Решетчатые конструкции, работающие на изгиб, называются фермами. Фермы состоят из отдельных стержней, соединяющихся в узлах и образующих геометрически неизменяемую систему. Если ферма в целом работает на изгиб, то в ее конструктивных элементах возникают только продольные усилия сжатия или растяжения. Это позволяет более рационально использовать материал (металл) по сравнению, например, с балками. Фермы более экономичны по расходу металла, однако более трудоемки в изготовлении. Поэтому их применяют для перекрытия больших пролетов при относительно небольших нагрузках.

Ферма включает в себя три основных конструктивных элемента - верхний и нижний пояса и решетку, состоящую, как правило, из раскосов и стоек. Расстояние между узлами решетки фермы называется панелью, а расстояние между ее опорами - пролетом.

Фермы классифицируют по различным признакам:

по назначению - фермы мостов, покрытий (стропильные и подстропильные), транспортных эстакад, гидротехнических затворов, грузоподъемных кранов и т. д.;

по профилю очертания поясов - фермы с параллельными поясами, полигональные, арочные и треугольные. Очертание поясов фермы определяется назначением фермы и принятой конструктивной схемой всего сооружения;

по системе решетки - фермы с треугольной решеткой и треугольной с дополнительным стойками, фермы с раскосной, шпренгельной решеткой и решетками специальных типов: крестовой, ромбической, полураскосной.

Чаще всего в фермах применяют наиболее простую в исполнении треугольную решетку. Дополнительные стойки ставят тогда, когда в месте их расположения прикладываются сосредоточенные силы или возникает необходимость в уменьшении длины панели верхнего, сжатого пояса.

В раскосной решетке все раскосы имеют усилие одного знака, а все стойки - противоположного. При восходящем направлении раскосов стойки растянуты, а при нисходящем - сжаты. Шпренгельную решетку применяют в случае более частого приложения сосредоточенных сил к верхнему поясу. Крестовую решетку в фермах используют при двухсторонней нагрузке. Крестовые раскосы, как правило, проектируют из гибких элементов, которые воспринимают только растягивающие усилия, а при сжатии выключаются из работы. Благодаря этому ферму с крестовой решеткой рассчитывают как статически определимую систему.

Решетки ромбические и полураскосные применяют редко, в основном в конструкциях с большими поперечными силами.

По виду статической схемы фермы бывают неразрезными, разрезными и консольными. В зависимости от усилий в элементах фермы их разделяют на легкие и тяжелые. По конструктивному решению - на обычные, комбинированные и с предварительным напряжением.

Чаще всего используют в сечениях элементов фермы спаренные уголки. Комбинируя сечения из равнобоких и неравнобоких уголков, соединяя их малыми и большими полками, можно получить сечение, равноустойчивое в обеих плоскостях, которое хорошо работает на продольную силу.

В узлах фермы стержни соединяются при помощи листовых фасонок, хотя возможно и бесфасоночное соединение раскосов с поясами.

Фермы из открытых гнутых или гнутосварных профилей обычно на 15-20 % легче, чем фермы из парных уголков. Гнутые открытые и гнутосварные профили поставляет металлургическая промышленность, хотя в последние годы их производство организовано непосредственно на заводах металлических конструкций.

Трубчатое сечение элементов ферм, весьма рациональное по расходу металла, имеет высокую коррозионную стойкость. Однако трудоемкость изготовления таких узлов выше из-за сложности примыкания отдельных элементов друг к другу и применение их ограничено.

Тяжелые фермы с усилиями в стержнях выше 5000 кН обычно делают из прокатных или сварных двутавров (или тавров). Передачу усилий от элементов решетки к поясам осуществляют через две фасонки. Поэтому такие фермы называют двухстенчатыми.

Основные принципы конструирования сварных ферм

При конструировании фермы решается несколько задач.

В первую очередь определяется геометрическая схема и центрация узлов.

Схему фермы строят таким образом, чтобы центры тяжести сечения совпадали с осевыми линиями. В фермах со стержнями из парных уголков привязка обушков к осевым линиям берется по таблицам сортамента уголков и округляется до 5 мм.

В некоторых случаях вначале задаются габариты фермы - высота стропильных ферм по граням поясных уголков. Здесь геометрическая высота фермы на опоре будет зависеть от привязки к осям поясных уголков, уклона верхнего пояса и расстояния разбивочной оси до грани фермы.

Непременное условие - схождение осевых линий стержней в одной точке. Если это условие не будет соблюдено, то сходящиеся в узле силы не будут уравновешены, что приведет к образованию в узле дополнительного изгибающего момента, который будет изгибать сходящиеся в узле стержни. Если ферма имеет переменное сечение поясов по длине, то принимают одну осевую линию поясов в геометрической схеме и к ней привязывают обушки поясных уголков. Если пояса фермы состоят из разных сечений уголков, наружную кромку поясных уголков выдерживают на одном уровне с целью облегчения устройства стыков и укладки элементов кровли. Следят за тем, чтобы смещение центров тяжести поясов с оси не превышало 5 % высоты пояса. В противном случае необходимо учитывать моменты, возникающие в узлах.

При последующей разработке рабочих чертежей (КМД) длины стержней фермы в геометрической схеме определяются с точностью до 1 мм.

После определения геометрической схемы определяется конструкция промежуточных узлов. Последовательность компоновки таких узлов следующая. Сначала к намеченным осевым линиям привязываются поясные уголки, что позволяет определить положение торцов стержней решетки к узлам. С целью уменьшения сварочных напряжений в узлах и, как следствие, трещин, торцы стержней решетки не доводят до поясов на 40-50 мм. Затем рассчитывают длину швов, прикрепляющих стержни в узле. По длине сварных швов определяют размеры фасонки. Стержни решетки приваривают к фасонкам фланговыми швами. Продольная сила воспринимается швами пера и обушка, длина которых обратно пропорциональна расстоянию от центра тяжести уголка до его краев.

Принципы расчета сварных ферм

При расчете ферм придерживаются следующей последовательности: определяют нагрузку на ферму и рассчитывают узловые силы: определяют расчетные усилия во всех стержнях фермы и подбирают их сечения; рассчитывают и конструируют соединения, узлы и детали.

Нагрузками, действующими на стропильную ферму, являются:

постоянные нагрузки от веса кровли и собственного веса несущих конструкций покрытия; временные нагрузки от снега;

прочие нагрузки от подвесного транспорта, подвесного потолка, подвесных трубопроводов и т. д.