Фермы для навеса из профильной трубы: как они устроены

Навес держится на стойках, а покрытие лежит на прогонах. Между ними — то, что перекрывает пролёт: балки или фермы. Пока пролёт короткий, хватает балок из профтрубы. Когда он растёт, балке, чтобы выдержать снег, нужно всё большее сечение, и выгоднее становится ферма: металл в ней собран в двух поясах, а решётка связывает их в одну жёсткую конструкцию.

Ниже — из чего состоит ферма, когда она нужна, какой бывает под односкатный и арочный навес, что задают в расчёте, как устроены и как варятся узлы, зачем фермам связи и как их ставят. Размеры здесь не приводим: сечения труб, высоту и шаг ферм задаёт расчёт под пролёт, покрытие, снег и ветер для места стройки.

Из чего состоит ферма

• Верхний пояс. На него ложатся прогоны, а на прогоны — покрытие.
• Нижний пояс. Вместе с верхним он воспринимает изгиб от нагрузки на навес: чем дальше пояса друг от друга, тем жёстче ферма.
• Решётка — стойки и раскосы между поясами. Они связывают пояса в одну конструкцию и передают усилия от одного пояса к другому.
• Узлы — места, где решётка сходится с поясом. Опорными называют узлы, которыми ферма ложится на стойки или балку.

Если нагрузка приходит в узлы, стержни фермы в основном растягиваются или сжимаются, а не гнутся. Поэтому ферма из сравнительно лёгких труб выдерживает то, для чего сплошной балке понадобилось бы большое сечение.

У фермы, которая лежит на двух опорах, под снегом верхний пояс сжат, а нижний растянут. Но лёгкое покрытие ветер может тянуть вверх, и тогда усилия меняются местами: сжатым оказывается нижний пояс. Поэтому ферму считают на оба случая — и на снег, и на отрыв ветром.

Ферма или балка

Не каждому навесу нужны фермы. На коротком пролёте покрытие ложится на прогоны, прогоны — на балки по верху стоек, и такой каркас проще изготовить. Ферма нужна, когда балке на этом пролёте понадобилось бы слишком большое сечение. Где проходит граница для конкретного навеса, показывает расчёт: она зависит от пролёта, шага опор, покрытия и снега.

У лёгкости фермы есть своя цена — высота. Между поясами нужно место, и при той же высоте верха нижний пояс фермы опускается ниже, чем низ балки. Под навесом для машины высоту считают именно до него — как подбирают размеры навеса, рассказано в статье о навесе для машины.

Форма фермы под навес

Ферма повторяет форму крыши навеса.

• Односкатный навес. Уклон получают двумя способами. Первый — ферма с параллельными поясами на стойках разной высоты: уклон задают стойки. Второй — стойки одной высоты, а уклон даёт сама ферма: верхний пояс идёт с уклоном, нижний — горизонтально, и с одной стороны ферма выше, чем с другой.
• Арочный навес. Пояса гнут по дуге, а стойки и раскосы вваривают между ними. Профтрубу гнут на трубогибе плавно, без изломов и смятой стенки: пояс с заломом работает уже не так, как его посчитали. Радиус дуги согласуют с покрытием: сотовый лист гнётся только до предела, который указывает его производитель, — подробнее в разделе об арке.

У арки есть своя особенность: закреплённая на опорах с двух сторон, под нагрузкой она распирает их в стороны. Этот распор учитывают в расчёте стоек и опорных узлов.

Чем различаются односкатный, арочный и плоский навесы в целом, разобрано в разделе о форме навеса.

Что задают в расчёте

Ферму не подбирают на глаз и не переносят с чужого навеса: её считают под свой пролёт, своё покрытие и свой снег. До изготовления в чертеже задают:

• пролёт и шаг ферм — расстояние между опорами и между самими фермами;
• уклон или радиус дуги — по форме навеса и по покрытию;
• нагрузки — снег по СП 20 для места стройки, ветер, вес покрытия и прогонов;
• высоту фермы и схему решётки — где стоят стойки и раскосы и где получаются узлы;
• сечения поясов и решётки — пояса и решётка нагружены по-разному, поэтому сечения им подбирают отдельно;
• узлы — как решётка примыкает к поясу, как ферма опирается на стойки, как к ней крепятся прогоны и связи.

Если навес стоит у дома, снег с крыши может съезжать прямо на него, а у стены его наметает больше, чем на открытом месте. Это тоже учитывают в расчёте.

Прогоны — на узлы

Нагрузку на ферму передают в узлах: прогоны кладут на узлы верхнего пояса, а узлы для этого размечают под шаг прогонов. Если прогон лёг между узлами, верхний пояс работает уже не только на сжатие, но и на изгиб. Свод правил по стальным конструкциям, СП 16, требует в таком случае считать пояс на совместное действие продольной силы и изгиба — а с изгибом пояс нагружен сильнее, и сечение ему может понадобиться больше.

С осями стержней правило похожее: в каждом узле они сходятся в одной точке. СП 16 требует центрировать оси стержней ферм во всех узлах, а в сварных фермах — по центрам тяжести сечений. Если оси разошлись, в узле появляется изгибающий момент, и его тоже приходится учитывать в расчёте.

Шаг прогонов зависит от покрытия и снега. Под сотовый лист их раскладывают с оглядкой на ширину листа — подробнее в разделе о каркасе под сотовый лист, — а под профлист шаг берут по инструкции производителя листа. Шаг прогонов и шаг узлов верхнего пояса согласуют между собой ещё в чертеже.

Узлы из профтрубы

В фермах из профтрубы стойки и раскосы приваривают прямо к поясу, без фасонок — пластин-косынок, через которые соединяют стержни ферм из уголка. Узел получается простым и аккуратным, но нагрузку в нём принимает тонкая стенка пояса: сжатый раскос давит в неё, растянутый — тянет на себя. Поэтому СП 16 требует проверять такие узлы отдельно: стенку пояса — на продавливание в месте примыкания решётки, боковые стенки прямоугольной трубы — под сжатым раскосом, сам раскос у пояса и сварные швы.

На деле это значит, что толщину стенки пояса задаёт не только пролёт, но и узлы: трубе, которой хватило бы по общему расчёту, может не хватить в месте, где в неё упирается раскос.

Сам узел варят так:

• торец раскоса режут под угол примыкания, чтобы он плотно лёг на пояс;
• раскос обваривают по всему контуру — без незаваренных участков, куда затекает вода;
• шлак и брызги после сварки убирают, а шов проверяют до покраски — как и почему, разобрано в статье о защите от коррозии.

Связи между фермами

Отдельная ферма жёсткая только в своей плоскости. Поперёк она податлива: сжатый пояс под нагрузкой может выпучиться вбок, а ферма без раскрепления — завалиться. В пространственный каркас фермы объединяют прогоны и связи. Зачем нужны связи, СП 16 формулирует так: они объединяют плоские элементы в пространственную систему, которая воспринимает нагрузки с любого направления, раскрепляют элементы и обеспечивают их устойчивость.

Верхний пояс раскрепляют прогоны, закреплённые в его узлах. Нижний пояс от прогонов далеко, а при ветре на отрыв сжатым становится именно он, — поэтому нужны ли связи по нижним поясам и где их ставить, тоже решает расчёт. Связи бывают и между стойками: они не дают ветру раскачивать каркас вдоль навеса.

Как варят фермы

Фермы удобнее варить не на высоте, а на земле — на ровной площадке:

1. Первую ферму собирают по чертежу и проверяют: длину, высоту, положение узлов.
2. По ней выставляют упоры — шаблон, в который укладывают пояса и решётку следующих ферм. Так все фермы выходят одинаковыми, и прогоны потом ложатся на них в одной плоскости.
3. Стержни сначала прихватывают короткими швами и ещё раз проверяют размеры.
4. Затем узлы проваривают. Сварка стягивает металл, и если варить все швы подряд с одной стороны, ферму поведёт. Поэтому узлы проваривают поочерёдно, так, чтобы стягивание уравновешивалось, а после сварки снова сверяют геометрию.
5. Швы зачищают, торцы труб закрывают, ферму грунтуют и красят.

Торцы — отдельный вопрос. Труба внутри пустая, и СП 16 требует, чтобы торцы конструкций из замкнутого профиля имели заглушки; исключение сделано только для элементов под горячее цинкование. Тот же пункт прямо называет навесы среди открытых сооружений: их стальные конструкции не должны задерживать влагу и мешать проветриванию, а к ним самим должен оставаться доступ для осмотра и ремонта. Почему вода внутри трубы опасна, рассказано в разделе о воде внутри труб.

Монтаж

Фермы ставят на стойки, забетонированные ниже глубины промерзания, — почему именно так, разобрано в разделе об основании под стойками. Готовые фермы поднимают и укладывают на балки по верху стоек или прямо на стойки — как задано в чертеже опорного узла.

• Первую ферму выставляют по вертикали и сразу временно раскрепляют: пока она не связана с другими, она может завалиться.
• Следующие ставят с шагом по чертежу и сразу связывают прогонами и связями.
• Монтажные швы зачищают и красят на месте, а сбитую при монтаже краску подкрашивают.

Чек-лист ферм для навеса

1. Решено, нужны ли фермы или пролёт перекроют балки, — по расчёту.
2. Форма фермы повторяет навес: односкатный или арочный, а дуга не круче, чем позволяет лист.
3. В чертеже заданы пролёт, шаг ферм и прогонов, высота фермы, схема решётки, сечения и узлы.
4. Снег посчитан по СП 20 для места стройки, ферма проверена и на отрыв ветром.
5. Прогоны лежат на узлах верхнего пояса, оси стержней в узлах сходятся в одной точке.
6. Раскосы обварены по всему контуру, швы зачищены и проверены до покраски.
7. Все фермы собраны по одному шаблону, торцы труб закрыты заглушками.
8. Каждая ферма раскреплена сразу после установки, связи стоят по чертежу.
9. Монтажные швы и сбитая при монтаже краска подкрашены.