60° к горизонту: она технологична в изготовлении и даёт достаточную жёсткость.

Шаг ферм в плане принимается в соответствии с шагом колонн и конструкцией кровельного настила. Для профнастила или поликарбоната на прогонах из профильной трубы типичный шаг ферм составляет 3–6 м. При большем шаге резко возрастают сечения прогонов и нагрузка на узловые точки фермы, что невыгодно с точки зрения металлоёмкости.

Сбор нагрузок: снег, собственный вес, ветер

Основное нагружение навеса — снеговая нагрузка. Её нормативное значение определяется по СП 20.13330 «Нагрузки и воздействия» в зависимости от снегового района, в котором расположен объект. Территория России разбита на восемь снеговых районов с нормативными значениями веса снегового покрова от 0,5 кПа (I район, юг страны) до 8,0 кПа (VIII район, отдельные горные территории). Расчётное значение снеговой нагрузки получают умножением нормативного значения на коэффициент надёжности по нагрузке, равный 1,4.

Коэффициент перехода от веса снегового покрова к нагрузке на покрытие μ учитывает угол уклона кровли. При уклоне менее 25° его принимают равным 1,0 — весь снег остаётся на кровле. При уклонах от 25° до 60° значение снижается линейно; при уклоне более 60° снег условно считается несохраняющимся и снеговую нагрузку допускается не учитывать. Для типичного навеса с уклоном 5–15° расчётная снеговая нагрузка принимается в полном объёме.

Помимо снега учитывают собственный вес конструкции — обычно 0,15–0,25 кПа для лёгкого металлического навеса с профнастилом — и ветровую нагрузку. Ветер для навесов учитывается как горизонтальная нагрузка на торцевые элементы и как подъёмная (отрицательное давление) на кровлю при особых схемах обдувания. В большинстве случаев для небольших навесов снеговая нагрузка является доминирующей, однако расчёт на ветровое отсасывание следует выполнять отдельно — он может определять нижние узлы крепления кровли и анкеровку колонн.

Геометрия фермы: высота, шаг узлов, уклон

Высота фермы — ключевой параметр, влияющий на металлоёмкость и жёсткость конструкции. При малой высоте фермы усилия в поясах велики, что требует крупных сечений; при избыточной высоте возрастает длина раскосов и стоек, увеличивается их масса. Оптимальное соотношение высоты к пролёту для ферм из профильных труб при статической нагрузке находится в диапазоне h = L/8…L/10. Для навеса пролётом 6 м это даёт высоту фермы 600–750 мм, для пролёта 12 м — 1200–1500 мм.

Шаг узлов по верхнему поясу определяется схемой опирания прогонов. Прогоны следует располагать строго в узлах фермы: если нагрузка прикладывается между узлами, верхний пояс работает как изогнутый стержень, что существенно снижает его несущую способность и требует проверки на совместное действие сжатия и изгиба. При стандартных прогонах через 1,5–2 м и пролёте фермы 6 м получают три-четыре панели, что соответствует оптимальной схеме решётки.

Угол наклона раскосов к горизонту желательно выдерживать в диапазоне 40–60°. При более пологих раскосах возрастает их длина и снижается устойчивость; при более крутых — увеличивается нагрузка на узловые сварные швы из-за большой вертикальной составляющей. Опорные раскосы, как правило, делают более мощными, чем промежуточные, поскольку они воспринимают суммарную поперечную силу от всех пролётов.

Подбор сечений поясов: расчёт на прочность и устойчивость

Пояса фермы работают на осевые усилия: верхний пояс сжат, нижний — растянут (при нагрузке сверху). Сжатый пояс является наиболее ответственным элементом с точки зрения устойчивости. Для стальных конструкций навесов обычно применяют сталь класса С245 по ГОСТ 27772 с нормативным пределом текучести 245 МПа для толщин до 20 мм или сталь С345 (соответствующую 09Г2С) с пределом текучести 345 МПа. Применение С345 позволяет уменьшить сечения при умеренном удорожании материала — оправданно для ответственных или нагруженных конструкций.

Расчётное сопротивление стали С245 составляет около 240 МПа, стали С345 — около 315 МПа (точные значения принимаются по действующим нормам проектирования стальных конструкций в зависимости от толщины проката). Сжатый пояс проверяется на устойчивость по формуле N / (φ · A) ≤ R, где N — расчётное сжимающее усилие, A — площадь сечения, φ — коэффициент снижения несущей способности при потере устойчивости, R — расчётное сопротивление стали. Коэффициент φ зависит от гибкости λ = μl/i, где l — расчётная длина стержня, i — радиус инерции сечения.

Для верхнего пояса расчётная длина в плоскости фермы принимается равной шагу узлов, из плоскости — расстоянию между точками закрепления (прогоны или связи). Гибкость сжатых поясов не должна превышать нормативных пределов, установленных для элементов несущих конструкций. Практика показывает, что для навесов средних пролётов пояса из квадратной профильной трубы 80×80×4 или 100×100×4 мм перекрывают большинство типовых схем нагружения при III–IV снеговых районах.

Нижний пояс растянут и проверяется только по прочности нетто-сечения: N / A ≤ R. Поскольку профильная труба не имеет отверстий, площадь нетто равна площади брутто. Это конструктивное преимущество профильных труб перед уголками или швеллерами, где болтовые отверстия ослабляют сечение.

Раскосы и стойки решётки: подбор и проверка

Усилия в раскосах и стойках определяются методом вырезания узлов или методом сечений. Для равномерно нагруженной фермы с простой раскосной решёткой максимальное усилие в опорных раскосах равно опорной реакции, делённой на синус угла наклона раскоса. Промежуточные раскосы воспринимают поперечную силу в соответствующей панели — она убывает от опоры к середине пролёта, поэтому промежуточные раскосы можно принять меньшего сечения, чем опорные.

Сжатые раскосы проверяются на устойчивость аналогично поясам. Расчётная длина раскоса принимается равной полной длине между узлами с коэффициентом μ = 1,0 (для ферм с жёсткими узлами при определённых условиях — меньше, но для профтрубных ферм обычно 1,0 является консервативным и безопасным допущением). Для типичных раскосов навесных ферм при пролётах 6–12 м подходят трубы 50×50×3 или 60×60×3 мм — выбор зависит от конкретных усилий. Растянутые раскосы имеют меньшее сечение, чем сжатые той же длины, так как не требуют проверки устойчивости.

Вертикальные стойки решётки несут сравнительно небольшие нагрузки — их сечение принимается конструктивно, но не менее 40×40×3 мм. Стойки также обеспечивают точки приложения нагрузки от прогонов и снижают расчётную длину верхнего пояса из плоскости фермы, что положительно сказывается на его устойчивости.

Узлы сварки: конструктивные требования и катет шва

Узловые соединения в фермах из профильных труб выполняются непосредственно без фасонок — раскосы и стойки привариваются торцами к боковым граням поясных труб. Такая «безузловая» схема экономична по металлу и компактна, однако предъявляет повышенные требования к качеству сварки: шов работает в сложных условиях, поскольку стенки пояса воспринимают локальное давление от передаваемых усилий.

Шов выполняется угловой сваркой по всему периметру присоединяемого торца профильной трубы. Катет шва kf определяется расчётом по действующим нормам проектирования стальных конструкций исходя из расчётного усилия в присоединяемом элементе. Минимальный катет зависит от толщины наиболее тонкого из свариваемых элементов — как правило, для труб с толщиной стенки 3–4 мм минимально допустимый катет составляет 4–5 мм. Для сварки профильных труб из стали С245 применяют электроды типа Э46 или сварочную проволоку класса ER70S.

Особого внимания требует опорный узел фермы — место передачи опорной реакции на колонну или стеновую балку. Здесь сосредоточены максимальные усилия: поперечная сила и изгибающий момент от эксцентриситета опирания. Конструктивно опорный узел обычно усиливается торцевой пластиной — опорным фланцем, привариваемым к торцу нижнего пояса. Фланец обеспечивает равномерную передачу усилия на опорную конструкцию и удобство монтажного соединения.

Заглушки на открытых торцах профильных труб устанавливаются обязательно: они препятствуют попаданию влаги внутрь полости и образованию коррозии. Заглушку приваривают угловым швом по периметру или прорезают отверстие для дренажа. Если конструкция эксплуатируется на открытом воздухе в агрессивных условиях, рекомендуется горячее цинкование всей фермы после сварки — это наиболее надёжный способ долгосрочной защиты.

Антикоррозионная защита и долговечность конструкции

Профильные трубы для несущих конструкций навесов изготавливают преимущественно из горячекатаной стали без антикоррозионного покрытия — ГОСТ 30245 регламентирует геометрические и прочностные параметры, но не требует покрытия. Защита от коррозии обеспечивается на этапе изготовления и монтажа конструкции. Наиболее распространённый подход — очистка поверхности до степени Sa 2 или St 3 с последующей окраской грунтом и финишным лакокрасочным материалом. При правильном выборе системы покрытия срок службы до первого капитального ремонта составляет 8–15 лет.

Горячее цинкование после сварки даёт значительно больший ресурс — 25–40 лет и более при толщине цинкового слоя 85–100 мкм. Однако метод требует, чтобы конструкция выдержала погружение в ванну с расплавленным цинком (450 °C): закрытые полости профильных труб должны иметь технологические отверстия для выхода газов и стока цинка, а скрытые сварные швы — обеспечивать герметичность или иметь дренажные отверстия во избежание взрыва паров при погружении. Эти требования нужно закладывать в конструктивное решение заранее.

При заказе металла и изготовлении фермы важно своевременно согласовать технические требования: толщину стенки, класс стали, допуски на кривизну и длину. Компания Стальфа помогает подобрать оптимальный сортамент профильных труб с подтверждёнными сертификатами качества и организовать поставку в нужном объёме от проверенных производителей.

Пример компоновки фермы для навеса пролётом 9 м

Рассмотрим практический пример. Навес пролётом 9 м, шаг ферм 3 м, снеговой район III (нормативное значение нагрузки 1,8 кПа), уклон кровли 10°. Расчётная снеговая нагрузка с учётом коэффициента надёжности 1,4 и μ = 1,0 составит 1,8 × 1,4 = 2,52 кПа. Полная расчётная нагрузка на раму с учётом собственного веса кровли и фермы — порядка 2,8–3,0 кПа. При шаге ферм 3 м линейная нагрузка на верхний пояс составит 8,4–9,0 кН/м.

Высота фермы при пролёте 9 м принимается 900–1100 мм (h = L/10…L/8). Шаг узлов верхнего пояса — 1,5 м, итого шесть панелей. Угол наклона раскосов при высоте 1000 мм и шаге панели 1500 мм составит arctan(1000/1500) ≈ 34° — несколько меньше оптимального; для улучшения схемы можно принять высоту 1200 мм или шаг 1000 мм. Максимальное усилие в верхнем поясе (сжатие) при симметричной нагрузке оценивается по формуле M_max / h ≈ (q × L² / 8) / h; при q = 9 кН/м, L = 9 м, h = 1,0 м получим N ≈ 91 кН.

Для сжатого пояса с усилием 91 кН при расчётной длине 1,5 м проверяем квадратную трубу 80×80×4 мм (А ≈ 12,0 см², i ≈ 3,1 см). Гибкость λ = 150/3,1 ≈ 48; коэффициент φ ≈ 0,86. Проверка: 91 000 / (0,86 × 12,0 × 100) ≈ 88 МПа < 240 МПа (R для С245) — сечение подходит с запасом. Раскосы принимаются из трубы 60×60×3 мм для опорных панелей и 50×50×3 мм для промежуточных. Нижний пояс из трубы 80×80×4 мм работает на растяжение с запасом аналогичного порядка. Итоговая масса фермы пролётом 9 м — ориентировочно 80–120 кг в зависимости от схемы решётки.

Приведённый пример носит иллюстративный характер и не заменяет полноценный инженерный расчёт с учётом всех нагрузок, сочетаний и проверкой по предельным состояниям. Для объектов с нормальным и повышенным уровнем ответственности расчёт должен быть выполнен аттестованным специалистом и оформлен в составе проектной документации согласно действующим техническим регламентам. Стальфа готова сориентировать по выбору сортамента и организовать поставку требуемого металлопроката под конкретную ферму.

Частые вопросы