Самое распространенное значение слова "ферма" – сельскохозяйственное предприятие, предназначенное для животноводства. Но сейчас речь не о месте ведения подсобного хозяйства. Здесь собрана вся информация о вероятно древнейшей строительной конструкции, которая до сих пор актуальна в современной жизни. Она имеет широкое применение в строительстве, особенно в конструировании мостов и спортивных сооружений.
Ферма – это система, состоящая из стержней, которая остается геометрически неизменной при смене ее жестких узлов шарнирными. К ней также относятся и шпренгельные балки, которые представлены комбинацией из двух- или трехпролетной неразрезанной балки и подпружной тяги.
Где используется?
Как уже упоминалось, ферма в строительстве является незаменимым элементом. С ее помощью строители облегчают конструкцию сооружения и уменьшают расход необходимых материалов. Без использования фермы не обходится строительство мостов, стадионов, ангаров, а также декоративных сооружений, таких как павильоны, сцены, подиумы и т.д.
При проектировке корпуса корабля, самолета, тепловоза расчет прочности происходит таким же способом, как и расчет нагрузки на ферму.
Классификация
Ферма – это конструкция, состоящая из стержней, которые связаны между собой в узлах и образуют статически неизменную систему. Классификация ферм может быть проведена по множеству свойств.
По грузоподъемности конструкции
- Легкие. В них используется одностенчатое сечение. Легкие фермы чаще всего используются в промышленном строительстве.
- Тяжелые. Тяжелые фермы применяются в конструкции башенных кранов, спортивных стадионов и т.д. В них используются стержни более сложного сечения, нежели в легких. Как правило, они состоят из двух-трех частей из-за большой расчетной длины и возлагаемой на них нагрузки. Чаще всего используют двухстенчатое сечение с двухплоскостным узловым сопряжением.
По общим признакам
- По назначению. По назначению фермы бывают башенные, мостовые, крановые, фермы покрытия, опорные конструкции и т.д.
- По типу материала. Дерево, сталь, алюминий, железобетон и т.д. – из всего этого может быть изготовлена строительная ферма. Это существенное достоинство данной системы. Также можно комбинировать несколько видов материала.
- По особенностям конструкции. Существуют разнообразные типы сечения, типы решетки, виды опорных конструкций, а также типы поясов строительной конструкции фермы.
По пространственному признаку
- Плоские. Фермы берут на себя вертикальную нагрузку, т.к. х стержни располагаются в одной плоскости.
- Пространственные. Распределяют нагрузку по всей своей площади. Пространственная ферма образована из множества плоских ферм, объединённых между собой особыми способами.
По типу
- Балка Виренделя.
- Ферма Уоррена.
- Ферма Пратта.
- Ферма Больмана.
- Ферма Финка.
- Треугольная ферма.
- Кингпост.
- Ферма с перекрестными подкосами.
- Решетчатая городская конструкция.
- Ферма под верхний свет.
Особенности конструкции
Классификация фермы по особенности конструкции достаточно обширна. Далее каждая из особенностей будет рассмотрена более детально.
Типы сечения
Поперечное сечение в строительной ферме выполнено из прокатных профилей. Оно может быть в виде:
- Уголка (одиночного или двойного).
- Трубы (круглой или квадратной).
- Швелера.
- Тавра или двутавра.
Типы пояса
Очертания пояса могут быть представлены в виде:
- Трапеции. Его достоинство заключается в том, что такой вид пояса ужесточает рамный узел, соответственно, вместе с ним увеличивается и жесткость здания.
- Треугольника. Такой вид пояса используют для балочных и консольных систем. Он имеет массу недостатков, таких как нерациональный расход металла при распределении нагрузки, сложность опорного узла и т.д.
- Параболы. Данный пояс является самым трудоемким. Поэтому сегментные фермы используются очень редко.
- Многоугольника. Полигональные фермы применяются чаще, чем сегментные. Т.к. в них перелом в узлах конструкции не так ощутим.
- Параллельных поясов. Чаще всего используются для покрытия промышленных зданий. Они имеют идентичную схему узлов, равные по размеру элементы решетки, также они обладают повторяемостью элементов и деталей.
Типы решетки
Существуют шесть типовых вариантов решетки:
- Треугольная.
- Ромбическая.
- Шпренгельная.
- Крестовая.
- Раскосая.
- Полураскосая.
Типы опоры
Существуют 5 видов опорных конструкций. Для того чтобы выбрать опорный узел, нужно знать схему расчёта. От нее зависит, будет ли опорный узел шарнирным или жестким. Виды опор:
- Балочная или консольная.
- Арочная.
- Вантовая.
- Рамная.
- Комбинированная.
Принцип действия
Уникальность этой конструкции заключается в ее «неизменности» под воздействием внешних факторов. Нагрузка на эту систему бывает достаточно большая. Ферма представляет собой множество объединённых в одну конструкцию треугольников. Нагрузка в них сосредоточена в месте соединения узлов, т.к. стержни лучше проявляют свои свойства в процессе сжатия-растяжения, а не на излом. В современном строительстве чаще всего используют жесткое, а не шарнирное соединение стержней. Из этого следует, что при отделении одного из них от цельной конструкции они останутся в неизменном по отношению друг к другу положении.
Принцип расчета ферм вырезанием углов
Этот способ расчета ферм является самым простым. Данный способ преподают во многих технических учебных заведениях.
Ферма – это конструкция, нагрузка на которую сосредоточена в ее узлах. Следовательно, нужно рассчитать все внешние факторы, которые будут являться нагрузкой на узлы. Затем - вычислить реакцию опоры и найти узел, в котором присутствуют 2 стержня с приложенной на них силой. Условно необходимо отделить всю остальную часть фермы и получить узел, в котором будет несколько известных значений и 2 неизвестных. Затем нужно составить равенство по двум осям и рассчитать неизвестные значения. Таким же образом выделяют следующий узел, и так до тех пор, пока ферма не будет рассчитана.
Основные типы ферм
- Балка Виренделя – это система, где все ее части образуют прямоугольные отверстия и тем самым соединяются в жесткую раму. Она по своей конструкции не подходит под строгий термин «фермы», т.к. в этой балке отсутствует пара сил. Ее разработал бельгийский инженер Артур Вирендель. Но т.к. эта конструкция достаточно массивна, ее редко можно встретить в современной архитектуре.
- Ферма Уоррена. Это упрощенная версия конструкции Пратта-Хова. Она работает по принципу сжатия-растяжения. Чаще всего выполнена из стального проката.
- Ферма Пратта. Патент на данное сооружение принадлежит отцу и сыну из Бостона. Калеб Пратт и Томас Уилсон были двумя инженерами. Они использовали сжатые части по вертикали, а растянутые - по горизонтали. Поэтому нагрузка одинаково хорошо распределяется как сверху, так и снизу.
- Ферма Больмана имеет достаточно сложную и неудобную конструкцию. Свою популярность в США данное сооружение получило из-за политических достоинств ее создателя. Изобретатель красноречиво говорил про ферму, пусть даже и не все соответствовало действительности. Больман сумел продвинуть свое изобретение с помощью американского правительства, которое порой принуждало градостроителей использовать данную конструкцию при проектировке мостов. Среди обладателей патентов строительных ферм есть немало наших соотечественников, но еще ни одна "русская" ферма не продвигалась в массы столь оригинальным способом.
- Ферма Финка является упрощенной версией фермы Больмана. Он просто укоротил все ее элементы и тем самым сделал ее более эффективной. Также она имеет схожесть с конструкцией фермы Пратта. Она отличается от нее лишь отсутствием нижней балки.
- Треугольная ферма. Также ее называют «бельгийской». Это современная конструкция, которая представлена в виде треугольников со шпренгелями.
- Кингпост - самый простой вариант фермы. Он представляет собой пару опор, опирающихся на вертикальную балку.
- Решётчатая городская структура была создана для замены огромных деревянных мостов. Она достаточно проста по своей конструкции. Для нее применяют обычные деревянные доски, присоединённые друг к другу под углом, которые, в свою очередь, образуют решетку.
