Строителни ферми: конструкция, видове и приложения

Фермите са строителни конструкции, изградени от мрежа или решетка от триъгълници, които придават якост и устойчивост на пролетите и гредите – основно при покриви и междинни етажни конструкции. Исторически фермите са използвани широко при дървени мостове, както и при редица стоманени мостни конструкции.

Триъгълната форма е в основата на здравината на всяка ферма. Триъгълникът с трите си страни и три възела е геометрически стабилен и практически не подлежи на деформация. Точно това осигурява допълнителната твърдост, необходима в повечето съоръжения. За разлика от него правоъгълните или квадратните рамки могат под въздействието на сили и налягане да се деформират и да се превърнат в успоредник. Затова те изискват допълнителни диагонални скоси, които да образуват два триъгълника и да гарантират необходимата структурна устойчивост.

Конструкция на фермите

Фермите се състоят от прави елементи, свързани чрез ставни възли, които образуват триъгълни секции. Всяка ферма включва три основни типа елементи:

• Хоризонтални елементи – горен и долен пояс;
• Вертикални елементи – стойки;
• Диагонални елементи – разкоси.

Тези елементи работят или на опън, или на натиск, като във възлите се допуска ограничено движение. Триъгълното укрепване се прилага по различни начини в различни конструкции и е геометрично най-ефективният метод за подпора на покривни и етажни системи. Архитектите и инженерите проектират фермите по разнообразни начини, за да постигнат едновременно якост, устойчивост и визуална привлекателност на крайното съоръжение.

Основни типове ферми

Разнообразието от ферми е почти безкрайно, но най-разпространени са два основни дизайна: наклонената (двускатна) ферма, използвана предимно за покриви, и плоската (паралелна) ферма, приложима главно при етажни конструкции.

Наклонена ферма

Наклонената ферма има триъгълна форма, която позволява покривът да бъде изграден под определен наклон или ъгъл на ската.

Паралелна ферма

Паралелната ферма, използвана при етажните конструкции, има два външни успоредни пояси, а вътрешните триъгълници поддържат страните, тъй като са взаимосвързани и ограничават напречното движение. Етажните ферми са проектирани основно за якост и носимост.

Покривни ферми

Покривните ферми често се проектират и с оглед на естетиката. Климатът е ключов фактор, тъй като фермата трябва да осигурява различна степен на топлоизолация и защита от водна пара. Най-разпространените типове покривни ферми са: ферма с повдигната опора (raised heel), ферма със спуснат пояс (dropped chord), ножична ферма (scissor) и ферма с паралелни пояси (parallel chord). При проектирането се отчитат и личните предпочитания, както и практическият бюджет и общият архитектурен дизайн на сградата.

Ферма с повдигната опора (Raised Heel)

Това е най-енергийно ефективният наличен дизайн. Осигурява пространство за обилна топлоизолация и създава ефективна бариера срещу водна пара. Такава бариера е от съществено значение за предотвратяване на вредна кондензация, плесен, мухъл и сухо гниене. Поради високите производствени разходи и нуждата от допълнителна изолация това е най-скъпият вариант, който най-често се прилага в студени климатични зони.

Ферма със спуснат пояс (Dropped Chord)

Подобно на фермата с повдигната опора, тази конструкция е херметична и осигурява място за допълнителна изолация. Строителите обикновено я избират, когато вътрешният таван е много висок и потенциално нестабилен без добро укрепване. Допълнителната височина, облицовката и изолацията обаче повишават общата цена на строителството.

Ножична ферма (Scissor)

Катедралните (сводести) тавани често изискват ножична ферма. Нейната форма и дизайн елиминират необходимостта от носеща греда и стена. Това решение повишава разходите за изолация на таванското пространство и увеличава трудовите разходи при строителството.

Ферма с паралелни пояси (Parallel Chord)

Друга алтернатива за катедрални тавани е фермата с паралелни пояси. Тя позволява най-лесното изпълнение на таванската изолация, но изисква специално проектирани стоманени и дървени подпори, което повишава цената. В дългосрочен план термичният ефект на стоманените скоси намалява енергийната ефективност, тъй като стоманата абсорбира повече топлина от дървото, а това прави разходите за охлаждане на сградата по-високи.