Фермы: классификация и область применения

Ферма представляет собой конструкцию из стержней, которые соединены между собой в узлах. При этом конструкция геометрически неизменяема. При нагрузке на узлы их жесткость не столь существенна для самой фермы, сами стержни переносят сжимающие или растягивающие осевые усилия.

По сравнению с простыми стальными балками фермы намного экономичнее в плане расхода материала, но значительно превосходят их по трудоемкости производства. Однако сборные конструкции такого рода гораздо более эффективны, нежели балки со сплошными стенками, так как имеют больший пролет и способны выдерживать более значительную нагрузку.

Существуют плоский и пространственный варианты ферм. В первом случае все стержни лежат в одной плоскости, а восприятие нагрузки идет к плоскости. Кроме того, такие фермы необходимо дополнительно закреплять. Фермы пространственного типа представляют собой жесткий брус, способный воспринимать нагрузку по любому вектору.

Плоская (а) и пространственная (б) фермы

Любая ферма состоит из двух основных типов элементов — поясов и решетки.

Пояса образуют контур конструкции, а решетка объединяет стойки и раскосы. Для соединения элементов в узлах используются узловые фасонки, применяемые в местах непосредственного соприкосновения элементов фермы. При этом детали центрируются по осям центра тяжести — благодаря этому происходит снижение узловых нагрузок, а работа стрежней ориентируется на осевые усилия.

Элементы ферм
1 — верхний пояс; 2 — нижний пояс; 3 — раскосы; 4 — стойки.

Узлы ферм
а — с непосредственным примыканием элементов; б — на фасонках.

Панель — расстояние между соседними узлами поясов (панель верхнего пояса обозначается как dв, панель нижнего — как dн). Пролет — расстояние между опорами конструкции.

Пояса ферм ориентированы на работу с продольными усилиями и моментом (тот же принцип, что и у поясов сплошностенных балок), в то же время решетка фермы предназначена для восприятия поперечной нагрузки.

При использовании «балочной аналогии» можно определить знак усилия в деталях решетки ферм с параллельными поясами (при этом сжатие будет обозначаться как «минус», растяжение — как «плюс»).

Стальные фермы имеют достаточно широкое применение в сфере строительства:

• перекрытия гражданских и промышленных зданий;
• перекрытия мостов;
• опоры линий электропередач;
• башни и мачты телевидения, радиовещания, связи;
• транспортные эстакады;
• грузоподъемные краны;
• гидротехнические затворы.

Существует множество различных конструкций ферм, ориентированных на различные области использования и нагрузки. Фермы разделяют на группы по нескольким признакам.

Классификация ферм по статической схеме:

• балочные (консольные, разрезные, неразрезные);
• рамные;
• арочные;
• комбинированные.

Системы ферм
а — балочная разрезная; б — неразрезная; в,е — консольная; г — арочная; д — рамная; ж — комбинированная.

Классификация ферм по очертанию поясов:

• фермы с параллельными поясами;
• треугольные;
• сегментные;
• полигональные;
• трапециевидные.

Классификация ферм по системе решетки:

• крестовые;
• раскосные;
• ромбические;
• треугольные.

Классификация ферм по способу соединения элементов в узлах:

• клепанные;
• сварные;
• болтовые.

Очертания поясов ферм
а — сегментное; б – полигональное; в – трапецеидальное; г – с параллельными поясами; д-и - треугольное

Классификация ферм по величине максимального усилия:

• легкие, с сечениями из прокатных профилей, одностенчатые;
• тяжелые, с элементами составного сечения, двухступенчатые.

Существуют комбинированные системы, занимающие промежуточное положение между балками и фермами. Как правило, они представляют собой балку, которую дополняют либо раскосы (или шпренгели) снизу, либо арка сверху. Эти элементы обеспечивают уменьшение изгибающего момента в самой балке и увеличивают общую жесткость системы.

Преимущество комбинированных систем заключается в простоте изготовления, основанной на меньшем числе элементов. Наибольшей популярностью такие фермы пользуются в конструкциях с подвижными элементами, а также в конструкциях со значительным весом.

Если требуется максимальное облегчение системы (например, в конструкциях кранов и больших пролетов), в качестве материала для ферм используются алюминиевые сплавы.

эффективность ферм повышают за счет создания в них предварительного напряжения, что повышает жесткость, но предъявляет повышенные требования к качеству соединений элементов.

Системы решетки ферм
а — треугольная; б — треугольная с дополнительными стойками; в — раскосная; с восходящими раскосами; г — раскосная с нисходящими раскосами; д — шпренгельная; е — крестовая; ж — перекрестная; и — ромбическая; к — полураскосная.