Железобетонные фермы и балки: стропильные, с параллельными поясами

Прогоны и стойки в стропильных системах

Основными элементами подстропильной конструкции, направленной вдоль здания, являются долевые балки — прогоны. Прогоны покрытий предназначены для передачи действующих нагрузок (собственный вес, вес кровли, ветровые и снеговые нагрузки) на несущие конструкции.

1. В чердачных крышах прогоны опираются на торцевые (боковые) и внутренние несущие стены или стойки, передающие давление от веса крыши на внутренние стены или столбы.
2. В бесчердачных крышах прогоны опираются на несущие конструкции стен, ригелей или непосредственно на столбчатые фундаменты.
3. В подвесных перекрытиях прогоны подвешивают к конструкциям колон и ферм.

Соединения стропильных конструкций и плит покрытия в одноэтажных производственных зданиях

Стропильные балки или фермы в одноэтажных каркасных зданиях опираются непосредственно на оголовок колонны. Узлы сопряжения выполняют по следующей схеме (см. схему ниже, поз. а, б). На оголовке колонны есть опорная плита 2, на которую устанавливают стропильную ферму ее опорной плитой 3, привариваемой монтажным швом 4 к закладной детали колонны 2.

Соединение стропильных ферм с колонной

Соединение подстропильных и стропильных ферм и колонны (а); соединение плит покрытия с подстропильной фермой (б)

• Быстрое изготовление закладных деталей по выгодным ценам!

Опорные узлы

Стропильные фермы могут опираться на кирпичные стены, железобетонные колонны или элементы стального каркаса промышленного здания — стальные колонны или подстропильные фермы. Конструкция прикрепления ферм к стальным колоннам и подстропильным фермам детально рассмотрена в гл. IX.

Опирание стропильных ферм

Опирание стропильных ферм на железобетонные колонны.

Пример опирания стропильной фермы на железобетонную колонну показан на фигуре. Опорная плита, обычно толщиной 16 — 20 мм, прикрепляется к колонне анкерными болтами диаметром 22 — 24 мм; размеры плиты определяют, исходя из расчетного сопротивления сжатию материала опоры. Отверстия в опорной плите делают в 2 — 3 раза больше диаметра анкерных болтов, учитывая возможные неточности в закладке последних.

Для ферм пролетом до 36 м требование подвижности опорных закреплений обычно не предъявляется.

Что такое стропильные фермы?

Стропильная ферма представляет собой используемую для устройства скатных крыш жесткую конструкцию. Она необходима, чтобы перераспределить нагрузку, которой подвергается кровля, на стены здания. Материалы изготовления ферм бывают разные, но чаще всего используется древесина. В малоэтажном строительстве при изготовлении деревянных стропильных ферм применяют обычно пиломатериалы хвойных пород по причине их дешевизны и простоты подгонки. При установке стропильных брусьев надо в обязательном порядке исключить возможность их провисания по длине под весом кровли и собственным весом. Делается это одним из двух способов: устанавливают средний прогон – толстый несущий брусок поперек стропила или поперечные балки и распорки. Когда возводится строение, имеющее большую площадь, а соответственно и пролет длиной более 16 метров, в строительной отрасли используют фермы с растянутыми металлическими стойками, поскольку если сделать их из дерева, то надежное соединение узлов обеспечить практически невозможно (подробнее: “Узлы деревянных крыш: особенности крепления”). В настоящее время, чтобы избежать значительных трудозатрат при сборке фермы, применяют комбинированные конструкции из металла и дерева, и тогда установка стропильной системы занимает гораздо меньше времени. Вариант создания кровли с открытыми фермами при строительстве жилых домов не используют – систему закрывают потолочными перекрытиями. В промышленном строительстве наоборот – обычно используют открытую конструкцию.

Железобетонные стропильные балки и фермы промышленных зданий

Железобетонные балки применяются в односкатных, многоскатных и малоуклонных, а также плоских (i=1:20)   покрытиях  одноэтажных промышленных зданий с пролетами (L) от 6 до 18 м.

 Балки односкатных, плоских  и малоуклонных покрытий имеют прямолинейный верхний пояс,  а в двускатных балках верхний пояс имеет ломаное очертание с уклоном  i = 1:12.

 Конструкция балок допускает крепление к ним подвесных кранов грузоподъемностью до 50 кН.

 Для пролетов 6 и 9 м балки имеют тавровое сечение с высотой на опоре 590 и 890 мм.

 Балки пролетами 12 и 18 м  изготавливают двутаврового или прямоугольного сечений с высотой на опоре 890, 1190 и 1490 мм.

Балки двутаврового сечения с толщиной стенки 80 мм усилены на опорах массивными вертикальными ребрами. Для снижения массы в балках прямоугольного сечения устраивают отверстия. Такие балки

опорных частях просты в изготовлении и облегчают разводку верхних коммуникаций, но имеют больший вес, нежели балки таврового или двутаврового сечений.

На верхнем поясе железобетонных балок предусматривают закладные элементы (М) для крепления прогонов или плит покрытия, на нижнем поясе и стенке – для крепления подвесных путей, а в – стальные листы с вырезами для крепления балок к колоннам. Опирание балки на колонну показано. 

Железобетонные фермы применяют для перекрытия пролетов 18, 24 и редко 30 м. По очертанию поясов они бывают сегментными, арочными безраскосными и раскосными, с параллельными поясами  и полигональными.

Треугольные фермы применяют, в основном, для кровель из асбестоцементных и металлических листов, а с параллельными поясами – для плоских покрытий под рулонную кровлю.

Для придания кровле небольших уклонов используют сегментные и арочные фермы со столбиками для опирания на них панелей покрытия. Такие «рожковые» фермы для малоуклонных покрытий приведены на рис. 5 а.

Наиболее рациональны по распределению материала сегментные и арочные фермы, имеющие ломаный или криволинейный верхний пояс. По сравнению с фермами других очертаний в элементах решетки этих ферм усилия  меньше, что позволяет делать решетку более редкой.

Фермы с параллельными поясами и полигональные имеют простую конфигурацию и хороши тем, что взаимозаменяемы со стальными фермами.

Однако, к их недостаткам следует отнести сравнительно мощную решетку и большую высоту, что приводит к перерасходу материала на стены и увеличению малополезного объема здания, кроме того, они требуют дополнительных вертикальных и горизонтальных связей в покрытии.

Крепеж

Для крепления стропил к мауэрлату используется металлические изделия:

• гвозди длиной 150 мм;
• саморезы;
• стропильные уголки;
• держатели балок;
• скользящие опоры;
• зубчатые пластины;
• перфорированные накладки;
• скобы;
• болты, шпильки с гайками.

Желательно, чтобы крепеж был оцинкованным или нержавеющим. Обычный быстро корродирует и разрушается, вызывая ослабление соединений.

Для гвоздей диаметром до 6 мм предварительная рассверловка отверстий не требуется. При большем сечении для предупреждения образования трещин нужно просверлить гнездо размером, равным 0,9 диаметра гвоздя. В деревянных строениях, а также в небольших кирпичных зданиях для крепления мауэрлата и стропил используются скобы. Древесина склонна к раскалыванию, поэтому рекомендуется провести предварительную рассверловку отверстий.

Что нужно учитывать при расчете висячих стропил

Перед тем, как начать возведение крыши с висячими стропилами необходимо грамотно рассчитать всю конструкцию. От этого будет зависеть ее прочность и безопасность. Следует отметить, что стропильная система – очень ответственная и сложная конструкция. Поэтому желательно, чтобы ее спроектировал профессиональный архитектор. При выполнении расчета используются следующие данные:

• Размеры здания;
• Материал, из которого сделаны стены здания;
• Наличие опорных колон, несущих внутренних стен;
• Присутствие мансардного этажа;
• Максимально возможная нагрузка на стены;
• Тип возводимой крыши (двускатная, односкатная, вальмовая, полувальмовая, шатровая и т.д.). Здесь необходимо определить какой тип стропил будет применяться (висячие либо наслонные).

Далее необходимо рассчитать:

• Сечение стропил;
• Шаг стропильных ног;
• Форма стропильных ферм.

При проектировании стропильной системы висячего типа следует учитывать:

• Климат в регионе (ветровые и снеговые нагрузки, общее количество осадков);
• Угол ската кровли;
• Тип кровельной системы;
• Кровельный материал (профнастил, металлочерепица и др.).

Подготовительный этап работ

Коньковым прогоном называют горизонтальную балку, которая располагается в верхней части кровли на стыке 2 скатов. Обычно в качестве балки используют брус коньковый. Этот вид пиломатериалов специально предназначен для больших нагрузок. Но прежде, чем закупать материал, необходимо рассчитать углы наклона кровельных скатов. Принято считать, что чем меньше этот угол, тем дешевле обойдется возведение крыши. В основе расчетов должна лежать не экономическая выгода, а технические характеристики. Необходимо учесть нагрузку на стропила и предположительный вес осадков (особенно зимой). Именно поэтому в средней полосе России крепление стропил располагают так, чтобы скаты располагались под углом в 45°. Именно такая кровля считается оптимальной.

Далее следует выбрать необходимый строительный материал. Действительно надежную кровлю может обеспечить только легкая, но достаточно прочная конструкция. Поэтому разумнее остановить свой выбор на пиломатериале, изготовленном из сосны. Для каркаса кровли обычно используют доску, размеры которой не превышают 20х5х600 см. Кроме того, необходимо приобрести брус коньковый сечением 20х20 см.

Рисунок 1. Схема конька крыши.

Выбирая материалы, необходимо учитывать не только их размер. Нужно обратить внимание и на качество. Ни в коем случае не покупайте непросушенные пиломатериалы.

Через какое-то время крепление стропил, собранное из таких досок, непременно поведет. Соответственно, деформируется вся крыша. Помните, что идеальной считается древесина, в которой содержание влаги не превышает 20%.

Снеговая нагрузка

Снеговая нагрузка определяется по формуле: S =μ x Sg, где: S — значение нагрузки; μ — коэффициент, определяемый уклоном крыши (чем больше уклон, тем меньше этот коэффициент, так как снег будет сходить, поэтому его давление будет меньше); Sg — норма давления снега в конкретном районе страны (кг/м2), вычисляемая по результатам многолетних наблюдений. Для определения коэффициента μ необходимо знать угол наклона ската. Часто бывает так, что задана ширина и высота крыши, а угол наклона неизвестен. В этом случае его нужно вычислить по формуле tg α = H/L, где H — высота конька, L — половина ширины здания (по фронтонной стороне), tg α — тангенс искомого угла.

0

Таблица: значение угла наклона ската по его тангенсу Далее значение самого угла берётся из специальных таблиц. Предположим, что дом имеет ширину 8 м и высоту в коньке 2,32 м. Тогда tg α = 2,32/4 = 0,58. По таблице находим, что α = 30o. Коэффициент μ определяется по следующей методике: — при углах уклона ската до 25о μ = 1; — для углов от 25 до 60о μ = 0,7; — для более крутых скатов μ = 0, т. е. снеговая нагрузка не учитывается. Таким образом, для рассматриваемого строения μ = 0,7. Значение Sg выбирается исходя из расположения региона, в котором ведётся строительство, на карте снеговых нагрузок.

0

Определив на карте номер региона, величину нормативной снеговой нагрузки можно найти по соответствующей таблице.

Таблица: нормативная снеговая нагрузка по регионам Предположим, что наш дом находится в Московской области. Это третий район по снеговой нагрузке. Sg здесь равно 180 кг/м2. Тогда полная снеговая нагрузка на кровлю дома составит S = 0,7 ∙ 180 = 126 кг/м2.

Практические советы

Если нужно сделать мансардную крышу с применением наслонных стропил, обязательным условием является установка брусового каркаса внизу, а вверху стропильные ноги следует прятать в коньковый прогон.

Если вам нужно соединить стропильную ногу с мауэрлатом, используйте защемление. Можете соединить его металлическим материалом. Для этого существует способ, заключающийся в использовании большого торцевого угла. Он в будущем обеспечит возможность стропилам взаимно упираться.

Применяется наслонный тип вкупе с соединением, подразумевающим за собой просверливание отверстий для болтов.

Стропильные системы их виды

В зависимости от вида установки стропильных ног, системы делятся на 3 вида:

1. Наслонная система. Монтируется в домах с центральной несущей перегородкой. В этом случае стропилины своей верхней частью опираются на стену, а нижним на мауэрлат, лежащий на наружной несущей стене. При этом вес крыши распределяется на центральную стену и наружные капитальные стены здания. Практически это самый рациональный способ каркасной конструкции, но только при условии, если между центральной наружной опорой расстояние не больше 7 м/п.
2. Висящая система. Используется без центральных стен и стоек. В этом случае стропилина опирается на висящий конек и мауэрлат. Кроме этого, стропилины раскрепляются между собой горизонтальными затяжками. При небольшой площади облегченной крыши, конструкция состоит только из стропил и затяжек. Но если расстояние от конька до наружной стены большое, или двухскатная крыша сама по себе тяжелая, ее конструкцию укрепляют дополнительными стойками и раскосами. Все эти дополнительные элементы устанавливаются для усиления прочности двускатной крыши, но при этом забирают некоторую площадь чердачного помещения. Максимальная дистанция между наружными стенами здания, для монтажа висящих стропил должно быть не больше 14 м/п. а шаг между стропилин 0,60-1,2 м. Эта технология монтажа крыши часто используется для мансард, у которых двухскатный уклон кровли, так как позволяет сохранять больше пространства.
3. Комбинированная система. Это смешенный тип стропильной конструкции, когда по центру здания вместо перегородки укладывается лежень из бруса, а на него монтируются подпорные стойки. На опорных стойках укрепляется коньковый брус, а на него крепятся стропильные ноги.

Отчего может зависеть шаг установки стропилин

Шаг стропилин на крыше зависит от таких факторов, как:

1. Формы крыши (односкатные, двускатные, ломаные или вальмовые).
2. Углов наклона крыши (при ломаных многоскатных кровлях).
3. Сечения бруса, применяемого для изготовления стропилин.
4. Стропильной конструкции (может быть скользящей, висячей или прислонной).
5. Комплекс вероятных нагрузок, которые будут воздействовать на крышу, включая собственный вес и ее покрытия, а также атмосферные воздействий в виде снега и ветра.
6. Материал для обрешетки (доска 100х20 мм, или брус 50х50 мм), и ее параметров монтажа (сплошная или с пробелами из досок).

Учитывая при расчете все эти показатели, можно получить прочную и надежную стропильную конструкцию, которая длительное время будет качественной опорой для кровли.

Именно расчет, при соблюдении основ нормативных нагрузок, позволяет правильно выбрать дистанцию между стропилинами. Как правило, нормативные величины можно определить по Снопам, а расчетные выводятся на их основе отдельно для каждой конструкции.

При этом принято за шаблонное значение использовать стропильные ноги сечением 150х50 мм с оптимальным расстоянием между стропилами в пределах 0.8 – 1.8 м/п. но следует помнить, что при изменении наклона ската крыши, меняется и расстояние между стропилинами.

Как соединяют части стропильной системы

Для соединения деревянных элементов между собой используются гвозди, болты, шпильки, а также металлические пластины и уголки для укрепления узлов. Дополнительно применяются деревянные бруски или пластины.

Методы крепления:

• зубья в шип,
• зубья в упор,
• упор в конец перекладины.

Использование металлического крепежа не уменьшает несущую способность, так как не требуется их врезка, в отличие от крепления, например, методом зубья в шип.

Стропила могут быть не только деревянными, но и металлическими. Для крепления металлических стропил применяют различные уголки, кронштейны, монтажную перфорированную ленту, пластины, болты с гайками или саморезы.

Крепление к мауэрлату

Если стена бетонная, то в ее верхней части делают армированный пояс жесткости, в котором предусматривают шпильки. К ним и будет крепиться мауэрлат.

Стропила к мауэрлату можно крепить двумя способами: жестким и скользящим.

Первый способ более популярен. Для крепления используют специальные уголки с опорным бруском. Есть несколько способов крепления стропилины к мауэрлату.

• Прибивают каждое стропило тремя гвоздями: два их них должны быть перекрещены, а третий расположен вертикально.
• Крепление с помощью скобы: один ее конец забивается примерно в середину опорного бруса, а другой поворачивают на 90 градусов и забивают в стропило.
• Крепление проволокой-катанкой: из сложенной в 4 ряда проволоки делают хомут, которым прикручивают стропило к брусу. Вместо проволоки используют также специальную перфорированную ленту. Иногда такой способ используют в дополнение к другим методам крепления.
• С помощью уголков: уголок прикручивают шурупами к мауэрлату и стропильной ноге. Лучше применять уголки с двумя рядами отверстий и ребром жесткости.

Недостаток жесткого способа — при оседании здания возможно повреждение стен. Поэтому жесткое крепление применяют в кирпичных зданиях.

Скользящий способ подразумевает, что стропила соединены с мауэрлатом такими крепежными элементами, которые не препятствуют их движению в некоторых пределах. Этот способ используют в деревянных зданиях, которые могут оседать. С помощью особых способов крепления можно достичь того, что стропило будет иметь одну, две или три степени свободы. В последнем случае применяется специальный шарнир.

Одна степень свободы подразумевает, что стропило может поворачиваться по кругу. В этом случае они крепится одним гвоздем или шурупом. Две степени свободы — это поворот по кругу и смещение по горизонтали. Для этого стропила к мауэрлату крепятся металлическими скобами. Используются также специальные уголки-салазки.

При скользящем соединении в небольших зданиях с не очень тяжелой кровлей крепление делается без запилов. Если здание большое, рекомендуется этот узел делать с запилом на стропильной ноге.

Важно! Запил вырезают именно на стропиле, а не на мауэрлате, чтобы не повредить и не ослабить балку.

При этом фиксация может быть как жесткой (с упором в балку), так и подвижной (с зубом на внешней стороне). Иногда вместо выпиливания зуба применяют дополнительный брусок.