Для каких объектов проектируют металлические фермы
Фермы металлические — несущие конструкции покрытия, перекрывающие пролёты от 6 до 36 м и более, — применяются в составе каркаса промышленных зданий, складских комплексов, спортивных сооружений, торгово-выставочных центров, транспортных галерей, ангаров, навесов и козырьков. Ферма состоит из верхней и нижней частей (поясов), связанных решёткой из раскосов и стоек — все элементы работают преимущественно на продольные усилия (сжатие или растяжение), без изгибающих моментов в узлах при шарнирной расчётной схеме. Выбор очертания фермы — треугольное для скатных кровель с уклоном 10–30°, полигональное для большепролётных покрытий с переломом поясов в узлах, параллельных поясов для плоских кровель с разуклонкой по верху, арочное для сооружений с криволинейным контуром — продиктован архитектурным замыслом здания и схемой приложения нагрузок. Расчётное сопротивление стали по пределу текучести для поясов ферм принимается по СП 16.13330 с учётом класса конструкции — для ответственных растянутых элементов первого класса (сжатые и растянутые стержни решётки) коэффициент надёжности по материалу γm = 1,025, для второго класса (сжатые пояса) γm = 1,050.
Изготовление металлических ферм ведётся из горячекатаных уголков (одинарных или парных для поясов и раскосов), гнутосварных профилей прямоугольного сечения (60×40×3–160×160×8), двутавров колонных и балочных для поясов мощных ферм под крановые нагрузки, швеллеров для связевых элементов. Соединения стержней решётки с поясами выполняются в узлах на фасонках толщиной 8–20 мм сварными швами катетом 6–14 мм либо на высокопрочных болтах с фрезерованными опорными поверхностями — выбор типа узла определяется категорией конструкции по СП 16.13330 и требованиями к монтажной сборке. Металлические фермы под заказ разрабатываются с привязкой к конкретному шагу колонн, снеговому и ветровому району, технологическим нагрузкам от подвесного транспорта, инженерного оборудования и кровельного пирога. Для пролётов свыше 18 м фермы изготавливаются отправочными марками длиной 9–12 м с монтажным стыком на площадке — стык поясов выполняется на высокопрочных болтах с накладками, решётка — на сварке с последующим контролем швов УЗК.
Проблемы при проектировании и заказе несущих ферм для здания
Основная сложность — ошибочный выбор статической схемы и сечения элементов без учёта устойчивости сжатых раскосов из плоскости фермы. Фермы металлические рассчитываются по стержневой модели с шарнирами в узлах — фактически в узлах на фасонках с жёсткой приваркой раскосов к поясу возникает изгибающий момент 3–8 % от осевого усилия в стержне. Если при расчёте не выполнен поверочный расчёт жёсткости узла с учётом фактических эксцентриситетов — для фермы пролётом 24 м из парных уголков 125×10 с шагом узлов 3 м моменты в раскосах на опорных панелях достигают 0,8–1,5 тс·м, что увеличивает гибкость раскоса на 15–25 % и снижает запас по устойчивости первой формы потери на 10–20 %. Раскосы, не прошедшие поверку по деформированной схеме, при снеговой нагрузке 240 кг/м² могут потерять местную устойчивость стенки на фасонке (выпучивание стенки уголка наружу с прогибом 2–5 мм) через 2–3 зимних сезона. Изготовление металлических ферм с расчётом узлов в программном комплексе, моделирующим фактические жёсткости соединений (SCAD, ЛИРА-САПР, Tekla), — исключает принятие ошибочной стержневой модели и гарантирует работу решётки в упругой стадии при всех сочетаниях нагрузок.
Дополнительная проблема — деформации отправочных марок при сварке в заводских условиях из-за неравномерного нагрева поясов и решётки. Изготовление металлических ферм — последовательная приварка раскосов и стоек к поясу: сварной шов катетом 8–12 мм по каждой стороне раскоса 100–150 мм длиной с продольной усадкой 0,3–0,8 мм на узел. Для фермы с 14–20 узлами суммарная усадка по нижнему поясу может составить 8–16 мм — если верхний пояс имеет меньшее количество сварных точек или сваривается в другой последовательности, разность усадок создаёт выгиб вверх (обратный строительный подъём) величиной 20–60 мм. Фермы металлические с неконтролируемым выгибом при установке на опоры дают стрелу подъёма 30–80 мм вместо проектной 10–20 мм — зазор под кровельные прогоны корректируется подкладками. Сварка ферм в кондукторе с фиксацией поясов и натяжением вниз на величину проектного строительного подъёма, послойная последовательность наложения швов от центра к краям, нормирование катета шва по толщине свариваемых деталей — уменьшают усадочную деформацию и обеспечивают геометрию отправочной марки в пределах допуска ±5 мм на длине 12 м.
Что не учитывают при заказе металлических ферм
Первый скрытый аспект — габариты и масса отправочных марок при перевозке к стройплощадке. Фермы для промышленных зданий пролётом 18–30 м изготавливаются отправочными марками длиной 9–12 м (стандартная длина кузова тягача с прицепом — 13,6 м). Для фермы пролётом 24 м с высотой пояса 2,5–3,0 м масса отправочной марки достигает 3–8 т — для погрузки и выгрузки требуется автокран грузоподъёмностью 25–50 т. Если завод-изготовитель не согласовал схему погрузки и разгрузки до отгрузки и не подготовил такелажные петли или отверстия под стропы — строповка за раскосы фермы (приварка временных рым-гаек к стенке уголка) может смять стенку раскоса сечением 70×6 мм при усилии на стропе 1–2 тс. Деформированный раскос в узле с проектной несущей способностью — снижение расчётной нагрузки на 15–25 % без визуально заметного повреждения. Фермы металлические под заказ должны поставляться с чертежом строповки, указанием мест захвата (точки с усилением рёбрами или отверстия под траверсу) и схемой размещения на ложементах в кузове — эти меры исключают деформацию раскосов при транспортировке и перегрузке на стройплощадке.
Второй скрытый фактор — необходимость антикоррозионной защиты внутренних поверхностей замкнутых профилей, используемых в поясах и раскосах ферм. Металлические фермы из гнутосварных профилей прямоугольного сечения — внутренняя полость профилей поясов и части раскосов остаётся незащищённой после сварки: дробеструйная обработка и окраска возможны только снаружи. После сборки и сварки в торцах фермы образуются замкнутые полости объёмом от 20 до 100 литров на одну ферму — в них при перепадах температур конденсируется влага, за зиму накапливается 2–8 литров воды, которая замерзает и расширяется, деформируя стенки профиля толщиной 4–6 мм изнутри. Повторяющиеся циклы замораживания-оттаивания за 5–7 лет увеличивают сечение профиля на 1–3 мм и снижают несущую способность пояса на сжатие до 15 %. Чтобы этого избежать, фермы для промышленных зданий оснащаются глушками (заварными пластинами 10–14 мм) на всех открытых концах поясов и дренажными отверстиями диаметром 6–8 мм с нижней стороны каждой замкнутой полости. Кроме того, на стадии заказа целесообразно предусмотреть инертный газ (азот или аргон) для вытеснения влажного воздуха из замкнутых полостей перед глушением — стоимость продувки одной фермы — 300–800 руб., что предотвращает коррозию изнутри на весь срок эксплуатации.
Третий скрытый момент — разница в расчётной и реальной жёсткости узлов при использовании болтовых монтажных соединений. Фермы металлические с монтажными стыками на высокопрочных болтах — стык поясов на накладках с фрезерованными контактными поверхностями (класс шероховатости Rz ≤ 40 мкм). При затяжке болтов М20–М24 усилием 24–34 тс фрезерованные поверхности накладок и пояса деформируются в зоне контакта на 0,02–0,05 мм — для болтового пакета из 8–12 болтов осадка узла (смятие накладки) составляет 0,3–0,8 мм. Для фермы с двумя монтажными стыками (по одному на каждом поясе) осадка болтовых узлов добавляет 0,6–1,6 мм к прогибу фермы под нагрузкой — при расчётном прогибе 40–60 мм это 1–3 % дополнительной деформации, укладывающейся в допуск. Если же накладки не фрезерованы, а контакт по необработанной поверхности проката (Rz 160–320 мкм) — смятие контактных поверхностей достигает 0,2–1,0 мм на стык, и дополнительный прогиб возрастает до 2–6 мм (3–10 % от нормы). Для больших пролётов (24–36 м) с несколькими монтажными стыками неучтённая деформация болтовых узлов может вывести фактический прогиб за пределы предельного по СП 20.13330. Заказ ферм с требованием фрезеровки контактных поверхностей накладок и контролем натяжения болтов динамометрическим ключом с записью момента — гарантирует, что болтовые стыки не добавят неучтённых деформаций к прогибу покрытия.
Решение от ВОЗВЕДЕНИЕ для заказчиков металлических ферм
ООО «ВОЗВЕДЕНИЕ» (Тольятти) проектирует и изготавливает металлические фермы для объектов Самарской области и ЦФО под задачи заказчика — от одиночных изделий до серийных партий десятки и сотни штук. Для каждого заказа: расчётная схема с учётом жёсткости узлов в программном комплексе, подбор сечения поясов и решётки с проверкой устойчивости из плоскости и гибкости, ведомость отправочных марок с указанием длины, массы и способа строповки, карта сварки с катетами швов по толщине и последовательностью наложения для минимизации усадки, спецификация временных и монтажных болтовых соединений с классами прочности и моментами затяжки. Производственные этапы — правка проката на роликовой машине, раскрой по картам гильотинными ножницами или плазменной резкой, сборка узлов на фасонках в кондукторах с фиксацией геометрии поясов, сварка в последовательности от центра к краям с наложением швов не более двух слоёв за подход, контрольная сборка каждой первой отправочной марки на стенде. Пояса из замкнутых профилей глушатся с двух сторон с установкой дренажных проколов.
Для стропильных ферм треугольного очертания с пролётом 12–24 м применяют парные уголки по нижнему поясу и тавровое сечение из швеллера с пером по верхнему — устойчивость сжатого верхнего пояса из плоскости фермы в такой конструкции обеспечивается прогонами кровли с шагом 1,5–3 м, что снижает расчётную длину верхнего пояса в 5–8 раз. Для ферм с параллельными поясами пролётом 24–36 м — из гнутосварных прямоугольных профилей с безфасоночными узлами — стыковка секций в монтаже выполняется на вставках из трубы большего сечения с наружным диаметром на 20–30 мм больше диаметра пояса, что увеличивает жёсткость стыка и исключает неравномерность передачи усилия через фланцевое соединение. Маркировка каждой отправочной марки включает позиционный номер, массу, центр тяжести для строповки и схему узлов примыкания — исключает ошибки при укрупнительной сборке на стройплощадке и ускоряет выверку положения фермы в осях колонн.
Металлические фермы под заказ поставляются с паспортом качества на каждую отправочную марку, включающим замер геометрии по узловым точкам, толщину швов выборочным УЗК (10 % сварных соединений), толщину антикоррозионного покрытия и акт замеров габаритов для транспортировки. Работаем в формате генподряда на покрытие здания — с разработкой КМД, доставкой и монтажом — и субподряда по изготовлению металлических ферм по чертежам КМД строительной организации. Принимаем объекты, где предыдущий поставщик допустил брак: несовпадение отверстий узловых фасонок, прогиб ферм после сварки более L/250, отсутствие глушения замкнутых полостей — перепроектируем узлы и изготавливаем фермы с контрольной сборкой на стенде. Лицензия МЧС № 63-06-2021-026584 и допуск СРО рег. № СС-СЧ-6324093743-1585-18 — основания для поставки ферм на объекты с особыми требованиями к несущим конструкциям. Как резидент технопарка «Жигулёвская долина» (запись № ЖД.0279.2018), сопровождаем корректировку раздела КМ и прохождение экспертизы промышленной безопасности.
Для заказчиков, размещающих повторяющийся заказ на типовые стропильные фермы в рамках типового проекта, предусмотрена репликация чертежей КМД с корректировкой исходных данных под район строительства — снеговой район, ветровой напор, расчётная температура. Стоимость повторного применения документации — 20–40 % от стоимости первичной разработки КМД, что для заказа партии 30–50 идентичных ферм сокращает бюджет проектных работ на 80–120 тыс. руб. Привязка типовой серии ферм к конкретной площадке включает пересчёт нагрузок по СП 20.13330 для заданного района, корректировку длины опорных частей по фактическому шагу колонн, назначение антикоррозионной защиты по классу коррозионной активности среды.
