Несущие конструкции покрытий

Несущая конструкция покрытия несет кровлю и должна воспринимать нагрузки от снега и ветра. Для восприятия и передачи этих нагрузок на сооружение или на основание имеются различные виды несущих конструкций покрытий. Важнейшими являются стропильная крыша, крыша из стропил с затяжкой, крыша с наслонными стропилами и висячие стропила и фермы.

Несущие конструкции покрытия должны быть устроены таким образом, чтобы конек не мог передвигаться в продольном направлении. Это достигается установкой элементов продольной жесткости или продольных связей, которые могут быть различными в зависимости от вида несущей конструкции покрытия. Кроме того, несущие конструкции покрытия должны быть закреплены от отрыва при ветровых нагрузках. Поэтому стропила связываются с порогами, или с мауэрлатами гвоздями или металлическими башмаками (анкеры стропил на мауэрлатах, стальные уголки). Мауэрлаты и башмаки, как правило, закрепляются на стенах с помощью закладных болтов, с помощью плоских стальных накладок или с помощью стальных уголков.

Стропильная крыша

В стропильных крышах стропильные ноги соединены попарно (рис. 1). Они соединены в коньке усиленным соединением и образуют с нижележащим перекрытием несмещаемый треугольник. За счет взаимного подпирания стропильные ноги дополнительно к изгибу несут еще и продольную нагрузку. Эти усилия сжатия у опор стропильных ног воспринимаются пятой и прямо или через порог передаются на перекрытие (рис. 1). При этом перекрытие работает на растяжение. Вертикальные нагрузки передаются исключительно на наружные стены.

Соединение у подошвы стропильных ног в случае железобетонных перекрытий производится с помощью опорных брусков, которые упираются в пороги (рис. 1). Соединение стропильных ног может происходить также с помощью гнутых профилей из стального листа. В случае перекрытий по деревянным балкам усилия сжатия у подошвы стропильных ног передаются на балки перекрытия с помощью плоских стальных соединительных элементов или с помощью накладок.

Рис. 1. Стропильные крыши

Соединение стропильных ног в коньке производится с помошью цапф, работающих на срез, соединением в нахлест или с помощью горизонтальных планок, называемых коньковыми цангами. Часто под или между стропильными ногами устанавливается коньковая доска или коньковый брус, которые облегчают рихтовку пар стропильных ног (рис. 2).

Рис. 2. Устройство конька в стропильной крыше

Обеспечение продольной жесткости производится путем обрешетки, иногда путем устройства сплошного настила из досок, а также диагонально установленных ветровых связей (рис. 3). Коньковые доски и брусья также способствуют обеспечению продольной жесткости крыши. В качестве ветровых связей в большинстве случаев к обрешетке прибиваются оцинкованные, перфорированные плоские стальные ленты. Вместо плоских стальных диагоналей ветровые связи могут выполняться также из досок. Эти ветровые кобылки прибиваются под стропильными ногами.

Рис. 3. Обеспечение продольной жесткости стропильной крыши

В стропильной крыше чердачное пространство может иметь свободную планировку, так как в нем нет мешающих конструктивных элементов. Большие оконные проемы и люкарни, однако, устраивать в таких крышах нельзя, так как пары стропильных ног должны раскрепляться друг с другом. Для того чтобы горизонтальные силы у подножия стропил не были слишком большими, уклон кровли не должен быть меньше 25°. Стропильные крыши подходят для пролетов около 10 м.

Крыша из стропил с затяжкой

Крыша из стропил с затяжкой является дальнейшим развитием стропильной крыши для пролетов от 9 до 14 м (рис. 4). При таких пролетах получаются относительно длинные стропильные ноги, так что необходимы промежуточные распорки. Их функцию выполняют затяжки. Затяжки устанавливаются на высоте помещения горизонтально между каждой стропильной парой и связываются по бокам с ними дощатыми планками. Затяжки могут состоять также из двух брусьев с промежуточными прокладками. Последние прибиваются сбоку к стропилам гвоздями или крепятся к ним с помощью дюбелей.

Рис. 4. Стропильная крыша с затяжками

Чтобы предотвратить боковой выгиб работающих на сжатие стропильных ног, к затяжке сверху прибивают в качестве продольных распорок доски вблизи стыка затяжек со стропильными ногами. Соединения у опорных частей стропил и у конька выполняются так же, как у стропильных крыш.

Крыша с насланными стропилами

В крыше с наслонными стропилами стропильные ноги лежат на горизонтальных настенных брусьях, которые называют мауэрлаты (рис. 5). Поэтому стропильные ноги могут быть представлены как наклонно положенные балки, нагруженные преимущественно на изгиб. Обе половинки крыши образуют статически отдельные несущие системы. Поэтому стропильные ноги не должны обязательно, как это имеет место в стропильных крышах, быть связаны попарно. Кроме того, возможно легко осуществлять прогалы между стропилами любого размера для труб, окон в плоскости кровли и для люкарен или слуховых окон.

Рис. 5. Крыша с наслонными стропилами

Опорные части стропил выполняются обычно в виде врубок. Мауэрлаты воспринимают передаваемые опорами стропил нагрузки от крыши и передают их на опоры. Последние расположены в длину с шагом от 3 до 5 м. По направлению опор различают стоячие крыши с наслонными стропилами и крыши с наслонными стропилами и лежачей опорной системой. По количеству опорных брусьев такие системы делятся на простые, двойные и тройные крыши с наслонными стропилами. Крыши с опорными брусьями могут быть выполнены в виде усиленных подпертых стропильных систем, опирающихся на поперечные несущие стены, в виде висячих стропил или в виде шпренгельных систем.

Для обеспечения продольной жесткости в таких крышах обычно устраиваются продольные подкосы или распорки (рис. 6). Последние вместе с опорными брусьями и стойками образуют треугольники, которые делают конструкцию крыши несмещаемой в продольном направлении. Кроме того, с помощью этих подкосов уменьшаются пролеты коньковых или промежуточных продольных брусьев. Соединения должны воспринимать усилия сжатия и передавать их дальше. Вертикальные подкосы соединяются со стойками и продольными брусьями с помощью цапф или врубок. При больших нагрузках, однако, более целесообразными являются соединения с помощью накладок, так как при этом можно избежать ослабления сечения стропил и опорных элементов.

Рис. 6. Обеспечение продольной жесткости в крыше с наслонными стропилами с помощью подкосов к стойкам

Стоячие крыши с наслонными стропилами

В случае стоячих крыш с наслонными стропилами продольные брусья подпираются стойками. Чтобы на перекрытие не действовали сосредоточенные нагрузки, стойки располагают на несущих наружных стенах.

Наслонные стропила с одинарными стойками подходят для пролетов до 10 м при сечении стропильных ног до 12/18 см (рис. 5). Стропильные ноги у конька поддерживаются коньковым брусом а внизу опираются на мауэрлаты.

В крыше с наслонными стропилами двойной стоечной системы стропильные ноги лежат на мауэрлатах и на промежуточных продольных брусьях и выступают над ними до конька (рис. 7). Длина выступающей части наиболее целесообразна, если она составляет 3/10 длины стропильной ноги от мауэрлата до конька. Более длинные выступающие части стропил требуют больших сечений этих элементов или требуют того, чтобы они, как в случае стропил с затяжками, опирались друг на друга, что приводит к передаче продольных усилий на стропильные ноги, которые не могут быть восприняты опорными конструкциями стропил.

Рис. 7. Крыша с наслонными стропилами двойной стоечной системы

Крыша с наслонными стропилами тройной стоечной системы целесообразна при ширине здания от 14 м и более, если для опира-ния стоек имеются поперечные стены (рис. 8).

Рис. 8. Стропильная крыша тройной стоечной системы

Стоечные наслонные стропила с уклоном до 35° не требуют, как правило, никаких особых строительных элементов для обеспечения поперечной жесткости. Устойчивость в поперечном направлении достигается тем, что стропильные ноги жестко связаны с продольными брусьями. При малых усилиях для этого достаточно стропильных нагелей, при больших усилиях применяются специальные соединительные элементы из листовой стали. Стропильные ноги вместе со стойками и покрытием образуют жесткие треугольники. Для рихтовки стропил у конька тем не менее часто устанавливается коньковый брус и коньковые накладки (цанги).

Стропильные крыши с подкосами

Стропильная крыша с угловыми подкосами получает в качестве элементов поперечной жесткости на расстоянии 4 м угловые подкосы и затяжки (рис. 9). Подкосы стоят на опоре, заанкериваемой с перекрытием, и оканчиваются под головкой стойки, на которой лежит промежуточный продольный брус. Вместе с затяжкой, которая обеспечивает боковое расстояние продольных брусьев, получается трапециевидный элемент поперечной жесткости. Чтобы этот элемент жесткости работал эффективно необходимы прочные на изгиб накладки и прочные на растяжение соединения подкосов. Стропильная крыша с подкосами, потому, является очень дорогой и статически нецелесообразной конструкцией.

Рис. 9. Стропильная крыша с подкосами

Стропильные крыши лежачей системы передают нагрузки от крыши через подкосы только на наружные стены. Лежачие системы выполняются в виде двойных или тройных стоечных систем.

При двойной стоечной системе лежачих стропильных крыш средние продольные брусья лежат на несущей конструкции, образованной подкосами и напрягаемым ригелем (рис. 10). Чтобы эта несущая трапециевидная система при одностороннем нагружении не могла деформироваться, она должна получить дополнительную жесткость в поперечном направлении с помощью оголовочных связей, образующих жесткие треугольники.

Рис. 10. Стропильная крыша двойной лежачей системы

Шпренгелъная система и висячая система стропил

В шренгельных стропильных крышах нагрузки, передаваемые от стропильных ног на стойки, передаются через угловые подкосы на несущие стены. С помощью двойной шпренгельной системы нагрузки передаются только на наружные стены (рис. 11). Стойки, на которые передается нагрузка от стропильных ног, подвешены у их оголовков в местах их соединения между угловыми подкосами и напрягаемым ригелем. Нижние концы стоек, например, присоединяются с помощью подвысных цапф таким образом, чтобы через них не могли передаваться усилия сжатия.

Рис. 11. Двойная шпренгельная крыша

Висячими стропильными системами крыш называются несущие системы крыш, которые наряду с нагрузками на кровлю еще несут часть нагрузки от деревянного чердачного перекрытия (рис. 12). Различают простые и двойные висячие системы.

У простых висячих систем пара угловых подкосов поддерживает висячую стойку от опор балки чердачного перекрытия. Верхний конец этой стойки, как правило, несет коньковый продольный брус. На ее нижнем конце подвешивается продольный лежень, проходящий вдоль здания снизу или поверх балки подвешенного чердачного перекрытия (рис. 12). Так как этот лежень на расстоянии около 4 м поддерживается такой подвесной системой, он образует подвесную промежуточную опору для балок чердачного перекрытия.

Рис. 12. Висячая крыша

Двойная подвесная система состоит из пары угловых подкосов и двух подвесных стоек. Подкосы подпирают друг друга, как и у двойной шпренгельной системы, через напрягаемый ригель. Стойки, на которые передается нагрузка от продольных брусьев, также подвешиваются между подкосами и напрягаемым ригелем. Однако за счет подвешенного через продольные лежни чердачного перекрытия двойная подвесная система гораздо больше нагружена, чем двойная шпренгельная система, которая несет нагрузку только от кровли.

Свободно опертые фермы

Свободно опертыми фермами называют предварительно изготовленные конструкции покрытия, которые опираются только на продольные стороны здания. Они подходят особенно для крыш с большими пролетами. Свободно опертые фермы преимущественно выполняются в виде шпренгельных балок, в виде решетчатых ферм и в виде клееных рам.

Для свободно опертых крыш пролетом 10 м, но не более 15 м могут применяться раскосные фермы с поясами из хвойной древесины, или с клеефанерными поясами и с раскосами из плитных деревосодержащих материалов, или из гнутых стальных профилей с огневой оцинковкой.

Шпренгельные балки

Балки из полнотелой древесины или клееные дощатые балки прямоугольного сечения и небольшой строительной высоты работают на изгиб. Они поэтому подходят только для небольших пролетов. За счет устройства шпренгельной системы снизу таких балок и одного или нескольких брусьев, которые подпирают балку, можно экономично выполнить свободно опертые балки больших пролетов с хорошей несущей способностью (рис. 13). Растянутый пояс может быть, как и сама балка и стойки, выполнен из дерева. Но решение узловых точек и монтаж будут более простыми, если растянутый пояс выполнен из стали.

Рис. 13. Шпренгельная балка

Кроме того, растянутые пояса из стали могут достаточно просто предварительно напрягаться с помощью специальных натяжных замков (рис. 14).

Рис. 14. Растянутый пояс с натяжным замком в шпренгельной балке

Решетчатые фермы

Решетчатые фермы различают по их форме в основном на треугольные, трапецеидальные и фермы с параллельными поясами (рис. 16). Они делаются в основном симметричными, однако могут быть и односкатными (рис. 15). Решетчатые фермы состоят из верхнего и нижнего поясов, стоек и раскосов (рис. 16).

Рис. 15. Односкатная крыша с решетчатыми фермами

Рис. 16. Формы и названия решетчатых ферм

Стержни ферм устроены таким образом, что их оси пересекаются в одной узловой точке.

Пояса, стойки и раскосы решетчатых ферм образуют треугольники и нагружены преимущественно в продольном направлении. Расположение стержней определяет то, какработают эти стержни, на сжатие или на растяжение. Это необходимо учитывать при выборе формы поперечного сечения стержней и при устройстве узловых соединений. В случае треугольных ферм, например, верхние пояса вместе с нижними поясами можно рассматривать как шпренгельные системы (рис. 17). В них верхний пояс работает на сжатие, а нижний пояс работает на растяжение. Если между коньком верхнего пояса и нижним поясом расположена стойка, то возникает простая висячая конструкция. От места подвески верхние пояса, несущие нагрузку, подпираются диагональными стержнями. В этом случае вертикальный стержень работает на растяжение, а диагональные стержни — на сжатие.

Рис. 17. Устройство треугольной фермы

Решетчатые фермы могут быть изготовлены из брусьев, клееных дощатых конструкций, клеефанерных элементов или из досок. Соединение стержней может происходить с помощью гвоздей, нагельных стальных листовых накладок, нагельных плит, стержневых дюбелей, дюбелей специального типа или с помощью соединений на клею.

Отдельные фермы, также, как и другие конструкции покрытий, должны раскрепляться в продольном направлении. Обеспечение продольной жесткости и жесткости против ветровых нагрузок достигается с помощью диагональных связей. Кроме того, фермы для восприятия ветрового отсоса (ветровой отрывающей нагрузки) должны быть закреплены на опорах.

Рамы

Несущие конструкции покрытия называют рамами, когда вертикальные опоры и несущая конструкция покрытия соединены в единую конструкцию (рис. 18). Работающие как стойки и балки части рамы должны быть жестко связаны между собой или входить друг в друга. Поэтому рамы в местах угловых соединений имеют сравнительно большую высоту сечения. Рамы подразделяются по своему строению на двухшарнирные рамы и трехшарнирные рамы. Они в основном изготавливаются из дощатой клееной древесины. Однако строятся также и решетчатые рамы из клеефанерных элементов или из брусьев. Обычные пролеты рам составляют от 12 до 50 м.

Рис. 18. Рамы

Двухшарнирные рамы имеют ригель, проходящей по всей ширине рамы. Высота его сечения не уменьшается к середине. Двухшарнирные рамы подходят преимущественно для покрытий с очень малым уклоном.

Трехшарнирные рамы состоят из двух половинок, которые подпирают друг друга в коньке. Высота поперечного сечения элементов рамы у конька, как правило, уменьшается. Трехшарнирные рамы могут также устраиваться при более крутоуклонных кровлях.