Прогоны и стойки в стропильных системах

К простейшим подкосным системам относятся конструкции треугольного очертания, состоящие из двух подкосов с затяжкой встык. Основные типы подкосных систем, применяемые в строительстве, показаны на рис.1.

Расстояние между центрами опор рассматривается как пролёт между опорами (стойками). Пролёты в таких системах принимаются в пределах от 4 м до 9 м. Подкосные системы выполняют из брёвен или брусьев и применяются в виде каркасов для одно-, двух- и многопролётных зданий.

Конструкции подкосных систем состоят из стоек, на которые уложены в одном направлении главные балки. В другом направлении идут стропильные ноги (брусья или доски).

Стойки могут опираться на внутренние несущие стены или колонны среднего ряда на расстоянии не более 6 м. Для уменьшения пролёта верхних продольных прогонов устанавливают подкосы, которые служат также для обеспечения устойчивости всей системы в продольном направлении.

Если в чердачном помещении имеются торцевые несущие стены, то продольные прогоны опираются на них. При отсутствии таких стен в крыше устраивают вальмовые скаты по накосным стропильным ногам (рис.8 и рис.9).

Подкосы в таких конструкциях в средних пролётах, работая в основном на сжатие, примыкают к стойкам на лобовых врубках со скреплением в узлах скобами. В крайних пролётах подкосы при воздействии односторонней нагрузки — снега и горизонтальной ветровой нагрузки (обычно с северной стороны крыши) — могут работать на растяжение.

ВНИМАНИЕ! Крайние подкосы двухпролётных стропильных схем (рис.10), при возникновении в них растягивающих усилий (от ветровых нагрузок или несимметричной снеговой нагрузки, вдвое превышающей постоянную нагрузку), поэтому подкосы прикрепляют к стойке и ригелю с помощью накладок и болтов.

В деревянных стойках и колоннах до начала монтажа следует выносить метки для постановки ригелей, прогонов, распорок, связей, панелей и других конструкций.

ВНИМАНИЕ! Во всех случаях стропильные фермы (балки) следует устанавливать с соблюдением односторонней направленности отклонений от прямолинейности их верхних поясов по разметке, определяющей их проектное положение на опорах (лежнях) и выполняемой после установки в проектное положение конструкций, на которые они опираются (опорные стены, балки, ригели, стропильные фермы и т.п.).

ВНИМАНИЕ! При установке деревянных стоек, прогонов и т.п., а также при стыковке их элементов необходимо добиваться плотного примыкания торцов сопрягаемой конструкции. Величина зазора в стыках с одного края не должна превышать 1 мм — сквозные щели НЕ ДОПУСКАЮТСЯ.

Стойки, подкосы, ригели, стропильные балки укладывают насухо на опорные антисептированные поверхности (лежни и закладные пробки) несущих конструкций.

ВНИМАНИЕ! При опирании балок на стойку следует обращать внимание на то, чтобы нагрузки на стойку шли вдоль волокон, а на балки — поперёк волокон.

Способ сведения вместе горизонтальных, вертикальных или диагональных строительных элементов в конструктивную точку-узел и определяет несущую способность конструкции (рис.1). В соответствии с этим различаются допускаемые нагрузки (напряжения), которые следует учитывать при подборе поперечных сечений. Например, средняя величина временного сопротивления древесины в кГ/см² при влажности 15% из сосны и других пород приведена в таблице 1.

 

Поскольку допустимое напряжение на смятие поперёк волокон древесины из сосны составляет 2Н/мм² (22кГ/см²), а вдоль волокон 70Н/мм² (700кГ/см²), устойчивость стойкам и прогонам придают раскосы и ригели, соединённые продольными и поперечными креплениями.

ВНИМАНИЕ! Поэтому следует СТРОГО СОБЛЮДАТЬ размеры поперечных сечений конструкций, рассчитанных на продольные и поперечные усилия работы узлов сопряжения (стыковки)конструкций, и указанных в проекте на строительство стропильных систем.

В индивидуальном строительстве (при стенном ограждении) — в основном применяют прогоны с подкосами.

1.1. Монтаж разрезных прогонов.

При наличии в здании внутренней несущей продольной стены вводиться прогон, устанавливаемый на несущую стену (при разных уровнях стен) или (при одинаковом уровне стен) на стойки, опёртые на лежень (рис.9 разрез 2-2). При двух внутренних несущих продольных стенах ставят два ряда прогонов по стойкам (рис.8 разрез 2-2). Если стропильные ноги опираются на два прогона, то в коньке прогоны не ставят и концы стропил опираются друг на друга с упором встык. Выше прогонов в этом случае возникает распор, который воспринимают с помощью устройства ригелей.

ВНИМАНИЕ! Высота от чердачного перекрытия до низа ригелей для удобства передвижения по чердаку должна быть не менее 1800 мм.

Расстояние от верха чердачного перекрытия до низа среднего лежня должна быть не более 400 мм.(рис.9 разрез 2-2)

Прогоны разрезные выполняют из лесоматериалов, стыкуемых на опорах (рис.2 узел А, узел Б и узел В). Они просты в изготовлении и монтаже, но расход материалов больше чем для других типов прогонов, особенно при пролётах между несущими стенами более 4 м.

ПРИМЕЧАНИЕ: Прогибы и максимальные величины изгибающих моментов для различных конструкций прогонов зависят от расстояния х, т.е. участка от опоры до места расположения стыка, поэтому при устройстве прогонов необходимо уделять этому особое внимание.

Простота, возможность выполнения таких балок из брёвен, брусьев или досок, поставленных на ребро, обеспечивают их широкое применение. Пролёт таких балок сплошного сечения может быть от 6 м (для досок) до 7…8 м (для брусьев и брёвен).

1.2. Монтаж прогонов с подбалками

Одним из способов усиления однопролётных балок сплошного сечения является применение подбалок (рис.2 узел Б). Подбалки выполняют из брёвен или брусьев такого же сечения, как прогоны и скрепляют с ними болтами с каждой стороны стойки. Подбалки, будучи соединёнными болтами с концами несущих балок, в то же время служат для выполнения стыков этих балок.

Подбалками называют короткие брусья, укладываемые на стойках в местах стыков прогонов и воспринимающие опорные давления балок, образующих многопролётный прогон (рис.2 узел Б).

ВНИМАНИЕ! На крайних стойках подбалки не укладывают, так как они поворачиваются при изгибе под нагрузкой вместе с прогоном.

Длину выноса подбалки обычно принимают в пределах от 0,15L до 0,19L, добавляя к этому размеру 10 см на скошенную часть у конца подбалки. При равномерной нагрузке на прогон (балку) полную длину выноса консоли целесообразней всего брать 0,17L + 10 см.

Прогоны с подбалками применяют в виде балок различных перекрытий, прогонов, наслонных стропил, обвязок и каркасных стен для уменьшения расчётного пролета при равномерной нагрузке на стойки.

ВНИМАНИЕ! Рекомендуется крайние пролёты прогонов делать меньше промежуточных либо увеличивать сечение крайних прогонов.

1.3. Монтаж прогонов неразрезных

Неразрезные прогоны (балки) обычно применяют при небольших уклонах под рубероидную кровлю, поскольку при крутых уклонах тонкие доски не могут воспринимать скатные нагрузки. При наличии в покрытиях стропил, прочно соединённых с прогонами и между собой в коньке и рассчитанных на действие скатной составляющей нагрузки, они могут применяться и при больших уклонах.

Неразрезные двух- или многопролётные балки позволяют использовать более экономичные поперечные сечения, чем однопролётные балки такого же пролёта, потому что в большинстве случаев при подборе сечений прогиб не является определяющим фактором.

У неразрезных балок, перекрывающих более чем два одинаковых пролёта, опорные изгибающие моменты меньше, чем пролётные моменты однопролётных балок. Проще говоря, чем длиннее такой прогон, тем он менее устойчив на изгиб и требует больше поперечных связей.

ВНИМАНИЕ! Особое внимание необходимо обратить при использовании таких балок в прогонах с неравномерными пролётами и подвижной нагрузкой в пролётах или если приходиться иметь дело с осадкой опор в результате сжатия или усадки опорных конструкций или с неравномерной осадкой фундамента. Это будет влиять не только на напряжения в сечениях (стыки держать конструкцию не будут), но и в первую очередь, на прогибы — прогон будет терять устойчивость.

Неразрезные прогоны выполняют из спаренных элементов — досок или пластин (рис.3 узел Д-Ж).

ВНИМАНИЕ! В крайних пролётах равнопролётных прогонов (рис.3 узел Е), где изгибающий момент больше, чем в средних пролётах, сечение прогонов увеличивают за счёт введения дополнительного элемента без проверки их расчётом или уменьшают крайние пролёты прогона.

Стыки элементов размещают вразбежку от оси опоры, и каждый стык одного элемента перекрывается целым другим элементом. По длине прогона элементы соединяют гвоздями. Длина гвоздей должна обеспечить загиб их концов при выходе из прогона. Расчёт длины стальных нагелей — болтов и гвоздей, а также шага (S) расстановки нагелей (из-за большого объёма материала) будет рассмотрен в отдельном разделе сайта.

1.4. Монтаж цепных прогонов

Особый вид неразрезных балок представляют собой цепные балки, применяющиеся, главным образом, как кровельные прогоны. Они представляют собой брусья, уложенные горизонтально на стропильные фермы и несущие кровлю (рис.3 узел Ж).

При пролётах прогонов до 4,5 м и рубероидной кровле возможна схема монтажа прогонов, приведённая на рис.3 узел Ж. Здесь в каждом пролёте укладывают однопролётный прогон с двумя консолями, а концы соседних прогонов соединяют гвоздями. В этой схеме на опоре, где изгибающий момент больше, сечение состоит из двух досок, а в пролёте из одной.

Выступающие концы балок стыкуются внахлёст над средними опорами так, что изгибающему моменту на каждой опоре, который больше пролётного момента, противостоит двойное поперечное сечение балки. Чтобы обеспечить необходимую несущую способность балки (прогона), концы нахлёста следует соединять соответствующими конструктивными связями, указанными в проекте.

В качестве связей следует применять гвозди, стержни и шпонки особого типа. Для крепления верхнего настила и подшивки потолков необходимо, чтобы прогоны на каждой стропильной ферме смещались на ширину одной балки.

ПРИМЕЧАНИЕ: Неразрезные прогоны мало применяются из-за своей чувствительности к осадкам опор, гибкости креплений, усушки древесины и т.д.

1.5. Монтаж консольно-балочных прогонов

Консольно-балочные прогоны (рис.2 узел Г), как правило, применяют в бесчердачных покрытиях и подвесных потолков при расстояниях между несущими конструкциями не более 4,5 м при применении лесоматериала длиной 6,5 м (рис.4).

Стыки прогона в виде косого прируба (рис.2 узел В) располагают попарно через пролёт в местах изменения знака изгибающего момента при загружении всех пролётов равномерно расположенной нагрузкой.

Консольно-балочные прогоны имеют две схемы креплений и зависят от этих креплений (стыков): с двумя креплениями через пролёт (рис.3 узел Е) или с одним креплением в каждом пролёте (рис.3 узел Ж), кроме одного.

ВНИМАНИЕ! Вторая схема креплений для несущих конструкций прогонов непригодна (рис.3 узел Ж), поскольку в случае разрушения одной из балок или одного из креплений в одном из пролётов произойдёт последовательное разрушение прогонов во всех остальных пролётах.

Однако применение прогонов по второй схеме в виде спаренных прогонов пригодно для выполнения неразрезных прогонов (рис.4) при равномерно распределённых нагрузках на всех пролётах. Размеры досок и стыки таких конструкций определяются проектом.

 

1.6. Монтаж прогонов с подкосами

При устройстве крыш наиболее часто используют системы прогонов с подкосами. Подкосные балки применяются, главным образом, с целью более равномерного распределения нагрузки на прогоны.

ПРИМЕЧАНИЕ: Такие системы применяют в наслонной или подкосно-балочной системах стропил для уменьшения пролёта прогона и обеспечения устойчивости системы в продольном направлении.

Если подкосы идут до основания опор, то расстояние между точками опирания балок уменьшается. Одновременно в результате рамного эффекта повышается устойчивость подкосных рам в горизонтальном направлении.

ПРИМЕЧАНИЕ: Такая конструкция, как правило, применяется при опирании прогонов и балок на стойки в зданиях павильонного типа и для деревянных стропильных систем.

Верхние концы подкосов располагают примерно в третях пролёта прогона и соединяют с ним под углом 30…45°. Нижние концы подкосов упирают в лежни при наслонной системе стропил или соединяют со стойкой в подкосно-балочной системе. Узлы скрепляют скобами.

В навесах нижние концы стоек шарнирно крепят к столбчатым фундаментам с помощью стальных полос и болтов или к железобетонным парным пасынкам на проволочных скрутках. Нижние концы подкосов в навесах в должны заканчиваться на высоте не менее 2,25 м от пола. Расстояние между верхними концами подкосов обычно равно 1/3 пролёта прогона (ригеля).

В зданиях чаще всего применяют подкосные системы с упором верхних концов подкосов в ригель. В наслонных стропильных системах роль основного ригеля выполняет прогон (рис.2 узел В).

В двухскатных крышах при расположении продольной стены посередине здания под коньком кровли укладывается прогон, опирающийся на стойки. Стойки устанавливают на лежень или подкладки.

При наличии двух внутренних несущих стен (например, для кирпичных стен несущей стеной принимается внутренняя стена из сплошной кладки толщиной не менее 380…420 мм), ставят два ряда прогонов по стойкам.

При пролётах прогона до 4,5 м ригель выполняют в виде консольно-балочной многопролётной схемы (рис.5). Для обеспечения жёсткости стропильной системы в продольном направлении между стойками с расстоянием 3…4,5 м в пределах пролётов прогона делают перекрёстные связи из досок.

 

В зданиях с тремя и большим числом пролётов, при отсутствии длинномерных брёвен, стыки ригелей (прогона) можно располагать в средней части пролёта, но не ближе чем 0,5 м от места примыкания подкосов (рис.5).

Для обеспечения жёсткости стропильной системы в продольном направлении между стойками в пределах пролётов прогона применяют подкосные системы. Подкосы ставят у каждой стойки пролёта прогона. При шаге стоек 4,5…6 м устанавливают подкосы, упираемые в прогон в третях пролёта. В этом случае стыки прогона располагают посередине пролёта (рис. 6).

 

Монтаж деревянных наслонных стропил для вальмовых крыш

Схема деревянных наслонных стропил с упором на два прогона, для вальмовой крыши с проходным чердаком, показана на рис.8. Если при наличии двух прогонов у стропильных ног ставят подкосы, то для восприятия создаваемого ими распора между лежнями располагают распорки (рис.8 разрез 2-2 поз.3).

Если стропильные ноги опираются на два прогона, то в коньке прогоны не ставят (рис.8). В этом случае концы стропильных ног опираются друг в друга и покрываются коньковым брусом. Выше прогонов в этом случае возникает распор, который воспринимают с помощью ригелей (рис.8 поз.6).

ВНИМАНИЕ! Особое внимание следует уделить угловым (крайним) стойкам и прогонам. Часто их делают такого же сечения, как и остальные стропильные узлы, однако нередко они несут нагрузку в 1,5 раза большую, чем промежуточные стойки и прогоны. Ослабленная стойка и прогон прогибаются — крыша получается неровной.

Схема деревянных наслонных стропил с упором на один прогон для вальмовой крыши показана на рис.9.

ПРИМЕЧАНИЕ: У конечной стойки односторонний подкос вызывает повышенные изгибающие моменты и деформации. Здесь лучше установить концевой подкос или уменьшить крайний пролёт, чтобы получить одинаковые изгибающие моменты в пролётах.

Кроме того, за счёт уменьшения крайних пролётов удаётся добиться выравнивания опорных потенциалов или, иначе говоря, нагрузок, передающихся на стойки и подкосы, поддерживающие прогоны, что особенно важно.

 

ВНИМАНИЕ! Уменьшение крайних пролётов на 20% от длины среднего пролёта полезно ещё и потому, что при средних пролётах L=6м крайний элемент прогона вместе с консолью у опоры будет иметь ту же расчётную длину, т.к в случае одинакового шага опор шаг с отклонением до 20% может считаться одинаковым.

В противном случае потребовался бы для крайних элементов прогона длинномерный лесоматериал или устройство стыков вблизи крайних опор, что НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ.

Схема деревянных наслонных стропил с упором на два прогона, для вальмовой крыши с фронтоном под коньком для слухового окна, показана на рис.10.

Для уменьшения длины деталей стропильных ног (в том числе и диагональных) применяют подкосы (рис.10 п.6) и ригели (рис.10 п.8), так как в точке опирания на подкос можно выполнить стыковку брусьев стропильной ноги.

ВНИМАНИЕ! Особое внимание стоит уделить диагональным стропильным ногам и подкосам. Часто их делают такого же сечения, как и остальные стропила, однако нередко они несут нагрузку в 1,5 раза большую, чем промежуточные стропила.

Сечения изгибаемых элементов стропильной системы (всех видов стропильных ног, прогонов и шпренгелей) определяются требованиями прочности и жёсткости.

Схема продольных стропильных рам с усилением подкосов в крайних пролётах при повышенных ветровых и снеговых нагрузках показана на рис.11.

 

ПРИМЕЧАНИЕ: Особенно опасны ошибки, связанные с устройством ригелей и затяжек, поскольку и специалисты не всегда учитывают реальное распределение нагрузок и усилий.

Схема продольных рам стропил с фронтоном под коньком для слухового окна показана на рис.12.

Подкосы и ригели ставят у каждой пары стропильных ног (рис.9 п.12). Угол наклона подкосов должен иметь к горизонтальной плоскости не менее 45°.

Схема опирания диагональных стропил с фронтоном под коньком для слухового окна показана на рисунке узел-70.

Прогоны к стойкам крепят стальными стержнями, а подкосы к прогонам и стойкам — с помощью лобовых врубок, закрепляемых скобками или болтами.

Нижние концы подкосов упирают в лежни при наслонной системе стропил или соединяют лобовыми врубками со стойкой в подкосно-балочной системе. Узлы скрепляют скобами или накладками. Стыки прогонов обычно располагают над стойками или в пролете на расстоянии Х (рис.2 и рис.3)

ВНИМАНИЕ! Для лучшего использования несущей способности брёвен следует учитывать их сбег, располагая более тонкие их концы в верхней части стоек. А в ригелях тонкий конец бревна устанавливают в сторону наружной стойки (рис.11).

Нередко ошибкой возведения крыши является то, что не выдерживают расчётных размеров поперечных сечений конструкций, в результате чего появляются недопустимые прогибы. Иногда трудно придерживаться расчётов проектировщика, поскольку ассортимент выпускаемой продукции пиломатериалов не позволяет точно подобрать конструкции требуемых сечений. Чаще всего, застройщик сначала выбирает лесоматериалы, а затем советуется с проектировщиком о его применении.

ПРИМЕЧАНИЕ: Сечение элементов наслонных стропил определяется расчётом. При отсутствии таких расчётов следует руководствоваться конструктивными требованиями сечений элементов стропильной системы. Они должны быть не менее размеров указанных в таблицах 2 и 3.

 

ПРИМЕЧАНИЕ: Диаметр брёвен для стропильной системы принимается по верхнему отрубу и по чертежам узлов.

Под стойками устанавливают лежни или подкладки, размеры которых можно принимать по табл.3.

 

Номинальные размеры пиломатериалов хвойных пород приведены в таблице 2 раздела «Древесина и крепёж для крыш».

 

Ошибки при монтаже прогонов и стоек крыши

Во многих случаях в несущих деревянных элементах крыши применяют древесину естественной или повышенной влажности. Это приводит к появлению в брёвнах, брусьях и досках продольных трещин от неравномерного высыхания древесины, вызывает коробление пиломатериалов и способствует появлению гнили.

ВНИМАНИЕ! Продольные трещины в деревянных элементах часто совпадают с отверстиями для нагелей и местами забивки гвоздей в стыковых соединениях элементов, с площадками скалывания во врубках. Это приводит к значительным деформациям стыков и, иногда, к полному разрушению конструкции. Поэтому использование древесины естественной и повышенной влажности НЕДОПУСТИМО.

Для распределения нагрузки под стойки помещают подкладки, чтобы стойки «не проткнули» перекрытие чердака. Эти вертикальные дополнительные стойки передают нагрузку, действующую на промежуточный прогон несущей конструкции (например, в стойках диагональных стропильных ног).

Ошибка при этом заключается нередко в том, что не выдерживают минимальной (1,8 м) длины подкладок, вследствие чего эти чересчур короткие «башмаки» нагружают не балки перекрытия, а элементы настила, которые не рассчитаны на такие нагрузки и разрушаются (рис.12).

ВНИМАНИЕ! Утрата несущей способности опорных стоек, прогонов и подкосов жёсткости системы снижает пространственную жёсткость стропильной системы, уменьшает её сопротивляемость ветровым, снеговым нагрузкам и приводит к потере прочности конструкций крыши.