Как укрепить крышу дома. Реконструкция и усиление несущих деревянных конструкций покрытия. Вентиляция чердачного помещения

29.10.2019

К сожалению вы не указали какую именно систему стропил (висячую или наслонную) использовали ваши родители при устройстве крыши. Узлы креплений этих систем немного отличаются друг от друга. Разберем вкратце каждую из них.

Висячая система стропил позволяет не укладывать мауэрлат при устройстве холодного (не жилого) чердака (на этом можно сэкономить). Крепление нижней части стропил выполняется к затяжке одинарным или двойным зубом:

Дощатым зубом и зубом на стальных пластинах:

А вверху стропила соединяются между собой болтами, металлическими пластинами или деревянными накладками:

При наслонной системе стропильная нога впирается в мауэрлат и крепится уголками, гвоздями или скобами:

В верхней части стропила крепятся к коньковому прогону гвоздями, болтами, деревянными накладками или металлическими пластинами без врубок или с врубками, упертыми в прогон:

Все приведенные выше способы крепления довольно надежны. При креплении стропильных систем нужно придерживаться принципа, при котором один конец стропильной ноги имеет скользящую опору (для висячих стропил это верхний узел) и при изменении величины временных нагрузок (снег, ветер) конструкция не трещит. Другой конец стропил закрепляется жестко и имеет возможность работать при боковых нагрузках (поворотный режим).

Дедюхова Полина

Для увеличения несущей способности стропильных ног как в наслонных, так и висячих стропильных системах применяют установку разгружающих балок (подмог), двухсторонних накладок и подкосов.

Усиление стропильных ног подмогой

Как показывают многочисленные поверочные расчеты, стропила в пролете между мауэрлатной балкой и подстропильной ногой с размерами сечения, подобранными по прочностным характеристикам, часто не проходили расчет на прогиб и приходилось увеличивать их высоту. Изготовить стропильную ногу переменного сечения можно включением в нее дополнительной деревянной балки - подмоги. Подмогу крепят в пролете между мауэрлатом и подстропильной ногой, ее высотой добирают высоту сечения стропила, чтобы оно проходило по расчету на прогиб. Крепят подмогу болтовыми хомутами или металлическими зубчатыми пластинами.

В неразрезной стропильной ноге, как правило, возникает необходимость усилить узел ее опирания на подкос. По расчетной схеме в узле опирания на подкос возникает наибольший изгибающий момент. Если усиление не выполнить вовремя, впоследствии придется увеличивать сечение всей стропильной ноги. Прогиба в этом узле нет, поэтому можно увеличить не высоту стропила, а его ширину, путем закрепления двусторонних дощатых накладок. Ширина накладок подбирается при расчете сечения стропила на максимальный изгибающий момент. Накладки крепятся гвоздевым боем, болтами или, как и в предыдущем случае, болтовыми хомутами. Если стропило уже усиливается подмогой, то ее нужно сделать длиннее и вывести край за узел опирания на покос. В этом случае решается сразу две задачи: усиление опорного узла и прогиба в пролете.

При реконструкции кровли под более крутой скат устанавливают новые стропила, сращивая их со старыми (если они не сгнили) дощато-гвоздевой перекрестной стенкой. Новые стропила могут быть введены, как поверх старых стропил, так и ниже их. Образующаяся при этом ферма обеспечивает не только новый уклон, но и повышенную жесткость стропильной конструкции. Этот метод позволяет не разбирать старую крышу и ускоряет работы, но и подкрышное пространство не увеличивает. Если целью изменения уклона скатов было устройство мансарды, то объем чердака останется прежним.

Усиление стропил устройством дощато-гвоздевой фермы

Иногда конец стропильной ноги подгнивает, опирание на мауэрлат получается ненадежным. В этом случае к нижнему концу стропильной ноги можно прикрепить дополнительные подкосы, которые упирают в ту же мауэрлатную балку или в дополнительный лежень. Рекомендуется раздвигать нижние концы дополнительных подкосов - они обеспечивают лучшую устойчивость стропила. А подкосы, опертые на дополнительный лежень, частично могут уменьшить прогиб стропила в пролете между подстропильной ногой и мауэрлатом. Дополнительные подкосы крепят гвоздевым боем с опиранием в прибоины на стропиле.

При использовании в строительстве крыши сырой древесины (влажностью более 25%) и недостаточной вентиляции холодного чердака, при высоко расположенных слуховых окнах, малой их площади, либо при отсутствии чердачных продухов, возможно загнивание нижнего конца стропильных ног или мауэрлата.

Также загнивание может наступить при отсутствии или повреждении пароизоляции и воздушных продухов в конструкции утепленной мансардной крыши или закупоривание их концов. Либо при увлажнении древесины стропильных ног и мауэрлата в крышах любого типа при протечке кровли, либо при отсутствие гидроизоляционного слоя между древесиной и кладкой стены и увлажнение древесины от кладки.

Существует несколько способов восстановления и усиления поврежденных конструкций.

1. Применение деревянных накладок. Их используют при одиночном повреждении стропильных ног. Усиление проводят путем установки усиливающих деревянных накладок с закреплением болтами или гвоздевым боем. Опирание накладок на мауэрлат должно быть всем торцом с последующей установкой проволочной скрутки.

2. Использование прутковых протезов. Их применяют при массовом повреждении стропильных ног.

До начала работ поврежденную стропильную ногу укрепляют на временных опорах, разбирают покрытие и выпиливают сгнившую часть стропильной ноги.

Протез надевают на стропильную ногу и укладывают на мауэрлат. Спиленный торец стропильной ноги упирают в опорную площадку протеза, которая предотвращает ее сползание.

Жесткость верхнего сжатого пояса протеза обеспечивает подкосная решетка.

3. Использование накладок, опирающихся на балку. Этот вариант применяют при необходимости замены сгнившего участка мауэрлата и конца стропильной ноги. До начала работ стропильную ногу укрепляют временными опорами, вырезают сгнившие участки ноги и мауэрлата, забивают в кладку костыли и укладывают на них балку длиной 1 м. Если конструкция стен и перекрытия позволяет, а чаще всего это именно так, то на стену или перекрытие укладывают метровый кусок лежня. В эту балку упирают два подкоса, закрепленные на гвоздях по обе стороны стропильной ноги. Обрешетку поддерживают новой удлиненной кобылкой

Ширина продухов должна быть в пределах 2–2,5 см. Нужно измерить и при необходимости увеличить до расчетной толщину утеплителя. Слежавшийся утеплитель необходимо разрыхлять примерно один раз в пять лет. У наружных стен при ширине до 1 м толщина его может быть увеличена до 50% выше расчетной. Следует проверить и, если необходимо, то восстановить пароизоляцию под слоем утеплителя.

Устройство нормального процесса воздухообмена в чердачной крыше

В случае надстройки сооружения реконструкционные мероприятия предусматривают полную замену крыши. Согласно проекту и эскизам архитекторов, она приобретает более сложные и архитектурно-выразительные формы, но в её основу опять-таки заложена стропильная система.

В качестве материала для конструкции крыши лучше всего выбрать дерево, так как оно обладает небольшим весом и технологичны в монтаже.

Конечно, есть и определенные недостатки, древесина хорошо горит и подвержена гниению. Поэтому уже на стадии проектирования должны быть предусмотрены (а при эксплуатации строго соблюдаться) конструктивные и защитные мероприятия, к которым относятся: устройство прокладок из водоизоляционных материалов в местах соприкосновения дерева с кирпичом, предотвращение протечек кровли, создание и поддержание в сохранности влагоизоляционного и пароизоляционного слоев, оборудование вентилируемых зазоров, а также обработка древесины антисептиками или огне- и биозащитными препаратами.

В зависимости от формы крыши, наличия и расположения внутренних опор, величины пролета, а также действующих нагрузок, конструкция стропильной системы может быть разной, но она всегда состоит из следующих элементов:

Наслонные стропила устанавливают в зданиях с внутренними несущими стенами, опирая стропильные ноги не менее чем в трех местах. В зависимости от величины пролета, может быть соответственно увеличено количество промежуточных точек опирания. В каменных домах такие стропила опираются на мауэрлаты (опорные бруски, жестко связанные с конструкцией стены) и крепятся к ним. Верхние концы стропил соединяют боковыми накладками внахлест и опирают на стойки, расположенные в средней части стропильной фермы. Такие элементы работают как балки – только на изгиб.

В строениях без несущих внутренних стен устанавливают конструкции из висячих стропил . Они опираются только на две крайние опоры (например, лишь на стены здания без промежуточных опор). В этом случае стропильные ноги работают на сжатие и изгиб. Кроме того, конструкция создает значительное горизонтальное распирающее усилие, которое передается стенам. Уменьшить это усилие помогает затяжка (деревянная или металлическая), соединяющая стропильные ноги. Она может располагаться как у основания, так и выше. Чем выше она находится, тем мощнее ей полагается быть. И тем надежнее должно быть ее соединение со стропилами.

Мауэрлат. Стропильные ноги опираются не на сами стены, а на опорный брус — мауэрлат. В деревянных конструкциях мауэрлатом является верхний венец сруба (бревно, брус). При кирпичных стенах это специально устанавливаемый заподлицо с внутренней поверхностью стены брус (с наружной стороны он должен ограждаться выступом кирпичной кладки). Между мауэрлатом и кирпичом обязательно прокладывается слой влагоизолирующего материала (например, два слоя рубероида).

Верхние концы стропильных ног, если это необходимо, могут поддерживаться системой стоек и раскосов . Их задача — разгрузить стропильные ноги, передав нагрузку на внутренние стены или опорные столбы, а также обеспечить конструкции жесткость.

В местах отсутствия несущих стен пятки стропильных ног могут опираться на мощные продольные балки — боковые прогоны, длина которых ограничена действующей на них нагрузкой.

Коньковый прогон. В вершине стропильной конструкции любой крыши укладывают прогон, соединяющий стропила (фермы) между собой. Именно на нем будет в дальнейшем устроен конек крыши.

Если в плоскости стропильных ног жесткость обеспечивается самими стропильными фермами, то для противостояния ветровым нагрузкам, действующим, например, со стороны щипца (фронтона), в каждом скате крыши устанавливают необходимое количество диагональных связей. Ими могут служить доски толщиной 30-40 мм, прибитые к основанию крайней стропильной ноги и к середине (или выше) соседней.

Наиболее экономичным и конструктивно простейшим является решение с применением наслонных стропил. Желательно такое расположение основных опор, которое приводит конструкции стропил к симметричным и уравновешенным решениям.

В направлении продольной оси здания продольная устойчивость стропил и прочность их опор должны обеспечиваться системой стоек, прогонов и подкосов, а прочность основания подстропильных стоек – соответствующими подкладками и лежнями. Конца стропильных ног, уложенных на мауэрлаты, следует связывать с нижележащей кладкой проволочными скрутками, прикрепляемые к ершам, которые заделывают в кладку. Расстояние от верха чердачного перекрытия до верха мауэрлата не следует делать более 50 см, а до низа среднего лежня – 40 см. высота от того же перекрытия до низа ригеля для удобства движения по чердаку не должно быть менее 1,8 м.
Стропильная система должна обладать достаточной прочностью и устойчивостью, чтобы выдерживать массу собственных конструкций и работающих на крыше людей, а также снеговую и ветровую нагрузки. Поэтому все элементы обязательно должны рассчитываться, а уже по результатам расчета подбираются требуемые сечения и производятся все необходимые проверки.

Основным назначением кровли является защита от атмосферной влаги.

Настил служит для укладки и поддержания кровли, воспринимает нагрузки от собственного веса кровли, давление ветра, веса снега и т.п. и передает их на стропильные конструкции. Также он способствует правильной вентиляции воздуха внутри кровли, что снижает опасность загнивания, резко уменьшает уровень конденсации влаги. На их изготовление расходуется большая часть древесины, используемой при сооружении деревянных покрытий, поэтому их экономное проектирование во многом определяет экономическую эффективность покрытия в целом. Настилы не только служат основанием водо- и теплоизоляционных слоев покрытия, но и принимают участие в обеспечении устойчивости стропильных и подстропильных конструкций при восприятии основных вертикальных и ветровых нагрузок.

Конструкция настила зависит от типа кровли и теплоизоляционных свойств покрытия. При рулонной кровле он должен иметь сплошную ровную дощатую или фанерную поверхность, на которую непосредственно можно наклеивать рулонный ковер. Утеплитель при этом может быть жестким и располагаться поверх настила под кровлей или быть мягким и располагаться в полостях, как в клеефанерных плитах. Сам настил состоит из двух слоев досок, соединяемых гвоздями. Верхний защитный слой из досок толщиной 16-22 мм и шириной не более 100 мм укладывают под углом 45 0 к нижнему рабочему настилу, который для лучшего проветривания делают разреженным из досок толщиной 19-32 мм (по расчету).

При кровле из штучных материалов в виде волнистых листов асбестоцемента, стеклопластика, металлических листов или черепицы настил должен иметь для них отдельные опоры в виде досок или брусьев обрешетки сечением не менее 50х50 мм или открытых ребер клеефанерных плит. Утеплитель при этом может быть мягким и располагаться между брусками обрешетки или между ребрами клеефанерных плит. С таким видом кровли особенно эффективно применение деревянных покрытий, так как она паропроницаема, способствует высыханию древесины и препятствует ее загниванию.

Для изготовления настилов и обрешетки, как правило, применяют древесину хвойных пород третьего сорта. Допускается применение древесины мягколиственных пород: тополя, осины и ольхи для обрешетки, а также одинарных настилов при условии доступности осмотра и проветривания чердачных помещений.

Настилы и обрешетку под кровлю рассчитывают по двум вариантам сочетания нагрузок:

С обственный вес и снег (расчет на прочность и прогиб);

Собственный вес и сосредоточенный монтажный груз 1 кН (расчет только на прочность).

При расчете по второму сочетанию груз принимают с коэффициентом надежности по нагрузке (ɣ f =1,2) и распределяют на две доски или бруска при расстоянии между их осями равном или менее 150 мм и на одну доску или брусок при расстоянии более 150 мм – при одиночном настиле. При двойном дощатом перекрестном настиле сосредоточенный груз распределяют на ширину 500 мм рабочего настила.

Расчетное сопротивление древесины изгибу при расчете настилов и обрешетки кровли умножают на коэффициент условий работы 1,15. При расчете на сосредоточенный груз, кроме того, расчетное сопротивление умножают на коэффициент 1,2 (монтажная нагрузка).

Настилы и обрешетку рассчитывают с учетом их неразрезности в пределах двух пролетов. За расчетный пролет l принимают расстояние между осями стропильных ног.

При загружении двухпролетной балки равномерно распределенной нагрузкой от собственного веса и снега наибольший изгибающий момент на средней опоре равен:

где q – равномерно распределенная нагрузка от собственного веса и снега, кН/м; l — расчетный пролет, м.

А относительный прогиб в пролете:

где q n – нормативная распределенная нагрузка от собственного веса и снега, кН/м; E J

При загружении двухпролетной балки собственным весом g и сосредоточенным грузом Р наибольший момент в пролете равен:

где g – собственный вес элемента, кН/м; P — сосредоточенный монтажный груз, кН.

При углах наклона кровли α = 10 0 учитывают, что собственный вес кровли и обрешетки равномерно распределен по поверхности (скату) крыши, а снег – по её горизонтальной проекции. Поэтому полная нагрузка на 1 пог. м бруска составляет:

,
p c – снеговая нагрузка на 1 м 2 горизонтальной проекции кровли; s – расстояние между осями брусков по скату кровли.

Прочности брусков обрешетки проверяют с учетом косого изгиба по формуле:

где М х и М у – составляющие расчетного изгибающего момента от носительно главных осей х и у, кН·м; W х и W у – моменты сопротивления поперечного сечения бруска для осей х и у, см 4 ; Ru – расчетное сопротивление бруска на изгиб бруска, кН/cм 2 .

Полный прогиб бруска с учетом косого изгиба определяют по формуле:

,
где f x и f у – прогибы бруска по осям х и у, см.

В качестве примера рассмотрим блок-схему расчета разреженного настила (обрешетки) под кровлю из металлочерепицы при следующих данных: угол наклона кровли к горизонту α = 30° (cos α = 0,866; sin α = 0,5); расстояние между осями брусков s = 60 см; расстояние между осями стропильных ног В = 80 см; нормативный снеговой покров - 224 кг/м 2 . Обрешетку проектируем из брусков сечением 5 х 5 см.

Определим погонную равномерно распределенную нагрузку на один брусок, сбор нагрузок, представив в табличной форме.

Сбор нагрузок на обрешетку

	q н , кН/м	Коэффициент перегрузки	q р , кН/м
Постоянная:
Металлочерепица	0,02	1,05	0,02
Брусок обрешетки 0,05м х 0,05м х 5кН/м 3	0,013		0,014
Итого:	0,03		0,03
Временная:
	0,78		1,10
Всего:	0,81		1,13

Обрешетку рассматриваем как двухпролетную неразрезную балку с пролетом l = В = 80 см. Определяем наибольшие изгибающие моменты:

а) для первого сочетания нагрузок (собственный вес и снег):

б) для второго сочетания нагрузок (собственный вес и монтажная нагрузка):

Более невыгодный для расчета прочности бруска - второй случай нагружения.

Так как плоскость действия нагрузки не совпадает с главными плоскостями сечения бруска, брусок рассчитываем на косой изгиб. Составляющие изгибающего момента относительно главных осей бруска равны:

Моменты сопротивления и инерции сечения:

W x = 21см 3 ; W y = 21 см 3 ; J x = 52см 4 ; J y = 52 см 4 .

Наибольшее напряжение:

При расчете по второму случаю нагружения проверка прогиба бруска не требуется. Определим прогиб бруска при первом сочетании нагрузок: Прогиб в плоскости, перпендикулярной скату:

см.

Прогиб в плоскости, параллельной скату:

см.

Полный прогиб: см.

Относительный прогиб:

Стропильные ноги устраивают из досок, брусьев, пластин или бревен. Для изготовления стропил используют бревна небольших диаметров (12-24 см), в то время как для получения пиломатериалов необходимого сечения требуется круглый лес больших диаметров (пиловочник). Расчетное сопротивление изгибу для бревен R u = 1,6 кН/см 2 больше, чем для досок R u = 1,3 кН/см 2 , а также в бревнах более высокий предел огнестойкости.

Наслонные стропила при правильном их конструировании и устройстве – безраспорная конструкция. Чтобы стропила не вызывали появление распора, надо опорные плоскости врубок в местах опирания стропильных ног на мауэрлаты и прогоны делать горизонтальными и погашать распор, вызываемый продольными усилиями, которые возникают в стропильных ногах, устройством горизонтальных парных схваток или ригелей.

Стропильные ноги при углах наклона кровли α = 10 0 рассчитывают как балки с горизонтальной осью, а при углах α = 10 0 — как балки с наклонной осью. Во втором случае постоянную нагрузку, вычисленную на 1 м 2 поверхности (ската) кровли, делят на cos α, приводя её к нагрузке на 1 м 2 плана покрытия. Нагрузка на стропильную ногу собирается с грузовой площади, ширина которой равна шагу расстановки стропил.

В случаях, когда пролеты большие, проектируют сборные наслонные стропила, отдельные монтажные элементы которых доставляются на строительную площадку, где производится их укрупнительная сборка и установка на месте.

Расчет сборных наслонных стропил под кровлю из металлочерепицы для здания шириной 5,1+2,1+5,1 = 12,3 м ведем с учетом конструктивной схемы здания. Наружные стены здания – кирпичные, чердачное перекрытие сборное железобетонное, в качестве внутренних опор выступают внутренние несущие кирпичные стены. Угол наклона кровли к горизонту α = 30° (cos α = 0,866; sin α = 0,5). Нормативный снеговой покров - 224 кг/м 2 .

Стропильную конструкцию проектируем из следующих сборочных элементов: обрешетки 1, стропильных ног 2, треугольных безрешетчатых ферм 3, мауэрлатов 4, прогонов 5 и опорных рам 6.



Сборные наслонные стропила

Детали стропильной ноги, фермы, прогона и опорной рамы: 1 – стропильная нога; 2 – ригель; 3 – стойка; 4 — подкос

Шаг расстановки стопил принимаем В = 0,8 м. обрешетку устраиваем из брусков сечением 50 х 50 см, расчет обрешетки аналогичен расчету настила.

Расчёт стропильных ног . Стропильные ноги опираются одним концом на мауэрлат сечением 15 х 15 см, а другим – на консоль треугольной формы. Консоли устроены для уменьшения длины (которая должна быть не более 6.5м) и размеров сечения стропильных ног.

Стропильные ноги сконструированы из двух досок, скреплённых в один монтажный элемент с помощью прокладок на гвоздях. Ось мауэрлата смещена относительно оси стены на 10см. Вначале определяется нагрузка на 1 пог.м горизонтальной проекции стропильной ноги.

Сбор нагрузок на стропильную ногу

	q н , кН/м	Коэффициент перегрузки	q р , кН/м
Постоянная:
Металлочерепица	0,03		0,04
Обрешетка 0,05м х 0,05м х 5кН/м 3	0,03		0,02
Контробрешетка 0,05м х 0,05м х 5кН/м 3	0,01		0,01
Гидропароизоляционная пленкаЮтафол Д	0 ,001		0,001
Стропильная нога 0,15м х 0,2м х 5кН/м 3:0,866	0,17		0,19
Итого:	0,24		0,26
Временная:
	1,79		2,51
Всего:	2,03		2,77

Вылет консоли фермы принимаем равным с = 100 см. Тогда пролет стропильной ноги в плане l 1 = 510 – 10 – 100 = 400 см. Изгибающий момент:

где q – суммарная (постоянная и снеговая) нагрузка на 1 пог.м. горизонтальной проекции стропильной ноги, кН/м;

l – пролет стропильной ноги в горизонтальной проекции, м.

Принимаем сечение из двух досок 5 х 20 см с моментом сопротивления и моментом инерции:

W = 667 см 3 и J = 6667 см 4 .

Напряжение изгиба не должно превышать расчетного сопротивления элемента на изгиб:

где М – изгибающий момент, кН·м; W – момент сопротивления поперечного сечения стропильной ноги, см 4 ; Ru – расчетное сопротивление на изгиб стропильной ноги, кН/cм 2 .

Относительный прогиб:

где q n – нормативная распределенная нагрузка на стропильную ногу, кН/м; E – модуль упругости древесины, кН/см 2 ; J – момент инерции сечения, см 4 .

Опорная реакция:

Составляющие опорной реакции, направленной вдоль оси стропильной ноги, вызывает в ней и в консоли треугольной фермы растяжение

Z = V sin α = 5,54∙0,5=2,77 кН

Для восприятия этой составляющей в месте описания стропильной ноги на консоль ставим один болт (d = 12 мм), работающий как односрезный нагель. Усилие, которое может выдержать болт: T н =3,6кН > 2,77кН.

Расчетные схемы: а – стропильной ноги; б – фермы; в – прогона; г – опорной рамы

Расчет фермы. Треугольная безрешетчатая ферма сконструирована из двух наклонных дощатых элементов с консолями и затяжки. Она может быть доставлена на место возведения в готовом виде или «россыпью» с доставкой отдельно элементов верхнего пояса и затяжки и последующей сборки их на строительной площадке.

Ферму рассматриваем как простейшую стержневую систему, нагруженную равномерно распределённой нагрузкой.

Сжимающее усилие в верхнем поясе фермы определяем по формуле:

Изгибающий момент на опоре:

Сечение пояса принимаем такое же, как и стропильной ноги, т.е. 2 х 5 х 20 см.

Напряжение в опорном сечении:

где R c — расчетное сопротивление сжатию, кН/cм 2 ; R u — расчетное сопротивление изгибу, кН/cм 2 ; N – сжимающее усилие в верхнем поясе фермы, кН; F – площадь поперечного сечения пояса, см 2 .

Вследствие большого разгружающего действия консоли проверку сечения пояса в пролёте не производим. Устойчивость пояса из плоскости системы обеспечивается жесткостью щитов обрешетки.

Усилие в затяжке определяем по формуле

Кроме того, на затяжку передаётся горизонтальная составляющая растягивающего усилия в консоли. Полное растягивающее усилие в опорном сечении консоли:

Горизонтальная составляющая этого усилия

Полное усилие, растягивающее затяжку,

Затяжку принимаем из одной доски сечением 5 х 13 см, соединяемой с верхним поясом болтом (d = 12 м), и четырьмя гвоздями 5 х 150 мм, работающими как двухсрезные нагели.

Несущая способность болта:

где k а – коэффициент, определяемый по нормативным документам; T c – несущая способность нагеля на один срез по, кН.

Длина замещения конца гвоздя во втором крайнем элементе по формуле:

где l гв — длина гвоздя, см; a – толщина крайнего пробиваемого элемента, см; с – толщина среднего пробиваемого элемента, см; п ш – число швов, пробиваемых гвоздем; d гв – диаметр гвоздя, см.

Несущая способность гвоздя:

по первому срезу ;

по второму срезу ;

на оба среза

Полная расчетная несущая способность соединения

где 0,9 – коэффициент, учитывающий снижение несущей способности соединения, выполненного на нагелях разных видов.

Расчётная площадь нетто затяжки:

Напряжение растяжения:

где R p – расчетное сопротивление растяжению.

Проверим консоль на растяжение с изгибом в опорном сечении:

Площадь нетто:

Напряжение в растянуто-изгибаемом элементе:

Прогоны укладываются на опорные консольные рамы. Полная длина вылета консоли рамы а 1 = 160 см. Расчетная длина вылета может быть принята равной полной длине, уменьшеной на 0,01l 1 , т.е.

Давление от стропильных ног на прогон с учетом собственного веса подстропильной конструкции (принимая его ориентировочно равным 2,5% нагрузки):

Максимальный изгибающий момент в прогоне:

Сечение прогона принимаем 15 х 20 см с W = 1000 см 3 .

Напряжение изгиба в прогоне найдем по формуле:

Отверстия для болтов просверлены заранее только в прогоне. В подбалке рамы отверстия сверлят через прогон только после окончательной сборки, выверк и скрепления прогона с подбалкой монтажными гвоздями.

Опорная рама состоит из подбалки, стойки и двух подкосов, скрепленных в один монтажный элемент накладками на гвоздях.

Подбалка опирается на подкосы и стойку, поэтому в расчетном отношении её можно рассматривать как двухпролетную балку с консолями.

Изгибающий момент в точке С пересечения осей подбалки и подкоса составляет:

Опорное давление в точке С равно:

Тангенс угла наклона оси подкоса к горизонту:

этому соответствуют: β = 65,41 0 , cos β = 0,0,416; sin β = 0,909.

Сжимающее усилие в подкосе:

Свободная длина подкоса:

Сечение подкоса принимаем 10 х 15 см.

Тогда гибкость будет равна:

Коэффициент продольного изгиба φ определим при. λ = 107 > 70, тогда:

где А = 3000 – коэффициент для древесины.

Проверим сечение на устойчивость:

где F сеч – площадь поперечного сечения подкоса, см 2 .

Глубину врубки подкоса в подбалку принимаем равной h вр = 3 см.

Напряжение смятия во врубке находим по формуле:

где b – ширина поперечного сечения подкоса, см; R смβ – расчетное сопротивление смятию во врубке при угле β.

Подбалку принимаем из бруса сечением 15 х 15 см.

Площадь и момент сопротивления ослабленного врубкой сечения подаблки равны:

Подбалка в расчетном сечении работает на совместное действие растяжения и изгиба. Усилие растяжения в подбалке:

Это усилие относительно оси ослабленного сечения приложено с эксцентриситетом:

Обратный изгибающий момент от эксцентричного приложения растягивающей силы в подбалке:

Расчетный изгибающий момент:

Напряжение растяжения в подбалке:

С целью повышения индустриальности скатного деревянного покрытия при массовой реконструкции можно применить деревянные фермы. Треугольные равнопанельные деревянные фермы пролетом до 15 м рассчитываются аналогично. Их сборка и монтаж не требует мощных грузоподъемных механизмов. Все элементы фермы выполняются из деревянного бруса, за исключением стоек, которые выполняются из стальных гнутосварных элементов.

Высота фермы определяется по пролету:

h ф =1/4L ф при L ф 14 м – 6-ти панельная ферма

h ф =1/5L ф при L ф 14 м — 8-ми панельная ферма

Шаг ферм зависит от нагрузок на покрытие и в зданиях рассматриваемого типа обычно составляет 3 до 6 метров. Пространственную жесткость такой конструкции покрытия придают связи .

Вертикальные связи между фермами размещаются так, чтобы ни одна ферма не осталась без вертикальных связей, что приводит к их расстановке через пролет между рамами, а при четном количестве пролетов они устанавливаются подряд в двух пролетах (например у одного из торцов здания). Связи верхних поясов ферм размещают в торцевых пролетах, но если длина здания превосходит 30 м, то они устанавливаются и в центральных пролетах, по возможности с равным шагом. Связи нижних поясов ферм расставляются так, чтобы их проекция на горизонтальную плоскость совпадала с проекцией связей верхних поясов ферм. Перечисленные связи принято называть ветровыми, так как они, придавая пространственную жесткость конструкции, позволяют наряду с прочими элементами каркаса распределять ветровую нагрузку, действующую на торец здания между всеми фермами.

Прогоны располагаются вдоль всего здания по узлам верхних поясов ферм. Стропильные ноги укладываются поперек прогонов в плоскости верхних поясов ферм с шагом от 0.8 до 1.2 м в зависимости от величины снеговой нагрузки. Шаг стропильных ног принят равным 1 м.

Рабочий настил рассчитывается на прочность и прогиб, как неразрезная 2-х пролетная балка.

Конструкция кровли: 1 – кровельное покрытие , 2 – бруски обрешетки и контробрешетки , 3 – подкровельный вентилируемый зазор , 4 – гидроизоляция, 5 – вентилируемый зазор над утеплителем кровли , 6 – межстропильный (основной) утеплитель, 7 — пароизоляция, 8 — дополнительный (подстропильный) утеплитель, 9 — внутренняя облицовка

Расчетная схема расчета настила

Самыми ответственными элементами деревянных ферм являются стержни нижнего растянутого пояса, на работе которых в большой мере сказывается вредное влияние неизбежных в строительной древесине пороков (сучков, косослоя, трещин), поэтому при конструировании, отборе лесоматериалов, изготовлении и наблюдении за фермами во время их эксплуатации, стержням нижнего пояса нужно уделять особое внимание.

С целью наиболее рационального использования достоинств конструктивных материалов, растянутые элементы деревянных ферм и выполняют металлическими.

Экономичность ферм определяется прежде всего расходом древесины и металла, а также трудоемкостью изготовления и монтажа конструкции.

При оценке типов деревянных ферм в отношении расхода древесины необходимо иметь в виду, что стоимость древесины в большой мере зависит от степени обработки и сортамента применяемых лесоматериалов. Так стоимость окантованных брусьев почти в полтора раза, досок в 2 раза и чистообрезных брусьев примерно в 2,5–3 раза выше стоимости круглых лесоматериалов.

Существенное влияние на расход древесины и металла может оказать очертание наружного контура фермы. Теоретически наивыгоднейшим очертанием контура является такое, при котором контур фермы приближается к очертанию эпюры моментов.

При одних и тех же нагрузках, качестве лесоматериалов, пролетах и высотах ферм наиболее легкими, а следовательно, и требующими наименьшего расхода древесины, будут сегментные фермы и трехшарнирные арки из них. Простота конструкции и экономичность, обусловленные статическими свойствами сегментных ферм, обеспечивают широкое распространение этих ферм в строительстве.

Многоугольные фермы с ломаным очертанием верхнего пояса также имеют относительно небольшой вес и отличаются простотой узловых сопряжений и экономичностью.

Полигональные фермы с наклоном верхнего пояса в 1/10-1/5 получаются более тяжелыми, чем сегментные фермы, но все же значительно более экономичными, чем фермы прямоугольного и треугольного очертания.

Наиболее тяжелыми из всех типов ферм оказываются треугольные фермы. Их применяют, как правило, для кровель из материалов, требующих значительного уклона (черепица, шифер и т.д.).

Использованные источники :

1. Капитальный ремонт стропильной системы и рекомендации по ее усилению

http://srubnbrus.com/952.html

2. СП 31-105-2002. 6.2 Устройство каркаса

3. Деревянные фермы. Выбор схемы фермы и её расчет

http://vunivere.ru/work3477

4. Проектирование и расчет деревянных конструкций: Справочник/И. М Гринь, В. В. Фурсов, Д. М. Бабушкин и др.; Под ред. И. М. Гриня.- К.: Будивэльнык, 1988.- 240 с: ил.

5. СП 64.13330.2011 Деревянные конструкции. Актуализированная редакция

В принципе я могу предложить один метод, предусматривающий усиление без изменения сечения стропил, а вот понравится он вам или нет - это уже не мне решать.

Итак рассмотрим следующую ситуацию: висячие стропила, представляющие собой треугольную арку с затяжкой или простейшую треугольную ферму (это кому как больше нравится), были выполнены из бруса сечением 15х5 см с шагом 1 м. При этом расстояние между мауэрлатами - пролет арки l = 6 м. Угол уклона кровли - 30°. Впрочем, не будем дальше пересказывать ситуацию, достаточно подробно рассмотренную в различных статьях, например , а просто скажем, что по расчету требуется сечение стропил 15х10 или 20х5 см, т.е. имеющийся момент сопротивления W z = 187.5 см 3 чуть ли не в 2 раза меньше требуемого.

На первый взгляд самым логичным выходом из ситуации будет усиление существующих стропил точно таким же брусом 15х5 см или устройство дополнительных пар стропил, чтобы уменьшить шаг стропил. Но и в первом и во втором случае расходы на усиление будут близки к начальным расходам на устройство стропильной системы.

А между тем есть и другой способ уменьшить значение требуемого момента сопротивления, никогда правда мне не встречавшийся в литературе, посвященной расчету стропильных систем, тем не менее вполне законный с точки зрения теоретической механики.

Всего-то и нужно: изменить расчетную схему.

Как мы знаем, в поперечном сечении посредине однопролетной балки с шарнирными опорами при действии равномерно распределенной нагрузки возникает изгибающий момент, равный М = ql 2 /8. А у такой же балки, но с жестким защемлением на опорах максимальный момент возникает на опорах и составляет M = ql 2 /12, т.е. в 1.5 раза меньше.

Таким образом, если для стропильной системы, показанной на рисунке 462.1.а) (принимаемая расчетная схема показана на рисунке 462.1.б)), мы поставим схватки между стропилами в коньке и между стропилами и затяжкой примерно так, как это показано на рисунке 462.1.в), то полученную систему мы можем рассматривать, как арку из одного стержня с жестким защемлением на опорах (хотя это будет и не совсем правильно).

Рисунок 462.1 . Трехшарнирная арка и одностержневая арка с жестким защемлением на опорах

Такая арка является статически неопределимой, но мы можем упростить задачу, если будем рассматривать стропила как жестко защемленные наклонные балки или как двухпролетные балки на 2 шарнирных и одной жестко защемленной опорах. Только не будем при этом забывать, что на стержни арки действуют нормальные силы, определенные нами ранее.

Сначала рассмотрим наиболее простой вариант:

стропила - наклонная однопролетная балка с жестким защемлением

Как видно из расчетной схемы, приведенной на рисунке 462.1.г), дополнительные стержни не только создают условия, при которых стропила можно рассматривать как защемленную балку, но еще и уменьшают расчетную длину пролета. Так наклонная проекция стропил - трехшарнирной арки с затяжкой, составляла 3 м. Если же мы разместим вертикальные захватки так, что в горизонтальной проекции это составит по 0.5 м с каждой стороны, то только уменьшение расчетного пролета на а = 0.5 м или на (1/6) приведет к уменьшению момента в 1.44 раза, так как

(l - l/6) 2 /l 2 = (25l 2 /36)/l 2 = 25/36 ≈ 0.7 .

Примечание : горизонтальную схватку между стропилами нельзя рассматривать как дополнительную вертикальную опору.

Таким образом общее уменьшение максимального момента составит 1.5·1.44 = 2.16 раз, чего в данном случае вполне достаточно. В численном выражении максимальные изгибающие моменты на опорах защемленной наклонной балки составят:

M c max = ql 2 /12 = 326.1·2.5 2 /12 = 169.844 кгс·м или 16984.4 кгс·см

Такой же момент будет создавать сила, приложенная вертикально на расстоянии 0.5 м от основной опоры и составляющая:

Р = 169.844/05 = 339.7 кг

А значит для крепления вертикальной схватки достаточно:

Такое же количество гвоздей можно принять и для крепления горизонтальной схватки, если узел крепления находится на расстоянии о.5 м от стрелы арки в горизонтальной проекции.

Теперь осталось проверить, выдержит ли затяжка дополнительную нагрузку - две сосредоточенные силы Р, приложенные на расстоянии 0.5 м от каждой опоры. Согласно расчетной схемы 1.3 из таблицы 1 . максимальный момент в поперечных сечениях затяжки составит:

M з = Ра = 339.7·0.5 = 169.844 кгс·м = М c max

Тогда требуемый момент сопротивления для затяжки:

W z тр = M/R = 16984.4/140 = 121.32 см 3

Между тем у нас затяжка имеет сечение 10х5 см и соответственно момент сопротивления W = bh 2 /6 = 5·10 2 /6 = 83.33 см 3 , т.е. в 1.45 раза меньше требуемого и это еще без учета растягивающих напряжений, действующих в поперечных сечениях затяжки.

Если уменьшать расстояние от опоры до вертикальной схватки, то это будет только увеличивать значение изгибающего момента в стяжке, да и количество гвоздей придется увеличивать. А если увеличивать расстояние от опоры до вертикальной схватки, то такую конструкцию уже вряд ли можно рассматривать как жестко закрепленную балку.

И тут вроде бы другого выхода нет, как усиливать затяжку, но если сделать схватки не вертикальные, а под некоторым углом к вертикали, например 35-40°, то такая схватка превратится с одной стороны в вертикальную опору, а с другой в горизонтальную, увеличивающую растяжение в затяжке, оставаясь при этом элементом, обеспечивающим жесткое защемление стропил.

Проверяем. Расчетная длина вертикальной схватки равна:

l в cx = tg30°a = 0.5773·0.5 = 0.2887 м

При угле наклона 35° расстояние а" от наклонной схватки до места, где была бы вертикальная схватка составит:

a" = tg35°l в сх = 0.7·0.2887 = 0.2 м

Тогда изгибающий момент, действующий на затяжку, составит:

М з = Р(a - a") = 339.7(0.5 - 0.2) = 101.18 кгс·м

Увеличение нормальной силы, действующей на затяжку составит:

N" = Psina/cosa = 339.7·0.573/0.819 = 237.86 кг

Тогда максимальные нормальные напряжения, возникающие в поперечных сечениях затяжки, с учетом разности расчетных сопротивлений растяжению и изгибу древесины составят:

(N + N")/F + M з R p /W z R и = (692.927+ 237.86)/50 + 10180·101.9/(83.33·142.7)= 18.61 + 87.26 = 105.9 кг/см 2 > R р = 101.9 кг/см 2

Необходимые условия по прочности нами не соблюдены. Впрочем превышение напряжений составляет менее 4%. С учетом принятых коэффициентов надежности по нагрузке такое превышение можно считать допустимым, а можно еще немного увеличить угол наклона. Это уже на ваш выбор.

Кроме того в действительности значение изгибающего момента будет немного больше, особенно если на участок стропила между наклонной схваткой и мауэрлатом будут опираться доски обрешетки.

При наклонных захватках количество гвоздей также следует увеличить:

n = P/(Tcos35°) = 3.88/0.819 = 4.7 точнее 5 гвоздей .

Если рассматривать стропила, как двухпролетную балку с двумя шарнирными и одной жестко защемленной опорой, то момент на опоре - вертикальной (или наклонной) схватке будет немного меньше, а на жесткой опоре - стреле арки - немного больше. Впрочем и такая расчетная схема не является точно отображающей реальную работу конструкции.

Тем не менее подобный расчет можно произвести, например с использованием метода трех моментов . Ну а для всех остальных совет: добавьте по 1-2 гвоздя в узлах крепления стропил и стяжки со схватками.

Довольно часто домовладельцы сталкиваются с проблемой прогиба стропил. Это происходит вследствие излишней экономии либо неправильного проектирования. Если своевременно не произвести укрепление стропил, то они могут сломаться, что приведёт в итоге к дорогостоящему ремонту кровли.

Понятие усиление стропил подразумевает комплекс работ по исправлению прогиба и их укрепление для дальнейшей беспроблемной эксплуатации. Также необходимо обработать узел прихода "ног" к коньку, что дополнительно снимет нагрузку с их средней части.

Укрепление стропил – выбираем стратегию, готовимся к работе

Есть два способа укрепления конструкции . Первый заключается в увеличении толщины брусьев, а второй – в увеличении их ширины. Первый вариант используется лишь тогда, когда нельзя по каким-либо причинам увеличивать ширину брусьев, так как при одинаковом количестве использованного материала конструкции, усиленные по второму способу, обладают гораздо большим сопротивлением изгибающим нагрузкам.

Также существуют и различные способы крепления усиливающих брусьев к стропилам: проволокой, гвоздями, саморезами, при помощи резьбовых шпилек. Наиболее надёжен способ увеличения ширины брусьев, именно его мы и рассмотрим.

Для подготовки к работе освобождаем всю рабочую поверхность от обшивки, открываем узлы крепления стропил и собираем следующий инструмент : набор гаечных ключей, набор торцовочных головок с трещоткой, дрель, шуруповёрт, гидроцилиндр, болгарка. Так как данные работы очень ответственны и трудоёмки, их нельзя выполнять одному человеку.

В первую очередь обращаем внимание на крепление стропил к коньку. Если они там разошлись, то сперва усилиями нескольких человек, при необходимости пользуясь домкратом, стыкуем верхние концы.

Затем с помощью перфорированных металлических полос, фанеры или, в крайнем случае, двухсантиметровой доски, используя саморезы, укрепляем место стыка балок с обеих сторон. Если же стропила стыкуются на коньке, то укрепляем соединения под ним.

Далее нам необходимо убрать прогиб стропил. Для этого воспользуемся гидроцилиндром. Перед началом этих работ необходимо упрочнить места стыковки конструкции к мауэрлату, для чего снизу к стропильному брусу (при наращивании толщины) или сбоку (при наращивании ширины) прикручиваем доску, которая будет упираться в мауэрлатный брус и не даст разъехаться ногам при работе гидроцилиндром.

Для хорошего упора гидроцилиндра изнутри в торцы противоположных стропильных брусьев в местах наибольшего прогиба прикручиваем саморезами самодельные треугольные деревянные упоры.

Далее, аккуратно работая гидравликой, выпрямляем стропила и фиксируем их в этом положении любой подручной доской толщиной не менее 3 см с помощью саморезов. То есть, если посмотреть сбоку, получается что-то наподобие большой буквы “А”.

Как укрепить стропила – наращиваем брус

Для того чтобы нарастить стропила, поступаем следующим образом. В первую очередь подготавливаем брус, идентичный существующему по габаритам (ширина может немного отличаться). Для удобства последующей работы фиксируем его к уже имеющемуся брусу несколькими саморезами.

Затем с помощью дрели просверливаем через 30-50 см сквозные отверстия сразу через два скреплённых друг с другом бруса. Отверстия располагаются не на одной линии, а идут в виде “змейки” для улучшения сопротивления изгибу данной конструкции.

Далее вставляем в отверстия шпильки, предварительно нарезанные под размер, на концы которых наживляем самоконтрящиеся гайки, предварительно подложив под них шайбы. Затяжка стропил производится до характерного потрескивания дерева.

Для усиления стропил по второму способу производим те же работы и в таком же порядке за исключением того, что укрепляющий брусок должен фиксироваться к внутреннему торцу бруса и отверстия располагаются на одной линии.

Для увеличения несущей способности стропильных ног (рис. 68) как в наслонных, так и висячих стропильных системах применяют установку разгружающих балок (подмог), двухсторонних накладок и подкосов.

Рис. 68. Усиление стропильных ног подмогой

Как показывали расчеты по старому СНиПу «Нагрузки и воздействия», стропила в пролете между мауэрлатной балкой и подстропильной ногой с размерами сечения, подобранными по прочностным характеристикам, часто не проходили расчет на прогиб и приходилось увеличивать их высоту. Изготовить стропильную ногу переменного сечения можно включением в нее дополнительной деревянной балки - подмоги. Подмогу крепят в пролете между мауэрлатом и подстропильной ногой, ее высотой добирают высоту сечения стропила, чтобы оно проходило по расчету на прогиб. Крепят подмогу болтовыми хомутами или металлическими зубчатыми пластинами.

Другой опасный узел в неразрезной стропильной ноге - опирание на подкос. Когда-нибудь ломали палку через колено? Так вот, в этой расчетной схеме подкос и есть то самое колено, здесь возникает самый большой изгибающий момент, из-за которого приходится увеличивать сечение всей стропильной ноги. Прогиба в этом узле нет, поэтому можно увеличить не высоту стропила, а его ширину, путем закрепления двусторонних дощатых накладок (рис. 69). Ширина накладок подбирается при расчете сечения стропила на максимальный изгибающий момент. Накладки крепятся гвоздевым боем, болтами или, как и в предыдущем случае, болтовыми хомутами. Если стропило уже усиливается подмогой, то ее нужно сделать длиннее и вывести край за узел опирания на покос. В этом случае решается сразу две задачи: усиление опорного узла и прогиба в пролете.

рис. 69. Усиление опорного узла путем увеличения ширины стропила

При реконструкции кровли под более крутой скат устанавливают новые стропила, сращивая их со старыми (если они не сгнили) дощато-гвоздевой перекрестной стенкой. Новые стропила могут быть введены, как поверх старых стропил, так и ниже их. Образующаяся при этом ферма обеспечивает не только новый уклон, но и повышенную жесткость стропильной конструкции (рис. 70). Этот метод позволяет не разбирать старую крышу и ускоряет работы, но и подкрышное пространство не увеличивает. Если целью изменения уклона скатов было устройство мансарды, то объем чердака останется прежним.

рис. 70. Усиление стропил устройством дощато-гвоздевой фермы

Иногда случается так, что конец стропильной ноги подгнивает, опирание на мауэрлат получается ненадежным, в этом случае к нижнему концу стропильной ноги можно прикрепить дополнительные подкосы, которые упирают в ту же мауэрлатную балку или в дополнительный лежень (рис. 71). Рекомендуется раздвигать нижние концы дополнительных подкосов - они обеспечивают лучшую устойчивость стропила. А подкосы, опертые на дополнительный лежень, частично могут уменьшить прогиб стропила в пролете между подстропильной ногой и мауэрлатом. Дополнительные подкосы крепят гвоздевым боем с опиранием в прибоины на стропиле.

рис. 71. Усиление низа стропильной ноги установкой дополнительных подкосов

Существует несколько способов восстановления и усиления поврежденных конструкций.

рис. 72. Ремонт узла опирания стропил на мауэрлат накладками и протезами

2. Использование прутковых протезов. Их применяют при массовом повреждении стропильных ног. До начала работ поврежденную стропильную ногу укрепляют на временных опорах, разбирают покрытие и выпиливают сгнившую часть стропильной ноги. Протез надевают на стропильную ногу и укладывают на мауэрлат. Спиленный торец стропильной ноги упирают в опорную площадку протеза, которая предотвращает ее сползание. Жесткость верхнего сжатого пояса протеза обеспечивает подкосная решетка.

3. Использование накладок, опирающихся на балку. Этот вариант применяют при необходимости замены сгнившего участка мауэрлата и конца стропильной ноги (рис. 73). До начала работ стропильную ногу укрепляют временными опорами, вырезают сгнившие участки ноги и мауэрлата, забивают в кладку костыли и укладывают на них балку длиной 1 м. Если конструкция стен и перекрытия позволяет, а чаще всего это именно так, то на стену или перекрытие укладывают метровый кусок лежня. В эту балку упирают два подкоса, закрепленные на гвоздях по обе стороны стропильной ноги. Обрешетку поддерживают новой удлиненной кобылкой.

рис. 73. Ремонт узла опирания стропил при повреждении мауэрлата

При недостаточном воздухообмене чердачного помещения, а вследствие этого развитии грибковых спор и загнивания древесины деревянных конструкций крыши проводят ряд мероприятий для восстановления вентиляции (рис. 74). В чердачном помещении следует изучить характер движения воздуха, определить температуру воздуха на верхней границе утеплителя (она не должна превышать 2°С при любой отрицательной температуре наружного воздуха) и устроить дополнительные продухи и слуховые окна. Площадь сечения слуховых окон и продухов должна составлять 1/300–1/500 площади чердачного перекрытия. Ширина продухов должна быть в пределах 2–2,5 см. Нужно измерить и при необходимости увеличить до расчетной толщину утеплителя. Слежавшийся утеплитель необходимо разрыхлять примерно один раз в пять лет. У наружных стен при ширине до 1 м толщина его может быть увеличена до 50% выше расчетной. Следует проверить и, если необходимо, то восстановить пароизоляцию под слоем утеплителя.

рис. 74. Устройство нормального процесса воздухообмена в чердачной крыше

Усиления других деревянных конструкций, стен, перекрытий и фундаментов можно посмотреть в специальном разделе сайта.