Как рассчитать строительство навеса

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.

Расчет фермы. Как рассчитать ферму

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 = R2 · 6 — уравнение равновесия моментов относительно узла а, где 6 м — длина плеча)
• R2 = (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:

• R1 + R2 = 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

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) · S3 = 0 — уравнение равновесия на ось у
• S3 = 300 / sin(33,69) = 540,83 кг — стержень 3 сжат
• -S3 · cos(33,69) + S4 = 0 — уравнение равновесия на ось х
• S4 = 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: Fтр — площадь поперечного сечения растянутой детали; N — усилие от расчётных нагрузок; Ry — расчётное сопротивление материала; γс — коэффициент условий работы.

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: Fтр — площадь поперечного сечения сжатой детали; N — усилие от расчётных нагрузок; φ — коэффициент продольного изгиба сжатых элементов (определяется по таблице); Ry — расчётное сопротивление материала; γс — 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: ix — радиус инерции сечения; Jx — осевой момент инерции; Fтр — 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: lx — расчётная длина в плоскости фермы; ix — минимальный радиус инерции сечения по оси x; ly — расчётная длина из плоскости фермы; iy — 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.

Источник: www.rmnt.ru

Навес из профильной трубы – виды, расчёты и монтаж

Навес из профильной трубы уместен для обустройства крыльца, зоны отдыха, автостоянки или игровой площадки. Такая конструкция относится к категории быстровозводимых и выглядит довольно эстетично. Рассмотрим, какие существуют типы навесов. Подробно опишем этапы их возведения – от создания проекта и расчёта необходимых материалов до монтажа каркаса и отделки.

Особенности навесов

Навес из профиля – это конструкция, представляющая собой крытую площадку. Она может иметь разную форму и размер. Данное сооружение используется для защиты от негативных внешних воздействий.

Каркас для навеса из металлопрофиля – выигрышное решение. Данный материал устойчивый к негативным внешним воздействиям, долговечен и способен выдерживать значительные нагрузки. Подобные сооружения просты в проектировании и монтаже, что также имеет экономическую выгоду.

Конструкция навеса из профильной трубы подразумевает наличие следующих элементов:

• Фундамент. Обычно столбчатый из-за невысокой стоимости и простоты монтажа.
• Опоры. Представляют собой вертикальные несущие элементы.
• Подвесы. Формируют горизонтальную часть каркаса.
• Откосы. Являются боковыми соединяющими элементами.
• Стропильная система. Формируется из стропил, обрешётки, ферм.
• Кровля. Изготавливается из поликарбонатных листов, профилированного настила.

Навес из профтрубы формируется из разного набора несущих и дополнительных элементов. Все зависит от его функций, размера, конфигурации, предполагаемых нагрузок.

Стропильные системы покрытий значительного размера формируются с использованием ферм. Они состоят из двух горизонтальных труб, которые соединены между собой вертикальными (стояками) и наклонными (раскосами) элементами. Фермы придают конструкции необходимую пространственную жёсткость и несущую способность.

Сфера применения

Изготовление навесов из металлопрофиля не занимает много времени и сил. Поэтому подобные конструкции отличаются широкой сферой применения:

• летние кафе;
• автомобильные стоянки;
• входные группы для различных категорий зданий;
• зоны отдыха;
• детские, игровые и спортивные площадки;
• зоны хранения для различного оборудования и инвентаря.

Классификация

Крытые площадки принято разделять на несколько типов в зависимости от вида опорной и стропильной системы.

Тип опоры

Виды навесов из металлопрофиля по виду опор:

• Пристроенные. Пристраиваются несущим стенам здания. Конструкция подразумевает наличие дополнительных опор. Такие сооружения подходят для обустройства террас, входных групп, автостоянок.

• Консольные. Конструкции не имеют опор и закрепляются на стене здания. Дополнительную фиксацию обеспечивают специальные подвесы. Такие козырьки чаще всего обустраивают над балконами и входными группами.

• Отдельно стоящие. Опираются на опорные стойки. Используются для создания покрытий над автостоянками, различными площадками, зонами отдыха.

Тип крыши

Крыша является основой навесной конструкции, сложность сооружения которой зависит от её размера и формы. Навес из труб по типу стропил:

• Односкатным. Самая простая в исполнении конструкция, которая отлично сочетается со всеми кровельными материалами. При создании покрытия под площадки большой площади для формирования стропильной системы используют фермы.

• Двускатным. Отличается более сложной конфигурацией. Двускатные навесы из металлопрофиля во дворе частного дома для площадок большого размера создаются с использованием ферм в виде равносторонних треугольников.

• Шатровым. С увеличением количества скатов крыши усложняется её расчёт. При создании конструкции необходима точная нарезка кровельного материала. Для защиты всех стыков крыши требуется использование специальных элементов.

• Арочным. Формируется из изогнутых под определённым радиусом ферм или дугообразных стропильных ног. Для создания покрытия используются исключительно гибкие материалы. Кровля имеет форму арки или волны.

Расчёт и создание чертежа

Проект навеса из металлических конструкций необходим для расчёта материалов и для облегчения выполнения последующего монтажа. На чертеже отмечают местоположение основных и дополнительных элементов, указывают их размеры.

При создании проекта конструкции учитываются следующие значения:

• угол наклона (Q);
• длина стропил (L).

Угол наклона скатов выбирается с учётом нормативной снеговой и ветровой нагрузки (выбирается для конкретного климатического региона по СНиП). Также учитывается тип выбранной кровли. Навес из профтрубы односкатный может иметь скаты, которые образуют с горизонтальной плоскостью угол 6-15%. Для других типов сооружений данный показатель должен быть в пределах 22-30%.

Чтобы рассчитать длину стропильной ноги, применяется формула:

• Односкатный навес из профильной трубы: L=В/cosQ, где В – ширина кровли.
• Двускатная конструкция: L=В/2cosQ.
• Арочная кровля: L =1,57× (h+В/2), где h – желаемая высота сооружения.

Чтобы избежать ошибок при расчёте стропильной системы, можно воспользоваться специальными онлайн-калькуляторами. Они помогут очень точно определить размер всех конструктивных элементов сооружения.

Шаг между стропилами и стойками определяется таким образом, чтобы равномерно распределить вес кровли на нижестоящие опоры. Чем больше снеговая нагрузка и тяжелее кровельный материал, тем меньше расстояние между основными несущими элементами. Рекомендуемый шаг при установке стоек – до 1,75 м.

Столбы для навеса из профильной трубы должны иметь сечение не меньше 40х40 мм. Если ширина конструкции больше 5-6 м, нужно использовать элементы с параметрами 80х80-120х120 мм. Для создания стропильной системы подходит труба с сечением 40х20, 40х40 мм. Для формирования откосов и обрешётки используются элементы меньшего сечения. Это помогает уменьшить вес конструкции без потери её несущей способности.

Технология выполнения работ

Навесы из металлопрофиля во дворе частного дома обустраиваются с учётом общепринятых строительных норм. Перечень и объем выполняемых работ также зависит от выбранной конструктивной схемы сооружения.

Односкатная конструкция

Односкатный козырёк из профильной трубы изготавливается по следующей схеме:

• Подготовительные работы. Участок, где будет размещаться навес для машины из профильной трубы, очищается от мусора и выравнивается.
• Разметка. Обозначаются места установки опорных столбов.

• Фундамент. Под каждый столб выкапывается яма глубиной не меньше 60 см и диаметром от 25 см.
• Установка стоек. К каждой трубе, выполняющей роль стойки, к нижней части приваривают «пяту» – специальную планку. Элемент устанавливается в проектное положение, после чего свободное пространство в ямке заполняется бетонной смесью.
• Обвязка каркаса. Стойки соединяются по контуру при помощи горизонтально ориентированных элементов.
• Создание ферм. Свариваются две трубы, расположенные по катетам конструкции. Осуществляется замер гипотенузы, отрезывается кусок трубы нужного размера, после чего приваривается в нужном месте. Между катетом и гипотенузой привариваются поперечины для увеличения пространственной жёсткости конструкции.
• Установка дополнительных крепежей. Создавая козырёк из профильной трубы, к каждому меньшему катету фермы приваривается горизонтальная планка. В ней делаются отверстия, что позволит в последующем прикрепить конструкцию к стене дома.

• Сборка каркаса. Все несущие элементы устанавливаются в своё проектное положение, привариваются обрешётка. Конструкция крепится к стене с использованием анкерных болтов.
• Установка поликарбоната. Кровельный материал крепится к каркасу при помощи термошайб с уплотнительными кольцами и заглушками. Листы поликарбоната стыкуются с использованием специального разъёмного профиля. Боковые срезы материала закрываются перфорированной лентой и торцовой планкой.

Видео описание

Подробнее о том, как устанавливаются металлические навесы из металлоконструкций к дому, рассказывается в этом видео:

Двускатные

Двускатное сооружение возводится по аналогичной технологичной схеме. Единственное отличие – конструкция кровли. В качестве стропильных ног используются фермы, представляющие собой равносторонние треугольники. Внутри конструкции обязательно присутствуют вертикальные и наклонные элементы, обеспечивающие дополнительную жёсткость.

Если навес к дому из металлопрофиля изготавливается с использованием профнастила, для крепления листов к обрешётке применяются специальные саморезы. Они устанавливаются без предварительного высверливания отверстий и обеспечивают герметичность соединения за счёт присутствия резиновой прокладки.

Стык листов на двускатной кровли закрывается специальной коньковой планкой. Она прикрепляется при помощи таких же саморезов к верхнему жёлобу профнастила.

Видео описание

Другие тонкости создания двускатной конструкции показаны в этом видеоролике:

Дополнительные рекомендации

Навесы из металлопрофиля во дворе частного дома или общественного здания изготавливаются с учётом следующих правил:

• Перед устройством фундамента нужно узнать глубину промерзания грунта для конкретной местности. Столбы должны заглубляться не выше, чем этот уровень. Это будет гарантировать стойкость и долговечность конструкции.
• Все элементы металлического каркаса необходимо покрыть специальным грунтом и краской. Это предотвратит разрушение материала под действием влаги.
• Арки для навеса из профильной трубы изготавливаются при помощи специального оборудования, которое помогает согнуть металл под нужным радиусом. Самостоятельно это сделать невозможно.
• Для фиксации труб диаметром до 25 мм можно использовать систему краб. Это специальные хомуты, которые обеспечивают соединение одновременно нескольких элементов каркаса.

• Для соединения элементов из профильной трубы, кроме сварочных, можно использовать болтовые соединения. Они не менее прочные и способные выдержать значительные нагрузки.

Коротко о главном

Навес для автомобиля из металлопрофиля – оптимальное с конструктивной, функциональной и эстетической точки зрения решение. Также такие сооружения отлично подходят для обустройства крытых площадок для отдыха, игр, занятий спорта, для оформления террас и входных групп.

Подобные конструкции состоят из фундамента, стоек, подвесов, откосов, стропильной системы и кровли. В зависимости от типа опоры они могут быть отдельно стоящими, консольными или пристроенными. По типу используемой кровли такие сооружения разделяют на односкатные, двускатные, арочные, шатровые.

Расчёт и установку навеса лучше всего доверить профессионалам. Это позволит получить надёжную конструкцию, которая прослужит много лет.

Источник: m-strana.ru