Які існують типи сталевих ферм?

Що робить сталева ферма й чому вона працює

А стальовий прогон це каркас взаємопов’язаних елементів, розташованих у вигляді трикутників, який перетворює згинні навантаження на чисте осьове розтягнення та стискання в кожному елементі. Міцна балка сприймає згин за рахунок нерівномірного розподілу напружень по поперечному перерізу — матеріал поблизу нейтральної осі майже не бере участі. Ферма ж забезпечує, щоб кожен кілограм сталі працював на розтягнення або стискання вздовж осі елемента. У результаті отримуємо конструкцію, яка може перекривати відстані, недоступні для суцільної балки такої самої ваги.

Трикутна структура, розтягнення та стискання

Трикутник — єдиний багатокутник, який не може змінити форму без зміни довжини сторін. А стальовий прогон використовує цей принцип, розбиваючи прямокутну раму на трикутники. Верхній пояс сприймає стиснення — навантаження від покрівлі, снігу та власної ваги, що діють униз. Нижній пояс сприймає розтяг — тяглове зусилля, яке запобігає розходженню ферми в опорах. Стійки та діагональні елементи (розкоси) передають навантаження між поясами. Те, які елементи працюють на розтяг або стиснення, залежить від конфігурації ферми та характеру навантаження, і саме це відрізняє один тип ферми від іншого.

Практичний приклад — покрівля складського приміщення з прольотом 40 метрів

Складське приміщення для логістичних операцій у східній частині Китаю потребувало безстовпного покрівельного прольоту завдовжки 40 метрів — будь-яка внутрішня колона перешкодила б рухові навантажувальних візків. Масивна балка потребувала б висоти перерізу близько 2 метрів, що зменшило б корисну висоту приміщення й збільшило його постійне навантаження. стальовий прогон — конфігурація Пратта з глибиною 3,2 метра — забезпечила прольот за допомогою стандартних гарячекатаних двотаврових балок. Діагоналі було орієнтовано так, щоб довші елементи сприймали розтяг (що ефективно для сталі), а коротші вертикальні елементи — стиск. Загальна вага сталі була приблизно на 40 % меншою порівняно з еквівалентним рішенням із суцільною балкою, а відкрита решітка дозволила прокласти комунікації, труби пожежної спринклерної системи та освітлення крізь ферму замість того, щоб підвішувати їх під нею.

Чотири основні типи сталевих ферм

Порівняння ферм Воррена, Пратта, Хоу та Фінка

Ферма Воррена стальовий прогон використовує рівносторонні або рівнобедрені трикутники з чергуючими діагоналями й без вертикальних елементів. Навантаження чергуються між розтягом і стиском у послідовних діагоналях. Це найпростіший у виготовленні тип ферми, оскільки довжини елементів і кути з’єднань повторюються. Ферми Воррена підходять для прольотів 15–60 метрів, де прийнятна однакова висота ферми й навантаження є симетричним.

Ферма Пратта стальовий прогон орієнтує діагоналі назовні й униз від центру до опор, що ставить довші діагоналі на розтяг, а коротші вертикальні елементи — на стиск під дією сили тяжіння. Це ефективно, оскільки сталь краще витримує розтяг, ніж стиск: довгі елементи на розтяг уникують втрати стійкості. Ферми типу Пратта придатні для прольотів 20–80 метрів і є найпоширенішим вибором для покрівель промислових будівель.

Гау стальовий прогон змінює схему Пратта: діагоналі спрямовані всередину й угору від опор, що ставить діагоналі на стиск, а вертикальні елементи — на розтяг. Менш ефективні у сталевих конструкціях (довгі елементи на стиск схильні до втрати стійкості), ферми типу Гау частіше використовуються в дерев’яних конструкціях. У сталевих фермах їх застосовують там, де підйомна сила вітру змінює звичайну схему навантаження на протилежну.

Фінк стальовий прогон ділить основний трикутник на менші трикутники, що розходяться від центру, утворюючи схожу на віяло сітку, яка зменшує довжини непідтримуваних хорд. Ферми типу «Фінк» є стандартним рішенням для житлових і легких комерційних дахів з ухилом у діапазоні 10–25 метрів — вони використовують менше сталі на квадратний метр порівняно з фермами типу «Воррен» або «Пратт» для коротких і середніх прольотів зі значним ухилом.

Вибір відповідної ферми для конкретного застосування

Проліт, навантаження, вертикальний зазор та архітектурні вимоги

Вибір ферми для стальовий прогон проекту починається з чотирьох запитань. По-перше, яка чиста довжина прольоту? Це визначає висоту ферми — зазвичай 1/10–1/15 прольоту для дахів і 1/8–1/12 прольоту для мостів. По-друге, які навантаження діють — постійне, корисне, снігове та вітрове — оскільки несиметричне навантаження може робити ферму типу «Пратт» більш доцільною, ніж типу «Воррен». По-третє, який вертикальний зазор доступний? Плоска ферма вимагає більш масивних поясів; глибока ферма може конфліктувати з інженерними системами. По-четверте, чи буде ферма видимою? Якщо ферма має архітектурне призначення стальовий прогон у громадському просторі може виправдовувати візуально привабливий варіант ферми Воррена, навіть якщо ферма Пратта є трохи ефективнішою.

Аспекти проектування, що виходять за межі типу ферми

Конструювання з’єднань, підпори та захист від корозії

А стальовий прогон є настільки ж міцною, наскільки міцними її з’єднання. З’єднання болтами з косинцями є стандартними для монтажу на місці — вони дозволяють регулювати положення й підлягають огляду. Зварні з’єднання забезпечують більшу жорсткість для ферм, виготовлених у цеху й поставлених у повному комплекті. Поперечне підкріплення — з’єднання сусідніх ферм прогонами та хрестоподібними зв’язками — запобігає випинанню окремих ферм із площини. Захист від корозії — гаряче цинкування для зовнішнього застосування відповідно до стандарту ISO 1461, розпухаючі фарби для приміщень з вимогами пожежної безпеки — має бути визначений на етапі проектування.

Поширені запитання

Які основні типи сталевих ферм?

Чотири основні стальовий прогон типи: Воррен (чергуються діагоналі, немає вертикалей), Пратт (довгі діагоналі в розтягненні під дією сили тяжіння), Гау (діагоналі в стисненні під дією сили тяжіння) та Фінк (вентилятороподібна решітка для дахів з ухилом). Кожен із цих типів оптимізує зусилля в елементах по-різному.

Чому ферма типу Пратт є найпоширенішою для промислових будівель?

Ферма Пратта стальовий прогон розміщує довші решітчасті елементи в розтягненні та коротші вертикальні елементи в стисненні під дією навантаження від сили тяжіння. Сталь краще працює на розтягнення, ніж на стиснення — довгі елементи в розтягненні уникують втрати стійкості — тому ферма типу Пратт є структурно ефективним стандартним рішенням для промислових дахів.

Який прольот може мати стальна ферма?

А стальовий прогон прольоти від 10 метрів для житлового даху з фермою типу Фінк до понад 100 метрів для глибоких ферм типу Воррен або Пратт у ангарах та стадіонах. Висота ферми збільшується зі зростанням прольоту — зазвичай від 1/10 до 1/15 прольоту для дахів.

Що краще: болтові чи зварні з’єднання?

Болтові з’єднання є стандартними для монтажу на місці стальовий прогон конструкції — вони дозволяють регулювання й підлягають огляду. Зварні з’єднання забезпечують більшу жорсткість і підходять для ферм, виготовлених у цеху та поставлених у повному комплекті. Вибір залежить від логістики виготовлення та монтажу.

Чим відрізняється ферма типу «Воррен» від ферми типу «Пратт»?

Ферма типу «Воррен» стальовий прогон використовує чергуючі діагоналі, що утворюють рівносторонні трикутники без вертикальних елементів — її легко виготовляти. Ферма типу «Пратт» має додаткові вертикальні елементи й розташовує діагоналі в зоні розтягу під дією сили тяжіння — це ефективніше для сталевих конструкцій, але трохи складніше у виготовленні.

Який захист від корозії потрібен сталевій фермі?

А стальовий прогон для зовнішнього застосування необхідне гаряче цинкування за стандартом ISO 1461 або багатошарова фарбова система. Сталеві ферми для внутрішнього застосування в сухих приміщеннях можуть потребувати лише грунту. У випадках, де потрібна вогнестійкість, застосовують інтумесцентну фарбу з вказаною товщиною сухої плівки.