Обязательное условие установки наслонных стропил — обеспечение их верхней части опорой. В односкатных крышах этот вопрос решается просто: стены строятся разной высоты, на них укладываются мауэрлатные балки, на которые в свою очередь настилаются стропила.

В двухскатной крыше можно поступить, также: выстроить внутреннюю стену на требуемую высоту и уложить на нее мауэрлат. Затем на низкие внешние и высокую внутреннюю стены разложить стропила. Однако это решение ограничивает варианты планировок чердачного помещения, которое все чаще используют как мансарду. Да и для обычных чердачных крыш, этот вариант не выгоден, т.к. требует значительных финансовых затрат на возведение высокой внутренней капитальной стены. Поэтому на чердаке внутреннюю стену заменяют горизонтальной балкой установленной на подпорках или опертой на противостоящие друг другу фронтоны стен. Горизонтальную балку, уложенную на крыше, называют прогоном.

Само название: прогон, говорит о том, что эта балка «прокинута» от стены до стены, хотя на самом деле, например, в вальмовых крышах он может быть короче. Самое простое конструкторское решение по установке конькового прогона, это уложить мощную балку на фронтоны стен без каких-либо дополнительных подпорок (рис 24.1).

рис. 24.1. Пример установки конькового прогона, без дополнительных опор, на стены мансарды.

При этом для расчета сечений прогонов нагрузка, действующая на них должна собираться с половины горизонтальной проекции площади крыши.

В зданиях с большими размерами прогоны получаются длинными и тяжелыми, скорее всего, их придется монтировать подъемным краном. Для изготовления прогона найти ровный брус из цельного дерева длиной более 6 м довольно проблематично, поэтому для этих целей лучше использовать клееную балку или бревно. В любом случае, концы прогонов, замуровываемые в стены фронтонов, нужно обработать антисептиками и завернуть в рулонный гидроизоляционный материал. Торцы цельнодеревянных балок скашивают под углом примерно 60° и оставляют открытыми, в нише они не должны упираться в материал стены (рис. 25). Скашивание конца балки увеличивает площадь торца и благоприятствует лучшему влагообмену всей балки. Если прогон проходит сквозь стену, то в месте опирания на стену, его тоже обматывают гидроизоляционным материалом. Балки пропускают сквозь стены из архитектурных соображений затем, чтобы обеспечить свес кровли над фронтонами, хотя его можно достичь и выносом за стену обрешетки. Прогоны, пропущенные через стену образуют разгружающие консоли. Нагрузка давящая на консоли старается выгнуть прогон вверх, а нагрузка действующая на пролете — вниз. Таким образом, общий прогиб прогона в середине пролета становится меньше (рис. 24.2).

Рис. 24. 2. Прогон с консолями.

Если использовать в качестве прогона бревно, то его не обязательно отесывать на два канта, достаточно подтесать в месте опирания стропил и в месте опирания прогона на стены. Длинные прогоны нецелесообразно делать цельнодеревянными, проходящие по расчету на прочность и прогиб они, тем не менее, могут прогнуться под собственным весом. Их лучше заменять строительными фермами.

Сечение прогона подбирается по расчету по первому и второму предельному состоянию — на разрушение и на прогиб. Балка, работающая на изгиб должна отвечать следующим условиям.

1. Внутреннее напряжение, возникающее в ней при изгибе от приложения внешней нагрузки, не должно превышать расчетного сопротивления древесины на изгиб:

σ = М/W ≤ Rизг,                  (1)

где σ — внутреннее напряжение, кг/см²; М — максимальный изгибающий момент, кг×м (кг×100см); W — момент сопротивления сечения стропильной ноги изгибу W = bh²/6, см³; Rизг — расчетное сопротивление древесины изгибу, кг/см² (принимается по таблице СНиП II-25-80 «Деревянные конструкции» или по таблице);

2. Величина прогиба балки не должна превышать нормируемого прогиба:

f = 5qL³L/384EJ ≤ fнор,                 (2)

где Е — модуль упругости древесины, для ели и сосны он составляет 100 000 кг/см²; J — момент инерции (мера инертности тела при изгибе), для прямоугольного сечения равный bh³/12 (b и h — ширина и высота сечения балки), см4; fнор — нормируемый прогиб балки, для всех элементов крыши (стропил, прогонов и брусков обрешетки) он составляет L/200 (1/200 длины проверяемого пролета балки L), см.

Сначала просчитываются изгибающие моменты М (кг×см). Если на расчетной схеме изображено несколько моментов, то просчитываются все и выбирается наибольший. Далее путем несложных математических преобразований формулы (1), которые мы опускаем, получаем, что размеры сечения балки можно найти, задавшись одним из его параметров. Например, произвольно задавая толщину бруса, из которого будет изготовлена балка, находим ее высоту по формуле (3):

h = √¯(6W/b) ,         (3)

где b (см) — ширина сечения балки; W (см³) — момент сопротивления балки изгибу, вычисляется по формуле: W = M/Rизг (где М (кг×см) — максимальный изгибающий момент, а Rизг — сопротивление древесины изгибу, для ели и сосны Rизг = 130 кг/см²).

Можно и наоборот, произвольно задать высоту бруса и найти его ширину:

b = 6W/h²

После этого балку с вычисленными параметрами ширины и высоты по формуле (2) проверяют на прогиб. Здесь необходимо заострить ваше внимание: по несущей способности стропило рассчитывается по наибольшему напряжению, то есть по максимальному моменту изгиба, а на прогиб проверяется сечение, которое находится на наиболее длинном пролете, то есть на участке, где самое большое расстояние между опорами. Прогиб для всех: одно-, двух- и трехпролетных балок проще всего проверить по формуле (2) то есть, как для однопролетных балок. Для двух- и трехпролетных неразрезных балок такая проверка на прогиб покажет немного неверный результат (чуть больший, чем будет на самом деле), но это только увеличит запас прочности балки. Для более точного расчета нужно использовать формулы прогиба для соответствующей расчетной схемы. Например, такая формула указана на рисунке 25. Но еще раз повторим, что лучше внести в расчет некоторый запас прочности и считать прогиб по простой формуле (2) на расстоянии L равном самому большому пролету между опорами, чем найти формулу соответствующую расчетной схеме загружения. И еще на что нужно обратить внимание, по старому СНиПу 2.01.07-85 оба расчета (на несущую способность и на прогиб) велись на одну и ту же нагрузку. В новом же СНиПе 2.01.07-85 говорится, что снеговую нагрузку для расчета на прогиб нужно принимать с коэффициентом 0,7.

рис. 25.1. Пример расположения прогонов на Т- образной крыше

рис. 25.2. Пример расположения прогонов на Т- образной крыше

рис. 26. Нагрузки действующие на прогоны Т- образной крыши.

Если после проверки балки на прогиб он на самом длинном участке будет не более L/200, то сечение оставляют таким, каким оно получилось. При прогибе больше нормативного, увеличиваем высоту балки или подводим под нее дополнительные опоры, но сечение нужно вновь пересчитать по соответствующей расчетной схеме (с учетом введенных опор).

Если кто-то сумел дочитать до этого места, то скажем, что самое сложное в этом расчете не запутаться в единицах измерения ( в переводе метров в сантиметры), а все остальное… Умножить и разделить несколько цифр на калькуляторе много знаний не требуется.

В конечном итоге появятся всего две цифры: требуемая для данной нагрузки ширина и высота прогонов, которые округляют в большую сторону до целого числа.

Если вместо бруса (цельного, клееного или собранного на МЗП) будет использоваться бревно, то следует учесть, что при работе на изгиб, вследствие сохранности волокон, несущая способность бревна выше, чем у бруса и составляет 160 кг/см². Момент инерции и сопротивления круглого сечения определяется по формулам: J = 0,0491d³d; W = 0,0982d³, где d — диаметр бревна в вершине, см. Моменты сопротивления и инерции бревна, отесанного на один кант, равны J = 0,044d³d, W = 0,092d³, на два канта — J = 0,039d³d; W = 0,088d³, при ширине отеса d/2.

Высота прогонов и стропил, в зависимости от нагрузок и архитектурного решения крыши, может быть самой разнообразной. К тому же, силы, давящие на стены, особенно это касается прогонов, достигают больших величин, поэтому крышу, как, впрочем, и все остальное, нужно проектировать заранее, еще до строительства дома. Например, в схему дома, можно ввести внутреннюю несущую стену и разгрузить прогоны либо сделать на фронтонах стен капители, поставить под прогоны укосы и тем самым уменьшить их прогиб. Иначе будет довольно трудно стыковать разновеликие по высоте прогоны между собой и согласовывать высотные отметки с фронтонами стен.

При использовании длинных и тяжелых прогонов можно применить так называемый «строительный подъем». Это изготовление балки в виде коромысла. Высоту «коромысла» делают равной нормативному прогибу прогона. Нагруженная балка прогнется и станет ровной. Метод пришел к нам от предков. Они в рубленых домах при укладке матиц и переводов (балок) подтесывали бревна снизу, по всей длине, делая подтес глубже в средней части, и при необходимости, подтесывая края балок сверху. Коромыслообразные балки со временем прогибались под собственным весом и становились прямыми. Это технологический прием используется довольно часто, так, например, изготавливаются предварительно напряженные железобетонные конструкции. В повседневной жизни вы этого просто не замечаете, поскольку конструкции выгибаются, и без того небольшой строительный подъем становится совсем не заметным для глаз. Для уменьшения прогиба балки так же можно вводить под нее дополнительные подкосы. При невозможности установить подкосы или сделать «строительный подъем» можно увеличивать жесткость балки изменением ее сечения: на тавровое, двутавровое или решетчатое — ферму с параллельными поясами либо изменить сечение подкладыванием под опоры консольных балок, то есть делать ее низ в виде несовершенной арки.

Опирание прогонов на стену обеспечивается поперечным боковым упором и должно быть рассчитано на смятие древесины. В большинстве случаев достаточно обеспечить нужную глубину опирания и подложить под брусок деревянную подкладку на двух слоях рубероида (гидроизола и т. п.). Однако проверочный расчет древесины на смятие провести все-таки нужно. Если опирание не обеспечивает требуемую площадь, при которой смятие не произойдет, площадь деревянной подкладки нужно увеличить, а ее высота должна распределить нагрузку под углом 45°. Напряжение смятия рассчитывается по формуле:

N/Fcм ≤ Rc.90°,

где N—сила давления на опору, кг; Fсм—площадь смятия, см²; Rсм90 — расчетное сопротивление смятию древесины поперек волокон (для сосны и ели Rсм90 = 30 кг/см²).

Нужно обратить особое внимание на стену под опиранием конькового прогона. Если ниже расположено окно, то от верха перемычки до низа прогона должно быть не менее 6 рядов армированной кладки, в противном случае над окном нужно укладывать усиленные железобетонные перемычки по внутренней стороне фронтона. Если планировка дома позволяет, коньковые прогоны не следует делать длинными и тяжелыми, их лучше разделить на два однопролетных прогона либо оставить один и добавить под него опору. Например, планировка дома, изображенного на рисунке 25, подразумевает устройство перегородки в помещении под вторым прогоном. Значит, в перегородке можно установить шпренгельную ферму и разгрузить коньковый прогон, а ферму затем скрыть обшивкой, предположим, гипсокартоном.

Рис. 26.1. Бесстропильная крыша

Другой путь разгрузки коньковых прогонов лежит в том, что можно просто увеличить количество укладываемых прогонов, например, установить по скатам крыши по одному или по два разгружающих прогона. При значительном увеличении числа балок встает вопрос, а зачем нам здесь вообще стропила, обрешетку можно сделать прямо по прогонам. Это действительно так. Такие крыши называются бесстропильными (рис. 26.1). Однако в мансардных утепленных крышах остро встает вопрос просушки утеплителя, поэтому подобие стропил все же делать придется. Для обеспечения воздушного продуха нужно будет вдоль скатов (в том же направлении, как укладываются стропила) на прогоны набить деревянные бруски, например, 50×50 или 40×50 мм, обеспечивая тем самым продух высотой 50 или 40 мм.

Примечание. Ранее, здесь и далее по тексту в формулах встречаются вот такие нелепицы: d³d, это немного режет глаза, но с математической точки зрения это правильная запись. Она показывает что переменная находится в 4-ой степени. Поскольку записать, 4-ой степени на языке вебсайта «ломает» красоту формулы, приходится прибегать к такой записи. То же относится и к подкоренным выражением: все, что в скобках, входит под знак корня.

 

Пример расчета сечения прогонов. 

Дано: загородный дом 10,5×7,5 м. Расчетная нагрузка на крышу по первому предельному состоянию Qр=317 кг/м², по второму предельному состоянию Qн=242 кг/м². План крыши с размерами указанными на рисунке 26.

Решение:

1. Находим нагрузки по предельным состояниям, действующим на первый прогон:

qр = Qр×a = 317×3 = 951 кг/м
qн = Qн×a = 242×3 = 726 кг/м = 7,26 кг/см

2. Рассчитываем максимальный изгибающий момент, действующий на этом прогоне (формула на рис. 25):

М2 = qр(L³1 + L³2)/8L = 951(4,5³ + 3³)/8×7,5 = 1872 кг×м

3. Произвольно задаемся шириной прогона, b=15 см и по формуле (3) находим его высоту:

h = √¯(6W/b) = √¯(6×1440/15) = 24 см,
где W=M/Rизг = 187200/130 = 1440 см³

По сортаменту пиломатериалов ближайшая подходящая балка имеет размеры 150×250 мм. Выбираем ее для последуещего расчета.

4.На самом длинном пролете проверяем прогон на прогиб по формуле (2).

Сначала определяем нормативный прогиб: fнор = L/200 = 450/200 = 2,25 см,
затем расчетный: f = 5qнL²L²/384EJ = 5×7,26×450²×450²/384×100000×19531 = 2 см,
где J = bh³/12 = 15×25³/12 = 19531 смˆ4

Условие выполнено 2 см < 2,25 см, прогиб прогона получился меньше нормативно допустимого. Сечение первого прогона определили, будет применен брус размерами 150×250 мм. Если бы расчетный прогиб получился больше нормативного, то нужно увеличить сечение (лучше высоту) прогона.

5. Находим нагрузки, действующуе на второй прогон.

От расчетной равномерно распределенной для первого предельного состояния она будет равна: qр = Qр×b = 317×3 = 951 кг/м;
для второго предельного состояния qн = Qн×a = 242×3 = 726 кг/м = 7,26 кг/см

В точке соединения прогонов от действия первого прогона на второй прогон будет приложена сосредоточенная сила Р (формула на рис. 25):

по первому предельному состоянию Рр=RB = qр b/2 — M2/b = 951×3/2 + 1872/3 = 2051 кг
по второму предельному состоянию Рн=RB = qн b/2 — Mн/b = 726×3/2 + 1429/3 = 1566 кг,
где Мн = qн(L³1 + L³2)/8L = 726(4,5³ + 3³)/8×7,5 = 1429 кг×м

6. Сначала нужно определить по какой формуле будем просчитывать максимальный изгибающий момент на втором прогоне, для этого находим соотношения сил Р/qрL и длин приложения силы c/b (см. рис. 25):

Рр/qрL = 2051/951×7,5 =0,29;           c/b = 4,5/3 = 1,5

c/b получилось больше, чем p/qрL, значит максимальный момент рассчитываем по формуле:

Ммах = ab(qрL + 2Pр)/2L = 4,5×3(951×7,5 + 2×2051)/2×7,5 =10112 кг×м

7. Произвольно задаемся шириной прогона, b=20 см и по формуле (3) находим высоту прогона:

h = √¯6W/b = √¯(6×7778/20) = 48 см,
где W=Mмах/Rизг = 1011200/130 = 7778 см³

Брусьев такой высоты в сортаменте пиломатериалов нет, значит принимаем решение взять два бруса размерами 200×250 мм, уложить их друг на друга, скрутить шпильками и сшить стальными пластинами МЗП либо изготовим балку с деревянными связями. Таким образом получим балку шириной 200 и высотой 500 мм.

8. Проверяем составную балку на прогиб по формуле  рисунка  25. Сначала определяем нормативный прогиб:

fнор = L/200 = 750/200 = 3,75 см

Затем расчетный, в нашем случае он рассчитывается как сумма прогибов от приложения к балке равномерной нагрузки и сосредоточенной силы:

f = 5qнL²L²/384EJ + PнbL²(1 — b²/L²)√¯(3(1- b³/L³)/27EJ) = 5×7,26×750²×750²/384×100000×208333 + 1566×300×750²(1 — 300²/750²)√¯(3(1 — 300³/750³)/27×100000×208333) = 1,4 + 0,7 = 2,1 см,
где J = bh³/12 = 20×503/12 = 208333 смˆ4

Расчетный прогиб получился меньше нормативного 2,1 см < 3,75 см, значит составная балка удовлетворяет нашим требованиям. Таким образом, первый прогон принимаем из цельного бруса 150×250, второй — составным, общей высотой 500, а шириной 200 мм.

Расчет явно показывает, что введением под место пересечения прогонов дополнительной подпорки можно было бы исключить сосредоточенную силу и уменьшить сечение второго прогона, а при данных в примере размерах строения, сделать его равным первому прогону.

 

Пример проверки узлов опирания прогонов на смятие. 

Проверяем площадь опирания прогонов на стены для того, чтобы не произошло необратимого смятия древесины или разрушения материала стены. Предположим, что стены фронтонов выполнены из газосиликата D500. Предел прочности газосиликата D500 на сжатие составляет 25 кг/см², предел прочности древесины сосны на сжатие в опорных частях конструкций под углом 90° к волокнам составляет 30 кг/см². Для недопущения разрушения материала стены и необратимого смятия древесины должны соблюдаться условия:

N/F ≤ Rсж — для материала стены;
N/Fcм ≤ Rc.90° — для древесины

В данном примере получилось, что древесина имеет большую прочность, чем материал стен. Расчет будем производить на недопущение разрушения материала стены, т.е. напряжение сжатия не должно превысить 25 кг/см².

Находим величину давления первого прогона на стены (формулы на рис. 25, нагрузка qр на странице примера расчета прогона):

RА = qр а/2 — M2/а = 951×4,5/2 +1872/4,5 = 2556 кг
RС = qр L/2 + M2L/аb = 951×7,5/2 — 1872×7,5/4,5×3 = 2526 кг

Вычисляем площадь опирания концов первого прогона:

F=N/Rсж = 2556/25 =103 см
где N=2556 кг (наибольшая из сил давящих на стену), а Rсж = 25 кг/см².

Выходит, что для опирания прогона шириной 15 см нужен «зацеп» на стену равный всего 103/15 = 7 см и при этом не произойдет необратимого смятия древесины и разрушения газосиликатных блоков стены. Поэтому длину опирания прогона на стену примем конструктивно, например, равную 15 см.

Находим величину давления на стены второго прогона:

RD = qр L/2 + bPр/L =951×7,5/2 +4,5×2051/7,5 =4797 кг
RE = qр L/2 + aPр/L =951×7,5/2 +3×2051/7,5 =4387 кг

Вычисляем площадь опирания концов второго прогона:

F=N/Rсж = 4797/25 =192 см,
где N=4797 кг (наибольшая из сил давящих на стену).

Для опирания второго прогона шириной 20 см нужен «зацеп» на стену не менее 192/20 = 10 см. И здесь длину опирания прогона на стену примем конструктивно, равным 15 см.

« назад           далее »

Источник:  «Конструкции крыш. Стропильные системы» Савельев А.А.