Предварительный расчет навеса из профильной трубы, инструкция по изготовлению ферм. Сбор нагрузок от снега

Поликарбонат - идеальный материал для Он позволяет получить легкое сооружение с прозрачной кровлей, через которую проникает солнечный свет. Как правило, каркас выполняют из профилированных труб. Чтобы все сооружение было долговечным, необходимо правильно произвести расчет

Из чего состоит каркас

Перед началом расчета навеса необходимо четко понимать, из каких элементов он состоит. А их всего несколько.

Стойки, как уже понятно из названия, являются теми элементами, на которых лежит весь навес. Как правило, это высотой 2,2-2,8 метра. Высота ее зависит от способа крепления. Если она крепится анкерами к закладной, забетонированной в земле, то высота ее берется 2,2 метра. В случаях если стойка забетонирована или закопана, то высота берется 2,8 метра.

Для укрепления навеса служат арки и фермы. Последних чаще всего устанавливают две. А вот точное количество арок подскажет только проведенный расчет навеса. Данное значение зависит от габаритов сооружения.

Ферма - элемент конструкции, соединяющий и лаги.

Листы поликарбоната крепятся к элементам конструкции, которые называются направляющими. Для этого используются термошайбы. Их расположение и частота шага зависят от расстояния между несущими опорами и (его толщины).

Этапы монтажа навеса

Для того чтобы правильно провести расчет навеса из профильной трубы, нелишним будет понимание всего процесса в целом. Состоит он из нескольких этапов. На закрепленные стойки крепятся арки. При этом угол между ними должен быть точно девяносто градусов. Образующиеся в результате этого секции крепятся к закладным анкерами. К этим же опорам крепятся фермы. Угол между фермами и арками также прямой (то есть девяносто градусов). Заключительный этап изготовления каркаса - фиксация направляющих. Они крепятся к верхней части арок. На этом каркас готов. После его покраски можно закреплять поликарбонатные листы.

Ошибки строительства, которые следует учитывать при расчете

Строительство навесов зачастую выполняют с ошибками. Они затрагивают не только выбор типа конструкции, но и проведенный вследствие этого расчет

Распространенная ошибка - выбор наклонного навеса. Зачастую делают сооружение на двух столбах и наклонненное в наветренную сторону. Это далеко не самый лучший вариант для постоянного пользования (к примеру, для стоянки автомобиля). Опасность поджидает в том случае, если ветер изменит направление. Навес в таком случае можно сравнить с крылом самолета. Между ним и землей образуется подъемная сила, которая с легкостью может снести навес. Даже если будет четыре столба, это не всегда спасет.

Наклонные навесы подходят для ситуаций, когда конструкция пристраивается к зданию. Свободно стоящие наклонные навесы необходимо делать с закруглениями. Причем выпуклую часть ориентируют «навстречу» ветру.

Виды навесов

В зависимости от опорных элементов выделяют несколько видов навесов:

• Стоящие отдельно. У них по всему периметру устанавливают вертикальные опоры.

• Балочно-опорные, которые по одной стороне крепятся к зданию. У них одна сторона держится за счет опорных столбов. Вторая же ложится на балку, прикрепленную к стене здания.

• Консольно-опорные. Отличаются от предыдущего вида тем, что здесь к стене крепятся кронштейны или закладные.

• Консольные, которые держатся полностью за счет закладных. Обычно это небольшие козырьки над дверью.

Расчет навеса каждого вида проводится по разным схемам.

Типы навесов

По своей конструкции навесные сооружения могут быть трех типов:

• Односкатные, у которых кровля наклонена в одну сторону.

• Двускатные с двумя направлениями ската.

• Арочные, у которых кровля выполнена в форме полукруга (дуги).

Сбор данных

Расчет навеса из профильной трубы необходимо начинать со сбора необходимой информации. Она должна включать в себя следующие данные:

• Характеристики материала.

• Назначение сооружения.

• Форма конструкции.

• Данные о ветровых и снеговых нагрузках (они представлены в специальных таблицах для каждого конкретного региона).

Расчет навеса проводится с учетом описанных выше сведений. Он включает формулы и вычисления. Разобраться в них не каждый сможет. Оптимальный вариант - воспользоваться специальными программами и калькуляторами. На сегодняшний день их предостаточно в сети Интернет.

Козырьки над входом консольные

Навесы консольного типа зависят от размеров крыльца. В соответствии с требованиями нормативных документов, площадка перед дверью должна быть больше ширины двери в полтора раза. Средняя ширина двери составляет 0,9 метра. Получается, что минимальный размер верхней площадки равен 1,35 м (0,9 х 1,5 = 1,35). Это значение приравнивается к рекомендуемой глубине навеса.

Что касается ширины козырька, то здесь все просто. Она делается на 0,6 метра больше, чем ширина двери. С каждой стороны козырек должен выступать по 0,3 метра.

Таким нехитрым способом рассчитываются навесы. Расчет конструкции при стандартных значениях приводит к следующему результату: глубина - 0,9-1,35 м, ширина - 1,4-1,8 м.

Консольно-опорные навесы над дверью

Данные виды козырьков устраиваются над всей площадкой с захватом ступенек. Расчет глубины навеса над площадкой рассчитывается аналогично предыдущему варианту. К нему добавляется часть, находящаяся над ступенями. Она напрямую зависит от их количества. Для каждой ступеньки добавляется порядка 0,25-0,32 м.

Ширина зависит от ширины лестницы, по обе стороны от которой добавляется по 0,3 метра. Если стандартная ширина ступеней перед дверью 0,8-1,2 метра, то получаем ширину навеса 1,1-1,5 метра.

Рассмотрим вариант с лестницей из трех ступеней и площадки стандартных размеров. Глубина будет составлять порядка 1,65-2,31 метра (0,9 + 3 х 0,25 или 1,35 + 3 х 0,32). Ширина при тех же условиях - 1,4-1,8 метра. Рассчитывается она так: 0,8 + 0,3 + 0,3 или 1,2 + 0,3 + 0,3. Два варианта расчетов рассматривают минимальное и максимальное значение стандартных параметров.

Односкатные навесы, примыкающие к зданию

Расчет односкатного навеса, который одной стороной прилегает к дому, проводится с минусом половины вертикальных опор. Еще один важный момент: стыки листов должны быть над профилем. Это значит, что между профилями должно сохраняться расстояние 1260, 2050 или 2100 миллиметров, соответствующее размеру листа поликарбоната. Средняя ширина навеса составляет три метра. При таком размере достаточно места даже для автомобиля. На поликарбонат на такой ширине будет прогибаться. Ему необходима стропильная система.

Для начала проводится расчет материала. Навес, пристроенный к дому, при таких размерах будет иметь шесть вертикальных стояков. Они все расположены будут по одной стороне. Если сооружение будет отдельно стоящим, то опор необходимо в два раза больше (то есть двенадцать, по шесть с каждой стороны). Для каждой стропильной ноги устанавливается опора.

Односкатный отдельно стоящий навес

Расчет отдельно стоящего сооружения должен учитывать нагрузку, которую несут осадки. Конструкция будет максимально жесткой, если она выполнена в форме треугольника.

Расчет навеса проводится с учетом условно принятых значений. При 2,1 х 0,6 м, ширину кровли принимают равной шести метрам, а длину - 10,6 метра. Наиболее оптимальный вариант: высота ската 2,4 метра и 11 стропильных секций. В такой ситуации потребуется шесть профилей (стандартной длиной по шесть метров). Можно вместо одиннадцати сделать всего два треугольника. Это позволит сократить количество израсходованных материалов. Данный вариант подходит для регионов со средним количеством осадков.

Расчет двухскатного навеса

Принцип расчет аналогичен односкатным сооружениям. Главное - добиться жесткости конструкции. И делается это за счет тех же треугольников. Их оптимальное количество рассчитывается следующим образом. Каждый погонный метр навеса делится вертикальным профилем. Получившийся прямоугольник делится на два треугольника.

Расчет арочных конструкций

Навесы арочного типа являются наиболее сложными сооружениями. Потребность в материале находится в прямой зависимости от выпуклости крыши. Это значит, что чем круче выпуклость, тем больше материалов придется потратить.

Сэкономить в данном случае можно только на стропильной системе. При рассмотренных ранее размерах навеса (10,6 х 6 метров) достаточно будет двух-трех систем (две по краям, одна посередине). Остальные «ноги» будут представлять собой дуги. Их концы соединять необязательно. Металлический профиль, который используется для изготовления фермы, достаточно прочен. Его будет достаточно для обеспечения необходимой жесткости. Главное, чтобы ферма прочно крепилась к стоякам.

Если с такими размерами делать арочный навес (к примеру, для автомобиля), то понадобятся следующие материалы:

Шесть профилей, изогнутых в форме дуги, с длиной шесть метров. Концы трех из них соединяются перемычкой. Рекомендуется их также разделить на несколько треугольников для увеличения жесткости конструкции.

Для каждой дуги необходимо по две опоры (под каждый край). То есть всего их нужно двенадцать (2 х 6).

По краям, по столбам и вдоль кровли крепятся продольные балки. Всего их потребуется шесть.

Расчет основных элементов конструкции

Расчет сечения трубы для навеса зависит от высоты самой конструкции и количества столбиков. Если размер сооружения не превышает пяти метров, труба выбирается с сечением 6-8 сантиметров. При больших размерах количество стояков должно быть увеличено. Чтобы этого не делать, можно выбрать профиль с большим сечением. К примеру, 10 сантиметров.

Размер обрешетки будет зависеть от толщины поликарбоната и размера навеса. Если лист пластика имеет толщину один сантиметр, а навес имеет размеры 6 х 8 метров, то обрешетка будет собираться с шагом в один метр. Данные значения находятся в соответствии с нагрузками. Для этого существуют специальные таблицы, которые учитывают величину нагрузки и толщину поликарбоната. Пример данной таблицы можно посмотреть на фотографии ниже. Она разработана для поликарбоната с толщиной шесть, восемь, десять и шестнадцать миллиметров.

Расчет арочного навеса предполагает вычисление ферм и их количества. Именно размеры ферм определяют ширину всего навеса. Для их определения необходимо знать следующую информацию:

• Размеры фермы.

• Размер материала (поликарбоната).

• Сопротивление металла.

• Способ крепления элементов (сваркой, болтовой и так далее).

• Значение нагрузок (в соответствии с нормативными документами).

• Стальные конструкции по СНиП.

Размер навеса выбирают в соответствии с размером материалов. Если лист поликарбоната имеет шесть метров в длину, то его либо используют целиком, либо режут на две части. Конечно, порезать можно и на большее количество частей. Но это приведет к образованию отходов. Таким образом, крыша будет либо шестиметровой, либо трехметровой. Длина может выбираться любая, в зависимости от личных предпочтений.

X

Y

Z

Ширина материала козырька – позволяет определить ширину необходимого покровного материала для накрытия полукруглого козырька или навеса. С помощью функции расчета этого параметра можно подобрать оптимальные размеры козырька для максимального использования материала заводских размеров. Зная площадь козырька, Вы сможете приобрести ровно столько материала для накрытия конструкции сколько нужно и не переплачивать за излишки. Обратите внимание, что калькулятор подсчитывает параметры только кровельного материала для козырька и не рассчитывает чего и сколько нужно для изготовления каркаса и его крепления (металлопрофиль, доска, бетон, метизы).

X – ширина козырька – это расстояние между его крайними точками по фасаду. Для защиты от осадков ширину козырька необходимо выбирать немного больше размера входной двери. Если есть возможность, следует делать козырек на всю ширину крыльца с запасом по 500 мм с каждой стороны. Однако следует помнить, чем больше поверхность навеса, тем больше зимой на ней будет снега, а значит, конструкция должна быть надежной. Выбирая ширину козырька необходимо учитывать СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия».

Y – высота козырька (имеется ввиду значение высоты сегмента полукруглого козырька, а не уровень установки относительно порога дома), чем больше этот параметр, тем больше расход материала для накрытия.

Z – длина козырька – расстояние от фасада может быть разным, в зависимости от Ваших пожеланий и архитектуры дома. Минимальное значение длины для защиты от осадков составляет 700 мм. Можно ориентироваться на размеры крыльца с небольшим запасом. Обратите внимание, если длина навеса превышает 2000 мм, то под свободный край необходимо ставить дополнительные опоры.

Отметив пункт «Черно-белый чертеж» Вы получите чертеж, приближенный к требованиям ГОСТ и сможете его распечатать, не расходуя зря цветную краску или тонер.

Результаты расчета и их использование:

Ширина материала козырька – позволяет определить ширину необходимого покровного материала для накрытия полукруглого козырька или навеса. С помощью функции расчета этого параметра можно подобрать оптимальные размеры козырька для максимального использования материала заводских размеров. Рассчитав площадь козырька, Вы сможете приобрести ровно столько материала для арки навеса, сколько нужно и не переплачивать за излишки. Обратите внимание, что калькулятор подсчитывает параметры только кровельного материала для дуги навеса и не рассчитывает чего и сколько нужно для изготовления каркаса и его крепления (металлопрофиль, доска, бетон, метизы). При желании можно указать высоту равную маленькому числу, что позволит рассчитать плоский навес.

Чтобы разобраться, как рассчитать навес из поликарбоната, нужно четко представить себе конструкцию и составить план или чертеж постройки. По большому счету поликарбонатные панели – это всего лишь покрытие, определяющее общую площадь, но, помимо этого, еще есть стойки и стропильная система. Кроме того, в числе необходимых материалов будут соединительные, угловые и торцевые профили, крепежный материал и (возможно) освещение. Важно просчитать каждую деталь, чтобы получить прочное и долговечное строение.

Какие параметры учесть при расчете поликарбоната для навеса

Гнутая крыша на садовом участке

Обратите внимание, что по прочности поликарбонат намного превышает аналогичные характеристики стекла (в 200 раз), пластика и поливинилхлорида. Но не все панели можно гнуть, поэтому следует учитывать их структуру (листы с треугольными ячейками не гнут).

Выбор поликарбоната по толщине

Прежде всего, чтобы сделать расчет навеса из поликарбоната, нужно учитывать возможную механическую нагрузку (снег, ветер), от которой зависит толщина панелей. Для монолитных панелей толщина составляет 2, 3, 4, 5, 6. 8, 10 и 12 мм, их называют «антивандальными», так как листы сложно разбить механическим способом.

Разница в структуре ячеистого поликарбоната

Сотовая структура подразумевает не только толщину, но и конфигурацию ячейки:

• SX – это пятислойный 25-миллимнетровый лист с наклонными ребрами жесткости. Толщина также может быть 32 мм. Панели с треугольными ячейками не подходят для гнутых крыш;
• SW – лист тоже состоит из пяти слоев, только соты имеют вид прямоугольника (ребра расположены вертикально). Толщина составляет от 16 до 20 мм;
• 3X – лист имеет 3 слоя, толщина составляет 16 мм, а ребра жесткости регулируются по плотности:
• 3H – делают из 3-х слоев с прямоугольной структурой. Панель выпускают по 6, 8 и 10 мм;
• 2H – самый простой лист с квадратными ячейками. Листы делают по 4, 6, 8 и 10 мм.

Монолитный стандартный лист поликарбоната

Толщина поликарбоната сотовой структуры изменяется только по 2 мм. То есть, если самый тонкий ячеистый лист имеет 4 мм, а самый толстый 32 мм, то все промежуточные размеры будут кратными двум.

Размеры листового поликарбоната по периметру

Стандартный расчет навеса из поликарбоната монолитного типа делают по размерам 3050×2050 мм. При желании можно договориться с производителем об изменении периметра панели, но спецзаказ, как правило, стоит дороже.

Стандартный размер ячеистого поликарбоната

Стандарты для ячеистого поликарбоната варьируются по двум параметрам, это 210×600 см и 210×1200 см. Длинные листы удобно использовать для широких навесов, например, на коллективных автостоянках с гнутыми крышами, где стыки делаются только по боковым граням. Также по заказу на заводе нарезают от 1 м до 9 м, но это только для цветных панелей.

Существует также профилированный лист, где толщина не превышает 1,2 мм, но, благодаря волне, высота которой достигает 5 см, увеличивается прочность и легко осуществляется сток осадков. Стандартная ширина составляет 126 см, а длина – 224 см.

Профилированные (волнистые) листы поликарбоната

Расчет материалов по видам навесов и типам крыш

Чтобы сделать расчет навеса из профнастила, поликарбоната или любого другого материала, нужно учесть конфигурацию крыши и вид поддерживающего каркаса. Такие навесы делают трех видов – односкатные, двускатные и гнутые (овальные). Наиболее сложный – гнутый тип, но вся проблема заключается только в изготовлении, но не в эксплуатации.

Односкатные навесы с примыканием к дому

В тех случаях, когда одна сторона каркаса держится на стене дома, расчет навеса из прямоугольной трубы будет с минусом половины вертикальных опор. То есть, одна сторона обрешетки держится на стене здания. В любом случае на стыках листов должен быть профиль, следовательно, расстояние между ними выдерживают 126 см, 210 см или 205 см, но это не означает, что вся обрешетка состоит только из этих профилей.

Одна сторона прикреплена к стене дома

В любом случае ширина крыши должна соответствовать параметрам автомобиля и это не менее 3 м, чтобы оставался свободный проход. Но такая длина профиля вызовет его деформацию (прогиб), а этого следует избегать, следовательно, для навеса придется сделать стропильную систему.

При расчете навеса к дому понадобится 6 вертикальных опор – только с одной стороны, если же конструкция будет автономной, то стояков потребуется в два раза больше – 12 штук. Принцип здесь заключается в следующем – для каждой стропильной ноги следует устанавливать опоры с двух сторон, но если одна сторона крепится к зданию, то и стояки там не нужны.

Кроме того, по длине устанавливают балки, и для 6-метровой ширины их понадобится 6 штук – 2 по краям свесов, 2 по столбам и 2 в средине крыши. Если длина навеса составляет 10,5 м, то 10,5*6=63 м или 63/6=11 штук профилей. Торцы сотового поликарбоната глушат торцевым профилем.

Чертеж с размерами для односкатной постройки

Расчеты отдельно стоящего навеса

Чтобы рассчитать навес во дворе, следует учесть не только его ширину и длину, но и количество осадков, выпадающих зимой. Дело в том, что снег оказывает сильную механическую нагрузку и ее придется каким-то способом сдерживать. Наиболее оптимальным вариантом для придания жесткости каркасу является треугольник – это единственная геометрическая фигура, не предусматривающая люфта.

Для расчетов берут условную ширину крыши 6 м, длину 10,6 м и поликарбонат шириной 2100×600 мм. Стропила можно делать из трубного профиля 60×40 мм или из деревянной доски 100×50 мм. Конечно, металлический профиль лучше древесины и срок его эксплуатации практически не имеет ограничений в обозримом будущем.

Принцип стропильной конструкции

На чертеже вверху показана конструкция, где верхняя часть ската имеет 240 см, а стропильное устройство состоит из 11 треугольников – это самый оптимальный вариант. Учитывая тот факт, что металлические профили обычно имеют 6 м в длину, ширина получится немного меньше, но для каждой стропильной ноги потребуется 6 профилей с учетом вертикальных и наклонных перемычек. Всего понадобится 6 стропил и 5 листов поликарбоната.

Конечно, можно сэкономить на металле и сделать всего 2 треугольника, как это показано на верхней фотографии. В таком случае расчет каркаса навеса сократится как минимум на 2 профиля для каждой стропильной ноги, но если их 6 штук, то это уже 12 профилей. Впрочем, для среднего количества осадков этого вполне достаточно – рассчитать односкатный навес можно и в бюджетном режиме, экономя на металле.

Односкатная автономная конструкция

Двускатные навесы для автомобилей

Для двускатных крыш расчет металлического каркаса навеса очень похож на односкатные, то есть, жесткость создается теми же треугольниками. Такие навесы, как правило, делают для больших автостоянок, ширина которых превышает 6 м, то есть, там есть возможность для парковки нескольких автомобилей или автобусов.

Принцип установки поликарбоната не изменяется – на каждом стыке должен быть профиль и в данном случае это стропильные ноги. Количество треугольников напрямую влияет на жесткость конструкции – чем их больше, тем лучше. Наиболее оптимальный вариант заключается в следующем – каждый погонный метр разделяется вертикальным профилем, и эта фигура делится по диагонали на два треугольника.

Принцип монтажа двускатного навеса

Чтобы сделать расчет металлического навеса, нужно сразу определить размеры крыши, и для примера можно рассмотреть такой же вариант 10,6×6 м. Для покрытия здесь тоже потребуется 5 листов, но их придется резать пополам, соединяя в центре коньковым профилем. Количество металлических вертикальных опор в два раза больше количества стропил, если их 6 штук, то стояков потребуется 12.

Продольных балок здесь нужно больше – 7 штук – добавляется коньковая балка. Итого:

• 2 профиля по краям свесов;
• 2 по столбам;
• 2 между опорами и коньком;
• 1 – на конек.

Схема двускатной постройки

Если перевести продольные балки в штуки, то 10,5*7/6=12,25 или 13 шестиметровых профилей. Сечение для таких балок одинаковое со стропилами (обычно, это 60×40 мм), а вот для стояков используют трубу 80-100 мм или трубный профиль аналогичного сечения.

Преимущество для двускатной крыши заключается в том, что расчет металлоконструкций навеса получится более экономным. Две стропильные ноги с перемычкой уже представляют собой треугольник, который можно разделить на две части посредине. В результате подучатся две фигуры с горизонтальными (нижними) сторонами по 3 м.

Расчет материалов на изогнутый навес

Расчет навеса с изогнутой крышей своими силами сделать сложнее, так как здесь многое зависит от ее выпуклости, то есть, чем круче изгиб, тем больше расходуется материалов. Но исходить можно из тех же размеров: 10,5 м в длину и 6 м в ширину, хотя ширина здесь сократится за счет изгиба.

Изогнутый навес для автомобиля

Явное преимущество такой конструкции заключается в экономии материала при сборке стропильной системы. Для заданных размеров можно обойтись только двумя или тремя стропильными системами, по краям и посредине – все остальные ноги просто делают в форме дуги без нижней перемычки, как на фотографии. Изогнутый металлический профиль, закрепленный на двух опорах, сам по себе представляет жесткую фигуру и вопрос здесь только в хорошем креплении стояков.

В данном случае расчет навеса для автомобиля будет состоять из 6 гнутых шестиметровых профилей, два или три из которых снабжаются перемычкой и делятся на несколько треугольников. Опоры тоже потребуются под каждую дугу, значит, их будет 12 штук. Продольных балок достаточно 6 штук:

• 2 по краям свесов;
• 2 по столбам;
• 2 вдоль крыши.

Четеж арочного навеса

В общей сложности получится 12*10,5/6=21 и еще 4 профиля для перемычек.

Вполне естественно, что для более узких навесов материала расходуется меньше, но здесь важно учитывать длину поликарбоната. То есть, если работать с 6-метровыми листами, то их следует использовать либо целиком, либо резать пополам, чтобы не было отходов. В таком случае крыша получится 6 м или 3 м шириной, а длину уже корректируют по необходимости.

В итоге можно сказать, что самый экономный расчет навеса получится с крышей гнутого типа, хотя это наиболее сложный вариант. Тем не менее, в таких конструкциях можно сэкономить на металлических профилях, так что выгода здесь очевидна.

При возникновении сложностей в процессе расчетов можно воспользоваться специальными программами и услугами профессионалов.

Расчёт металлоконструкций стал камнем преткновения для многих строителей. На примере простейших ферм для уличного навеса мы расскажем, как правильно рассчитать нагрузки, а также поделимся простыми способами самостоятельной сборки без использования дорогостоящего оборудования.

Общая методология расчёта

Фермы применяют там, где использовать цельную несущую балку нецелесообразно. Эти конструкции отличаются меньшей пространственной плотностью, при этом сохраняют устойчивость воспринимать воздействия без деформаций благодаря правильному расположению деталей.

Конструкционно ферма состоит из внешнего пояса и заполняющих элементов. Суть работы такой решётки довольно проста: поскольку каждый горизонтальный (условно) элемент не может выдержать полную нагрузку ввиду недостаточно большого сечения, два элемента располагаются на оси главного воздействия (силы тяжести) таким образом, чтобы расстояние между ними обеспечивало достаточно большое сечение поперечного среза всей конструкции. Ещё проще можно объяснить так: с точки зрения восприятия нагрузок ферму рассматривают так, будто она выполнена из цельного материала, при этом заполнение обеспечивает достаточную прочность, исходя лишь из расчётного приложенного веса.

Конструкция фермы из профильной трубы: 1 — нижний пояс; 2 — раскосы; 3 — стойки; 4 — боковой пояс; 5 — верхний пояс

Такой подход крайне прост и зачастую его с лихвой хватает для сооружения простых металлоконструкций, однако материалоёмкость при грубом расчёте получается крайне высокой. Более подробное рассмотрение действующих воздействий помогает снизить расход металла в 2 и более раз, такой подход и будет наиболее полезным для нашей задачи — сконструировать лёгкую и достаточно жёсткую ферму, а потом собрать её.

Основные профили ферм для навеса: 1 — трапециевидный; 2 — с параллельными поясами; 3 — треугольный; 4 — арочный

Начать следует с определения общей конфигурации фермы. Обычно она имеет треугольный или трапециевидный профиль. Нижний элемент пояса располагают преимущественно горизонтально, верхний — под наклоном, обеспечивающим правильный уклон кровельной системы . Сечение и прочность элементов пояса при этом следует выбирать близкими к таким, чтобы конструкция могла поддерживать свой собственный вес при имеющейся системе опоры. Далее производится добавление вертикальных перемычек и косых связей в произвольном количестве. Конструкцию нужно отобразить на эскизе для визуализации механики взаимодействия, указав реальные размеры всех элементов. Далее в дело вступает её величество Физика.

Определение сочетанных воздействий и реакции опоры

Из раздела статики школьного курса механики мы возьмём два ключевых уравнения: равновесия сил и моментов. Их мы будем применять, чтобы вычислить реакцию опор, на которые положена балка. Для простоты вычислений опоры будем считать шарнирными, то есть не имеющими жёстких связей (заделки) в точке касания с балкой.

Пример металлической фермы: 1 — ферма; 2 — балки обрешётки; 3 — кровельное покрытие

На эскизе нужно предварительно отметить шаг обрешётки системы кровли, ведь именно в этих местах должны находиться точки сосредоточения приложенной нагрузки. Обычно именно в точках приложения нагрузки и размещаются узлы схождения раскосов, так проще выполнить расчёт нагрузки. Зная общий вес кровли и число ферм в навесе, нетрудно вычислить нагрузку на одну ферму, а фактор равномерности покрытия определит, равны ли будут приложенные силы в точках сосредоточения, или же они будут отличаться. Последнее, к слову, возможно, если в определённой части навеса один материал покрытия сменяется другим, имеется проходной трап или, например, зона с неравномерно распределённой снеговой нагрузкой. Также воздействие на разные точки фермы будет неравномерным, если её верхняя балка имеет скругление, в этом случае точки приложения силы нужно соединить отрезками и рассматривать дугу как ломанную линию.

Когда все действующие усилия проставлены на эскизе фермы, приступаем к вычислению реакции опоры. Относительно каждой из них ферму можно представить не иначе как рычаг с соответствующей суммой воздействий на него. Чтобы вычислить момент силы в точке опоры, нужно умножить нагрузку на каждую точку в килограммах на длину плеча приложения этой нагрузки в метрах. Первое уравнение гласит, что сумма воздействий в каждой точке и равняется реакции опоры:

• 200 · 1,5 + 200 · 3 + 200 · 4,5 + 100 · 6 = R 2 · 6 — уравнение равновесия моментов относительно узла а , где 6 м — длина плеча)
• R 2 = (200 · 1,5 + 200 · 3 + 200 · 4,5 + 100 · 6) / 6 = 400 кг

Второе уравнение определяет равновесность: сумма реакций двух опор будет в точности равна приложенному весу, то есть зная реакцию одной опоры, можно легко найти значение для другой:

• R 1 + R 2 = 100 + 200 + 200 + 200 + 100
• R1 = 800 - 400 = 400 кг

Но не ошибитесь: здесь также действует правило рычага, поэтому если ферма имеет существенный вынос за одну из опор, то и нагрузка в этом месте будет выше пропорционально разнице расстояний от центра масс до опор.

Дифференциальный расчёт усилий

Переходим от общего к частному: теперь необходимо установить количественное значение усилий, действующих на каждый элемент фермы. Для этого перечисляем каждый отрезок пояса и заполняющие вставки списком, затем каждый из них рассматриваем как сбалансированную плоскую систему.

Для удобства вычислений каждый соединительный узел фермы можно представить в виде векторной диаграммы, где векторы воздействий пролегают по продольным осям элементов. Всё, что нужно для вычислений — знать длину сходящихся в узле отрезков и углы между ними.

Начинать нужно с того узла, для которого в ходе вычисления реакции опоры было установлено максимально возможное число известных величин. Начнём с крайнего вертикального элемента: уравнение равновесия для него гласит, что сумма векторов сходящихся нагрузок равна нулю, соответственно, противодействие силе тяжести, действующей по вертикальной оси, эквивалентно реакции опоры, равной по величине, но противоположной по знаку. Отметим, что полученное значение — лишь часть общей реакции опоры, действующая для данного узла, остальная нагрузка придётся на горизонтальные части пояса.

Узел b

• -100 + S 1 = 0
• S 1 = 100 кг

Далее перейдём к крайнему нижнему угловому узлу, в котором сходятся вертикальный и горизонтальный сегменты пояса, а также наклонный раскос. Сила, действующая на вертикальный отрезок, вычислена в предыдущем пункте — это давящий вес и реакция опоры. Сила, действующая на наклонный элемент, вычисляется по проекции оси этого элемента на вертикальную ось: из реакции опоры вычитаем действие силы тяжести, затем «чистый» результат делим на sin угла, под которым раскос наклонён к горизонтали. Нагрузка на горизонтальный элемент находится также путём проекции, но уже на горизонтальную ось. Только что полученную нагрузку на наклонный элемент мы умножаем на cos угла наклона раскоса и получаем значение воздействия на крайний горизонтальный сегмент пояса.

Узел a

• -100 + 400 - sin(33,69) · S 3 = 0 — уравнение равновесия на ось у
• S 3 = 300 / sin(33,69) = 540,83 кг — стержень 3 сжат
• -S 3 · cos(33,69) + S 4 = 0 — уравнение равновесия на ось х
• S 4 = 540,83 · cos(33,69) = 450 кг — стержень 4 растянут

Таким образом, последовательно переходя от узла к узлу, необходимо вычислить действующие в каждом из них силы. Обратите внимание, что встречно направленные векторы воздействий сжимают стержень и наоборот — растягивают его, если направлены противоположно друг от друга.

Определение сечения элементов

Когда для фермы известны все действующие нагрузки, пора определяться с сечением элементов. Оно не обязательно должно быть равным для всех деталей: пояс традиционно выполняют из проката более крупного сечения, чем детали заполнения. Так обеспечивается запас надёжности конструкции.

где: F тр — площадь поперечного сечения растянутой детали; N — усилие от расчётных нагрузок; R y γ с

Если с разрывающими нагрузками для стальных деталей всё относительно просто, то расчёт сжатых стержней производится не на прочность, а на устойчивость, так как итоговый результат количественно меньше и, соответственно, считается критическим значением. Рассчитать можно на онлайн-калькуляторе, а можно и вручную, предварительно определив коэффициент приведения длины, определяющий, на какой части общей протяжённости стержень способен изгибаться. Этот коэффициент зависит от метода крепления краёв стержня: для торцевой сварки это единица, а при наличии «идеально» жёстких косынок может приближаться к 0,5.

где: F тр — площадь поперечного сечения сжатой детали; N — усилие от расчётных нагрузок; φ — коэффициент продольного изгиба сжатых элементов (определяется по таблице); R y — расчётное сопротивление материала; γ с — коэффициент условий работы.

Также нужно знать минимальный радиус инерции, определяемый как квадратный корень из частного от деления осевого момента инерции на площадь сечения. Осевой момент определяется формой и симметрией сечения, лучше взять это значение из таблицы.

где: i x — радиус инерции сечения; J x — осевой момент инерции; F тр — площадь сечения.

Таким образом, если разделить длину (с учётом коэффициента приведения) на минимальный радиус инерции, можно получить количественное значение гибкости. Для устойчивого стержня соблюдается условие, что частное от деления нагрузки на площадь поперечного сечения не должно быть меньше произведения допустимой сжимающей нагрузки на коэффициент продольного изгиба, который определяется значением гибкости конкретного стержня и материалом его изготовления.

где: l x — расчётная длина в плоскости фермы; i x — минимальный радиус инерции сечения по оси x; l y — расчётная длина из плоскости фермы; i y — минимальный радиус инерции сечения по оси y.

Обратите внимание, что именно в расчёте сжатого стержня на устойчивость отображена вся суть работы фермы. При недостаточном сечении элемента, не позволяющем обеспечить его устойчивость, мы вправе добавить более тонкие связи, изменив систему крепления. Это усложняет конфигурацию фермы, но позволяет добиться большей устойчивости при меньшем весе.

Изготовление деталей для фермы

Точность сборки фермы крайне важна, ведь все расчёты мы проводили методом векторных диаграмм, а вектор, как известно, может быть только абсолютно прямым. Поэтому малейшие напряжения, возникающие вследствие искривлений из-за неправильной подгонки элементов, сделают ферму крайне неустойчивой.

Сначала нужно определиться с размерами деталей внешнего пояса. Если с нижней балкой всё достаточно просто, то для нахождения длины верхней можно воспользоваться либо теоремой Пифагора, либо тригонометрическим соотношением сторон и углов. Последнее предпочтительно при работе с такими материалами, как угловая сталь и профильная труба. Если угол ската фермы известен, его можно вносить как поправку при подрезке краёв деталей. Прямые углы пояса соединяются подрезкой под 45°, наклонные — путём добавления к 45° угла наклона с одной стороны стыка и вычитанием его же с другой.

Детали заполнения вырезают по аналогии с элементами пояса. Основная загвоздка в том, что ферма — изделие строго унифицированное, а потому для её изготовления потребуется точная деталировка. Как и при расчёте воздействий, каждый элемент нужно рассматривать индивидуально, определяя углы схождения и, соответственно, углы подреза краёв.

Довольно часто фермы изготавливают радиусными. Такие конструкции имеют более сложную методику расчёта, но большую конструкционную прочность, обусловленную более равномерным восприятием нагрузок. Изготавливать скругленными элементы заполнения смысла нет, а вот для деталей пояса это вполне применимо. Обычно арочные фермы состоят из нескольких сегментов, которые соединяются в местах схождения заполняющих раскосов, что нужно учитывать при проектировании.

Сборка на метизах или сваривание?

В заключение было бы неплохо обозначить практическую разницу между способами сборки фермы свариванием и с помощью разъёмных соединений. Начать следует с того, что сверление в теле элемента отверстий под болты или заклёпки практически не влияет на его гибкость, а потому на практике не учитывается.

Когда речь зашла о способе скрепления элементов фермы, мы установили, что при наличии косынок длина участка стержня, способного изгибаться, существенно сокращается, за счёт чего можно уменьшить его сечение. В этом преимущество сборки фермы на косынках, которые крепятся сбоку к элементам фермы. В таком случае особой разницы в методе сборки нет: длины сварочных швов будет с гарантией достаточно, чтобы выдержать сосредоточенные напряжения в узлах.

Если же сборка фермы производится стыкованием элементов без косынок, здесь нужны особые навыки. Прочность всей фермы определяется наименее прочным её узлом, а потому брак в сваривании хотя бы одного из элементов может привести к разрушению всей конструкции. При недостаточном навыке ведения сварочных работ рекомендуется провести сборку на болтах или заклёпках с использованием хомутов, угловых кронштейнов или накладных пластин. При этом крепление каждого элемента к узлу должно осуществляться не менее чем в двух точках.

Навес простой конструкцией не назовешь, поэтому, прежде чем закупить определенное количество материала, понадобится точная смета. Опорное каркасное сооружение должно будет «пережить» любые нагрузки. Любые осадки, сильный ветер завалят навес, если расчеты будут неверными.

Поэтому для профессионального расчета понадобится помощь инженера – проектировщика, который подсчитает действие снеговой нагрузки, рассчитает фермы и предоставит вам чертежи навеса. Рассчитать навес еще сложнее, когда он представляет собой отдельную конструкцию, а не пристройку к дому.

Так как уличная упрощенная кровля состоит из столбов, лаг, ферм и покрытия, то считать придется именно эти материалы.

Столбы

При расчете этих опорных элементов учитывается высота нашего навеса и количество столбиков для опоры. Например, при планировании конструкции в 2-5 метров используется толстая труба от 60 до 80мм в сечении. Если размеры навеса получаются большими, то, как вариант, чтобы количество столбов не увеличивать применяют трубу 100х100мм

Обрешетка

Расстояние между профилями обрешеточного полотна рассчитывается из параметров нагрузки и подбора сечений.

Расчет нагрузки на фермы каркаса и опорную конструкцию поможет вам сделать ваш навес более устойчивым даже в зимний период, когда нагрузка от мокрого снега может достигать в 3, 5 тонн.

Ферма из профильной трубы

Если запланировали арочный навес, то без ферм вам не обойтись. Фермы — конструкции, связывающие лаги и столбы опоры, именно они определяют ширину и размеры навеса.

Навесы из металлических ферм строить посложнее, чем любой каркас. Зато, если вы правильно смонтируете эту конструкцию, все будет очень надежным. Правильный каркас распределяет нагрузку по столбам опоры и лагам, предупреждая разрушение навесной конструкции.

Фермы изготавливаются почти всегда из профилированной трубы, которая считается самой прочной и лучше всего подходит для установки поликарбоната на обрешетку. Форма конструкции ферм может быть различной, как и ее размеры.

Самый главный расчет ферм – это учет материала и уклона.

Например, для односкатного навеса с небольшим уклоном используется асимметричная форма фермы, если угол конструкции небольшой, то использовать можно фермы трапециевидной формы. Чем больше радиус арочной структуры, тем меньше вариантов, что на кровле снег будет задерживаться. Поэтому будет большая несущая способность фермы.

Для расчета иногда применяются специальные программы, не обойтись в этом случае и без калькулятора.

Задумываясь о том, как построить навес, полезно рассмотреть готовые схемы изготовления по фото; там же можно посмотреть примерные расчеты для любой формы навеса.

Примерный расчет для настила высотой до 4 метров

Если вы выбрали простую форму навеса домиком с шириной 6 на 8 метров, то вам расчеты будут следующим:

1. Шаг между опорными столбами (стойками) с торца 3 метра, на боковой стороне 4 метра.
2. Количество столбов из металлической трубы 8 штук.
3. Высота ферм под стропами 0,6 метра.
4. Обрешетка крыши: профильные трубы 12 штук с размерами 40х20х0,2.

Иногда можно сэкономить, уменьшая количество материала. Например, вместо шести стоек установить четыре. Можно и сократить количество ферм или уменьшить каркасную обрешетку. Только не желательно допускать потерю жесткости, так как это приведет к разрушению конструкции.