Ферменные конструкции¶

Ферменные конструкции — это стержневые системы, образующие геометрически неизменяемую решётчатую несущую конструкцию, в которой все элементы работают преимущественно на растяжение или сжатие. Отличительной особенностью ферм является шарнирное соединение стержней в узлах, что при идеализированной расчётной схеме исключает возникновение изгибающих моментов в элементах. Фермы широко применяются в строительстве, машиностроении и авиастроении для перекрытия больших пролётов, восприятия значительных нагрузок при относительно малом собственном весе.

¶История

Первые прототипы ферменных конструкций появились в античные времена. Древнеримские строители использовали деревянные фермы для перекрытия базилик и амфитеатров. Однако теоретическое обоснование работы ферм было разработано лишь в XIX веке с развитием строительной механики.

В 1847 году американский инженер Уильям Хау запатентовал деревянную ферму с раскосной решёткой, получившую широкое распространение при строительстве железнодорожных мостов. В 1850-х годах немецкий инженер Карл Кульман разработал графический метод расчёта ферм (силовой многоугольник), что позволило проектировать более сложные системы.

В России первые металлические фермы начали применяться в середине XIX века при строительстве мостов. Значительный вклад в развитие теории расчёта ферм внёс русский инженер и учёный Дмитрий Иванович Журавский, который в 1855 году опубликовал работу «О мостах раскосной системы Гау». В XX веке с появлением сварных соединений и высокопрочных сталей ферменные конструкции стали массово использоваться в промышленном и гражданском строительстве.

¶Классификация

Ферменные конструкции классифицируются по нескольким признакам.

¶По назначению

• Строительные фермы — применяются для перекрытия зданий, сооружений, мостов.
• Машиностроительные фермы — используются в конструкциях кранов, экскаваторов, подъёмников.
• Авиационные фермы — применяются в каркасах самолётов, дирижаблей.

¶По материалу

• Деревянные фермы — исторически первые, используются в малоэтажном строительстве и для временных сооружений.
• Металлические фермы — изготавливаются из стали или алюминиевых сплавов, наиболее распространены в современном строительстве.
• Железобетонные фермы — применяются в мостостроении и промышленных зданиях.
• Комбинированные фермы — сочетают элементы из разных материалов, например, металлические пояса и деревянную решётку.

¶По очертанию поясов

• С параллельными поясами — простейший тип, часто используется в балочных перекрытиях.
• Полигональные (ломанные) — с изменяющимся углом наклона верхнего пояса, применяются для большепролётных мостов.
• Треугольные — с одним или двумя скатами, характерны для кровельных конструкций.
• Сегментные (арочные) — с криволинейным верхним поясом, обеспечивают высокую несущую способность.

¶По типу решётки

• Треугольная решётка — наиболее жёсткая и экономичная, состоит из раскосов и стоек.
• Раскосная решётка — раскосы расположены под углом 45–60° к поясам, без вертикальных стоек.
• Крестовая решётка — раскосы пересекаются, образуя крест, используется в мостах.
• Ромбическая решётка — образует ромбовидные ячейки, применяется в фермах с большими пролётами.

¶Устройство и принцип работы

Ферменная конструкция состоит из следующих основных элементов:

• Верхний и нижний пояса — продольные элементы, воспринимающие основные изгибающие моменты.
• Раскосы — наклонные стержни, передающие усилия между поясами.
• Стойки — вертикальные стержни, соединяющие пояса.
• Узлы — места соединения стержней, в идеализированной схеме — шарнирные.

В расчётной схеме фермы все узлы считаются идеальными шарнирами, а стержни — прямолинейными и работающими только на осевые усилия (растяжение или сжатие). Это позволяет упростить расчёт: для определения усилий в стержнях используется метод вырезания узлов или метод сечений (Риттера). В реальных конструкциях узлы часто выполняются жёсткими (сварными или болтовыми), что приводит к появлению небольших изгибающих моментов, но для практических расчётов этим эффектом обычно пренебрегают.

Основное преимущество ферм перед балками — равномерное распределение материала по длине конструкции. В балке максимальные напряжения возникают в середине пролёта, а в ферме усилия распределяются по всем стержням, что позволяет снизить общий вес конструкции при сохранении несущей способности.

¶Применение

Ферменные конструкции находят применение в различных областях.

¶Строительство

• Промышленные здания — фермы используются для перекрытия цехов, ангаров, складов с пролётами до 60–100 метров.
• Мосты — металлические и железобетонные фермы применяются в железнодорожных и автомобильных мостах. Например, в России ферменные мосты широко использовались при строительстве Транссибирской магистрали.
• Спортивные сооружения — стадионы, крытые арены (например, «Лужники» в Москве имеют ферменные конструкции перекрытия).
• Выставочные павильоны — большепролётные фермы позволяют создавать безопорные пространства.

¶Машиностроение

• Башенные краны — ферменные стрелы и башни обеспечивают лёгкость и прочность.
• Мостовые краны — ферменные пролётные строения.
• Экскаваторы — стрелы и рукояти часто выполняются в виде ферм.

¶Авиастроение

• Каркасы самолётов — в первых летательных аппаратах (например, «Илья Муромец» И. И. Сикорского) использовались деревянные ферменные конструкции.
• Дирижабли — жёсткий каркас дирижаблей (например, «Цеппелин») представлял собой пространственную ферму из алюминиевых сплавов.

¶Примеры известных конструкций

• Эйфелева башня (Париж, 1889) — ажурная металлическая ферма высотой 300 метров, спроектированная Гюставом Эйфелем. Конструкция представляет собой пространственную ферму, работающую на ветровые нагрузки.
• Мост «Золотые Ворота» (Сан-Франциско, 1937) — висячий мост с ферменным жёстким пролётным строением.
• Крытый стадион «Крестовский» (Санкт-Петербург, 2017) — раздвижная крыша выполнена в виде пространственных ферменных конструкций.
• Останкинская телебашня (Москва, 1967) — хотя основная несущая конструкция — железобетонная, в её составе используются металлические ферменные элементы для антенных сооружений.

¶Интересные факты

• Ферменные конструкции часто используются в архитектуре как декоративный элемент, например, в стиле хай-тек.
• Самая длинная ферменная конструкция в мире — мост «Пон-де-Норманди» (Франция) с длиной пролёта 856 метров.
• В строительстве деревянных ферм применяются специальные зубчатые пластины (Mitek), которые позволяют быстро соединять элементы без гвоздей.
• В России в 2010-х годах получили распространение лёгкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК), которые по сути являются ферменными системами из холодногнутых профилей.

¶Источники

1. СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия».
2. Строительная механика: учебник для вузов / А. В. Дарков, Н. Н. Шапошников. — М.: Высшая школа, 2008.
3. Металлические конструкции: учебник / под ред. Ю. И. Кудишина. — М.: Академия, 2010.
4. Деревянные конструкции: учебное пособие / В. В. Филимонов. — М.: Стройиздат, 2005.
5. История мостостроения России / Е. А. Гибшман. — М.: Транспорт, 1995.