Ферменная конструкция

Ферменная конструкция — это стержневая система, остающаяся геометрически неизменяемой после условной замены её жёстких узлов шарнирными. В строительной механике и сопротивлении материалов фермой называют решётчатую конструкцию, состоящую из прямолинейных стержней, соединённых между собой в узлах. Основное отличие фермы от рамы заключается в том, что в стержнях фермы при действии нагрузки, приложенной в узлах, возникают только продольные усилия (растяжение или сжатие), а изгибающие моменты и поперечные силы отсутствуют или пренебрежимо малы. Это свойство позволяет значительно экономить материал по сравнению с балками сплошного сечения, особенно при больших пролётах.

История

Ранние прототипы

Первые конструкции, напоминающие фермы, появились ещё в античности. Древнеримские строители использовали деревянные треугольные системы для перекрытия больших пролётов в базиликах и мостах. Однако теоретическое обоснование работы ферм отсутствовало, и конструкции часто оказывались избыточно массивными.

Развитие в XVIII–XIX веках

Научный подход к расчёту ферм начал формироваться в эпоху промышленной революции. В 1847 году американский инженер Сквайр Уиппл опубликовал работу, в которой впервые систематически описал расчёт ферм методом вырезания узлов. В 1862 году немецкий учёный Август Риттер предложил метод моментных точек (метод Риттера), позволяющий определять усилия в стержнях без полного расчёта всей системы. В этот же период были разработаны классические схемы: фермы Пратта, Уоррена, Хау и Больмана. Широкое применение ферм в мостостроении и промышленном строительстве началось с появлением доступного прокатного металла (чугуна, а затем стали).

XX век и современность

В XX веке с развитием авиации и космонавтики ферменные конструкции стали применяться в каркасах самолётов, дирижаблей и ракет. Появились пространственные фермы, позволяющие создавать большепролётные покрытия стадионов, выставочных павильонов и ангаров. В современной архитектуре фермы часто используются не только как несущий элемент, но и как эстетический приём, подчёркивающий индустриальный стиль.

Классификация

Ферменные конструкции классифицируются по нескольким признакам.

По назначению

• Мостовые фермы — предназначены для восприятия временных нагрузок (транспорт, пешеходы) и постоянных (собственный вес).
• Строительные фермы — используются в качестве несущих элементов покрытий (кровельные фермы) и перекрытий.
• Башенные фермы — применяются в опорах линий электропередачи, радиомачт, телебашен.
• Транспортные фермы — входят в состав кранов, экскаваторов, мостовых перегружателей.

По статической схеме

• Балочные фермы — опираются на две опоры и работают на изгиб.
• Консольные фермы — защемлены одним концом.
• Арочные фермы — имеют криволинейное очертание верхнего пояса, работают преимущественно на сжатие.
• Рамные фермы — жёстко соединены с колоннами, образуя раму.
• Вантовые фермы — подвешены на гибких элементах (вантах).

По очертанию поясов

• С параллельными поясами — просты в изготовлении, применяются в перекрытиях и мостах малых пролётов.
• Полигональные (многоугольные) — верхний пояс имеет ломаное очертание, что позволяет снизить расход металла.
• Треугольные — классический тип для кровельных ферм, обеспечивает хороший сток воды.
• Трапециевидные — компромисс между треугольными и параллельными.

По типу решётки

• Треугольная решётка — наиболее жёсткая, состоит из раскосов и стоек.
• Раскосная решётка — раскосы идут под углом, стойки могут отсутствовать.
• Крестовая решётка — раскосы пересекаются, часто применяется в башнях.
• Ромбическая решётка — образует ромбовидные ячейки, обеспечивает высокую пространственную жёсткость.

По материалу

• Деревянные фермы — исторически первые, применяются в малоэтажном строительстве и сельском хозяйстве.
• Металлические фермы — из стали, алюминия или чугуна, наиболее распространены в промышленном и гражданском строительстве.
• Железобетонные фермы — монолитные или сборные, используются в мостах и покрытиях зданий.
• Комбинированные фермы — сочетают разные материалы (например, стальные пояса и деревянные раскосы).

Устройство и расчёт

Основные элементы

Любая ферма состоит из:

• Верхнего и нижнего поясов — горизонтальных или наклонных элементов, воспринимающих основные продольные усилия.
• Решётки — системы раскосов и стоек, соединяющих пояса и обеспечивающих геометрическую неизменяемость.
• Узлов — мест соединения стержней. В идеальной расчётной схеме узлы считаются шарнирными, хотя в реальных конструкциях они часто выполняются жёсткими (сварными или болтовыми).

Принцип работы

В ферме все внешние нагрузки должны быть приложены в узлах. В этом случае каждый стержень испытывает только осевое растяжение или сжатие. Это позволяет использовать профили малого сечения, так как материал работает на полную прочность без изгиба. Для расчёта усилий применяются методы:

• Метод вырезания узлов — последовательное рассмотрение равновесия каждого узла.
• Метод сечений (Риттера) — мысленное рассечение фермы и составление уравнений моментов.
• Метод замены стержней — для сложных статически неопределимых систем.

Особенности проектирования

При проектировании ферм учитывают:

• Устойчивость сжатых стержней — необходимо проверять на продольный изгиб.
• Деформативность — прогибы фермы не должны превышать нормативных значений.
• Усталостная прочность — для конструкций, работающих под циклическими нагрузками (мосты, краны).
• Коррозионная стойкость — для металлических ферм, эксплуатируемых на открытом воздухе.

Применение

Строительство

Ферменные конструкции широко применяются в:

• Промышленных зданиях — для перекрытия цехов с пролётами до 100 м и более.
• Спортивных сооружениях — стадионы, крытые арены, бассейны.
• Мостах — железнодорожные, автодорожные, пешеходные.
• Высотных сооружениях — телебашни (Останкинская телебашня в Москве), мачты сотовой связи, опоры ЛЭП.
• Ангарах и складах — быстровозводимые конструкции.

Транспорт и машиностроение

• Железнодорожные краны — ферменные стрелы обеспечивают лёгкость и жёсткость.
• Самолёты — ферменные фюзеляжи применялись в бипланах начала XX века, в современных лёгких самолётах.
• Космическая техника — ферменные конструкции используются в развёртываемых антеннах, солнечных батареях и переходных отсеках.

Архитектура

В современной архитектуре фермы часто выполняют декоративную функцию. Примеры: атриум Гостиного двора в Москве, крыша стадиона «Лужники», выставочный центр «Экспоцентр».

Интересные факты

• Самая длинная в мире ферменная конструкция — мост «Акаси-Кайкё» в Японии (пролёт 1991 м), хотя он является висячим, а его жёсткая балка выполнена в виде фермы.
• В России первые металлические фермы были применены при строительстве Николаевского моста (ныне Благовещенский) в Санкт-Петербурге в 1850 году.
• Ферменные конструкции могут быть не только плоскими, но и пространственными (например, сетчатые оболочки).

Критика и ограничения

Основные недостатки ферм:

• Трудоёмкость изготовления — большое количество сварных или болтовых соединений.
• Пожароопасность — металлические фермы при нагреве теряют несущую способность, требуют огнезащиты.
• Коррозия — особенно в агрессивных средах (химические производства, морские сооружения).
• Эстетика — не все архитектурные стили допускают открытые ферменные конструкции.

Источники

1. Строительная механика: учебник для вузов / Под ред. А. В. Перельмутера. — М.: Издательство АСВ, 2012.
2. Металлические конструкции: учебник / Под ред. В. В. Кузнецова. — М.: Стройиздат, 2001.
3. История развития мостостроения / Б. И. Овсянкин. — СПб.: Политехника, 2005.
4. Фермы и решётчатые конструкции / Л. В. Енджиевский. — М.: Инфра-Инженерия, 2018.
5. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. — М.: Госстрой СССР, 1986.