Проектирование кровельных ферм - Строительство и ремонт

Выбор ферм для крыши

Архитектурный стиль, типы кровельного материала, методы поддержки колонн и относительная экономичность являются основными факторами, влияющими на выбор одного из трех основных типов ферм: тетива, скатная и плоская. Кроме того, необходимо учитывать высоту и тип боковых и торцевых стен, форму крыши и требования к креплению.

При прочих равных условиях главным фактором является экономичность. Экономичность зависит от эффективности использования материала по отношению к типу и пропорциям фермы и трудозатратам на изготовление. Теоретически, три основных типа ферм в порядке относительной эффективности: тетива, скатная и плоская.

Функция фермы заключается в передаче нагрузки от точки приложения к опорам как можно прямее. Таким образом, для сосредоточенной нагрузки на центральной линии пролета наиболее эффективна простая рама типа “А”. Аналогично, если речь идет только о двух равных и симметрично расположенных сосредоточенных нагрузках, наиболее эффективной является ферма типа ферма-столб. В обеих фермах нагрузка передается на опору непосредственно через наклонный верхний стержень, без необходимости использования полотна.

Стропильные фермы

Для более или менее равномерных нагрузок, которые обычно предполагаются при строительстве крыш, теоретически наиболее эффективной является арка в форме параболы, поскольку в ней и в связевом элементе развивается только прямое напряжение. Параболическая арка не нуждается в большем сечении арки для восприятия изгибающего момента, а также не нужно вводить элементы полотна для уменьшения изгиба. Однако, поскольку большинство конструкций должны выдерживать некоторую несбалансированную нагрузку, наличие полотнищ желательно, а круглую арку изготовить проще, чем параболическую. Таким образом, широко используемая ферма-бабочка имеет верхнюю хорду по круговой дуге и достаточное количество элементов полотна для поддержания разумных размеров верхней хорды.

Балочные фермы обычно анализируются на прямые напряжения, как если бы верхняя хорда находилась на прямой линии между точками панели. Верхние хорды могут быть клееными (рис. 1) по кривизне или цельными бревнами, уложенными по криволинейному шаблону с распилом или без распила их верхних поверхностей по кривизне (рис. 3.2). Изгибающий момент, обусловленный эксцентриситетом между точками панелей, необходимо учитывать как для криволинейных ламинированных элементов, так и для элементов, запиленных на кривизну, если осевая линия элемента не совпадает с предполагаемым направлением осевого напряжения. Если балки расположены на расстоянии друг от друга по верхней хорде, этот вторичный изгибающий момент может позволить

использовать меньшие размеры элементов, чем в случае действительно сегментного верхнего пояса из пиленой древесины. Кроме того, из-за более высоких допустимых напряжений в узлах, клееные верхние хорды и другие клееные элементы обычно позволяют использовать меньшие размеры. Они также устраняют или уменьшают необходимость в поддержании выдержки, требуемой для некоторых пиленых элементов. Однако из-за дополнительных трудозатрат, связанных с ламинированием, они могут быть более дорогими, чем пиленые элементы.

Верхние хорды, которые были механически ламинированы гвоздями, болтами или и тем, и другим, иногда используются для ферм тетивы. Хотя их эффективность ниже, чем у клееных или пиленых элементов того же размера, они подходят для использования, если количество гвоздей было спроектировано или определено на основе опыта для обеспечения требуемой прочности собранной секции. Сечение обычно будет больше, чем для клееного элемента, но оно также будет более подходящим для полевого ламинирования.

Стропильная ферма может быть построена так, чтобы иметь вид плоской или скатной фермы, и, таким образом, является наиболее гибкой из всех типов ферм. Для таких конструкций необходимо предусмотреть соответствующее боковое крепление для той части изогнутой верхней фермы, которая не имеет прямой боковой поддержки от каркаса крыши (см. рис. 3).

Скатные фермы

Скатные фермы (рис. 3.4) имеют некоторые теоретические преимущества тетив в том, что часть нагрузки передается на опоры непосредственно через верхние хорды и не передается через полотна. Для средних пролетов верхние хорды скатных ферм имеют экономическое преимущество, позволяющее использовать пиломатериалы без специальной распиловки или подгонки под кривизну, а также простоту раскладки и изготовления. Соединения “полотно – элемент” и другие соединения также, как правило, просты. Как и в фермах с тетивами, они гораздо менее сложны, чем соединения плоских ферм.

Плоские фермы

Плоские фермы (рис. 3.5) менее эффективны, чем скатные или тетивы. Они предпочтительны только в том случае, если требуется относительно плоская поверхность крыши, особенно с несколькими пролетами.

Для боковых связей и соединений с колоннами они имеют преимущество в том, что обеспечивают эффект армирования, поскольку к колоннам могут быть прикреплены как верхние, так и нижние хорды. При обычных пропорциях фермы, напряжения в ее полотне будут значительно больше, чем в скатных или тетивах, а соединения полотна будут более сложными и дорогими.

Фермы с приподнятыми хордами

Фермы с поднятыми хордами (рис. 3.6) – это фермы, у которых центральная часть нижних хорд значительно поднята над уровнем опор. Они часто используются по причинам внешнего вида или для увеличения свободного пространства. Типичными примерами являются серповидные фермы типа “тетива”, так называемые выпуклые фермы или скатные фермы с приподнятым нижним концом, использующие системы полотна Хау, Пратта или Финка, а также ножничные фермы. Если эти фермы не анализируются как арки, а фиксация или сопротивление горизонтальной нагрузке обеспечивается соответствующим образом на опоре, эффективное отношение глубины к пролету простых ферм должно сохраняться. Фермы с поднятыми хордами, особенно с пролетами более 50 футов, должны быть проанализированы на предмет нагрузки на стены, вызванной прогибом, и стены или колонны должны быть спроектированы соответствующим образом.

В противном случае необходимо предусмотреть специальные несущие детали или обрамление стен для уменьшения нагрузки.

Если ферма опирается на кирпичную кладку, усилие, вызванное прогибом, может быть минимизировано с помощью щелевых анкерных соединений. Роликовые опоры на одном подшипнике встречаются не часто, за исключением больших пролетов, где необходимо обеспечить свободное движение. Резерв для устранения деформационных нагрузок наиболее важен в момент возведения; позже ферма стабилизируется субстанционально. Если предполагается, что максимальная вертикальная живая нагрузка и ветер не возникают одновременно, кроме того, обычное обеспечение ветровой нагрузки на опоры часто считается достаточным для устранения деформации от вертикальной нагрузки.

Для ферм, опирающихся на свободно стоящие колонны с боковыми стенами из каменной кладки, хорошо предусмотреть зазор для бокового прогиба между колонной и стеной во время возведения. После первоначального бокового смещения можно подтянуть соединения между колонной и стеной. Необходимый зазор может быть определен расчетами прогиба, но часто он выбирается произвольно на основе опыта.

Специальные фермы

Существует множество других типов ферм, а также комбинаций стандартных типов, которые предлагают особые преимущества для особых условий. В целом, действуют те же рекомендации по пропорциям, расстояниям и другим деталям конструкции. Типичными комбинациями являются тетива-плоская (рис. 3.7a) и скатная ферма-плоская (рис. 3.7b) двухпролетной ширины, которые

обеспечивают водоотвод к наружным стенам. В плоских фермах часто используются комбинации систем полотна Пратта и Хау. К специальным типам относятся распространенная ферма с зубчатым сечением, консольные фермы и перевернутые фермы.

Неопределимые конструкции, такие как жесткие рамы или непрерывные фермы, не часто используются в древесине. Такие фермы часто создают проблемы при возведении, которые увеличивают затраты больше, чем экономия на материалах.

МАКСИМАЛЬНАЯ КРЫША ФЕРМА ПРОСТРАНСТВО

Экономические факторы

Максимальный экономичный пролет любого типа деревянной фермы зависит от имеющегося материала, условий нагрузки, расстояния между элементами, типа фермы, соотношения трудозатрат и стоимости материала, а также методов изготовления.

Фермы для скатных и плоских крыш

Фермы скатных и плоских крыш со средней нагрузкой и расстоянием между ними 15-20 футов редко используются для пролетов более 80 футов. Экономичные пролеты обычно ограничены доступными размерами и длиной цельной пиленой или клееной древесины, а также потенциальной пропускной способностью соединений полотна с балками. Если нагрузка и расстояние между элементами меньше, то при тех же относительных размерах элементов и деталях соединений можно построить и большие пролеты.

Стропильные фермы

Балочные фермы экономичны при пролетах до 250 футов и более. Стропильные фермы, использующие клееные элементы, обычно изготавливаются в цехе и не рекомендуются для изготовления в полевых условиях, если не обеспечен компетентный надзор и не осуществляется такой же контроль качества, как и в цехе. Поскольку многие производители стандартизировали стропильные фермы, их можно рассматривать в качестве альтернативы, даже если первоначальный проект предусматривает плоскую или скатную ферму.

Легкие стропильные фермы

Легкие фермы, такие как стропила с шагом 2-4 фута, рекомендуются для пролетов до 50 футов (см. рис. 3.8). Они могут быть построены для больших пролетов, но тяжелая ферма с большим шагом может быть более экономичной для этой цели и даже может быть такой для пролетов менее 50 футов.

Рис. 3-8. Треугольные стропильные фермы особенно требуют небольших легкодоступных пиломатериалов, их соединения просты в изготовлении, а готовые блоки достаточно легки по весу, чтобы их можно было переносить и возводить без специального оборудования.

ТРУС ПРОПОРЦИИ

Стропильная ферма пропорции

Если не принимать во внимание экономичность, прогиб и вторичные напряжения, вызванные прогибом, то теоретически фермы могут быть построены практически в любых пропорциях. Понимание взаимосвязанных факторов, влияющих на производительность и экономичность, поможет проектировщику выбрать оптимальную систему.

Отношение глубины к пролету

Определенные соотношения эффективной глубины и пролета рекомендуются как удовлетворительные на основе опыта. Чем больше пролет, тем более желательно использовать более глубокие фермы. Хотя фермы меньшей глубины могут быть приемлемы, особое внимание следует уделить возможности большего прогиба и вторичных напряжений. Прогиб в фермах глубиной меньше средней может быть сведен к минимуму следующими методами: (1) консервативное проектирование, (2) использование низких или средних сортов материала, (3) использование минимального количества соединений хорды (путем использования наибольшей доступной длины), (4) использование креплений с наименьшей деформацией, и (5) использование как можно меньшего количества панелей. При этом получаются более жесткие элементы и, следовательно, меньший прогиб при заданной нагрузке.

Рекомендуется, чтобы верхняя хорда фермы-балки была изготовлена с радиусом, примерно равным пролету. Предлагаемое эффективное отношение глубины к пролету составляет от 1:6 до 1:8. При радиусе, равном пролету, соотношение будет немного больше, чем предлагаемый минимум. Для скатных ферм рекомендуется соотношение эффективной глубины к пролету между 1:5 и 1:6, но не менее 1:7, если не учитывается прогиб. Для улучшения внешнего вида можно использовать гораздо более глубокие фермы, например, для круто скатных крыш, популярных в церквях.

Для плоских ферм рекомендуется минимальное соотношение глубины к пролету от 1:8 до 1:10, причем более глубокие фермы предпочтительнее для длинных пролетов. Крыши должны иметь минимальный уклон ¼ дюйма на фут для надлежащего дренажа, хотя часто желательны более крутые уклоны. Плоские крыши без уклона для водоотвода не рекомендуются, если только в проекте не предусмотрено возможное скопление воды из-за остановившегося водостока или естественного прогиба. Водостоки на плоских крышах должны располагаться в низких точках. Они находятся в центре пролета, если ферма построена плоской.

В более длинных пролетах, вероятно, более важны вторичные напряжения прогиба. Поскольку эти напряжения не поддаются точному расчету, для ферм с такими пролетами следует использовать большие отношения глубины к пролету. Прогиб свободностоящих ферм обычно находится в допустимых пределах, даже для штукатурки, но необходимо следить за тем, чтобы естественный прогиб не мешал вспомогательному каркасу. Часто желательно использовать подвесные потолки. Следует предусмотреть достаточное расстояние между фермами и так называемыми незаживающими перегородками или окнами из листового стекла. Следует также предусмотреть возможность регулировки уровня петель, если существует вероятность того, что прогиб может помешать правильной работе дверей или механизмов, подвешенных к фермам.

Количество панелей

Желательно использовать как можно меньше панелей фермы, если это позволяют разумные размеры элементов. Такая практика означает меньшее количество элементов для обработки, меньшее количество соединений для изготовления и сборки, а также теоретически улучшенные эксплуатационные характеристики. Количество панелей обычно должно определяться разумными размерами верхних хорд, а не какой-либо фиксированной формулой. Для материала толщиной 2-4 дюйма желательная длина панели обычно находится в диапазоне от 6 до 10 футов. Таким образом, симметричная ферма пролетом 3 0 футов будет иметь четыре панели, тогда как ферма 40 футов может иметь четыре или шесть, а ферма 80 футов – восемь или десять.

СИСТЕМЫ СТРОИТЕЛЬСТВА КРЫШ

При проектировании ферм необходимо учитывать только две основные системы конструкции крыши. Одна из них прикладывает нагрузку на ферму только в точках панелей; другая прикладывает ее либо непрерывно, как при дощатой кровле, либо с интервалами вдоль верха, как при стыках. Первая система создает только прямые напряжения в хордовых элементах; вторая создает изгибающие, а также прямые напряжения.

С точки зрения одних только пиломатериалов, балки, расположенные вплотную друг к другу по хордам, или обрешетка, расположенная в точках панелей и между ними, более экономичны, чем обрешетка, расположенная только в точках панелей, поскольку последняя требует более тяжелой дощатой кровли или стропил и обрешетки. Однако трудозатраты меньше, если вместо балок с близким расстоянием между ними используются обрешетка и настил, так как для обработки требуется меньше деталей.

меньше деталей для обработки и меньше точек, в которых необходимо прибивать настил. Толстые доски из более легких пород древесины со специальными языками и пазами иногда накладываются непосредственно на верхние хорды в пали балок или обрешетки. С точки зрения трудозатрат они, вероятно, являются наименее дорогостоящими при монтаже. Дощатая кровля и тяжелая обрешетка обеспечивают повышенную огнестойкость, как и все тяжелые элементы ферм по сравнению с более тонкими или легкими элементами. Прогоны, используемые в местах установки панелей, не вносят заметного изгиба в верхнюю часть фермы. Поэтому они могут быть желательны как средство сохранения разумных размеров хорды, особенно для больших пролетов, более тяжелых нагрузок, а также для плоских, скатных или других ферм с прямыми хордами.

КРЫША- ФЕРМА РАССТОЯНИЕ

Не существует фиксированных правил для расстояния между фермами в зданиях. На расстояние может влиять каркас крыши, конструкция стен, размер доступного материала, условия нагрузки, а также расстояние между колоннами, необходимое для перемещения материалов или движения транспорта. В целом, чем больше расстояние между фермами, тем экономичнее конструкция, а чем длиннее пролет, тем большее расстояние желательно. Предельные расстояния между фермами определяются размерами прогонов или балок, доступных для установки между фермами.

Расстояние между фермами часто выбирается более или менее произвольно из-за его пригодности для конкретной конструкции крыши и стен или функции здания. Например, если используются стены из каменной кладки, часто выбирается расстояние между фермами, которое соответствует расстоянию между пилястрами, необходимому для боковой поддержки стен. Если материал обшивки крыши будет наноситься непосредственно на фермы без дополнительного обрамления, чтобы сэкономить труд на установке обрешетки, расстояние между фермами может варьироваться от 2 футов при 1-дюймовой обшивке до 7-9 футов при 2-дюймовой доске или до еще больших размеров при более тяжелой доске. Если между фермами используются балки или прогоны, расстояние между ними может определяться экономичностью и доступными размерами соединений, хотя при обычном использовании расстояние между ними должно быть в пределах от 14 до 20 футов. Если расстояние между фермами превышает 20 футов, следует обязательно рассмотреть доступность необходимых размеров и длины. Если расстояние между элементами обрешетки больше, чем подходит для пиленой обрешетки, то вместо нее можно использовать либо клееную обрешетку, либо ферменную обрешетку.

ПУРЛИНЫ ОБРЕШЕТКА

Если расстояние между фермами требует более длинной обрешетки, чем имеется в продаже, часто используются фермы с обрешеткой. Их конструкция аналогична конструкции любой простой фермы. Если фермы с прогонами наклонены от вертикали, то есть, если их верхние и нижние хорды не находятся в одной вертикальной плоскости, как в скатных фермах, важно предусмотреть крепление для поддержания нижних хорд в правильном положении.

КРЫША – ФЕРМА КРЕПЛЕНИЕ И АНКЕРОВКА

Кронштейны и анкерные крепления необходимы для удержания ферм и элементов ферм в правильном положении, чтобы они могли противостоять вертикальным нагрузкам, а также боковым нагрузкам, таким как ветер, удар или землетрясение. Хотя каркас крыши обычно служит боковым креплением для верхних хордовых элементов, важно предусмотреть адекватные боковые опоры для нижних хордовых элементов (см. рис. 3.10), а также учесть возможную необходимость вертикального раскачивания между верхними и нижними хордами соседних ферм (см. рис. 3.11). Горизонтальные поперечные связи иногда требуются в плоскости верхней и нижней хорды, особенно в длинных зданиях, в которых диафрагменное действие каркаса крыши недостаточно для сил, действующих на торцевые стены, или в которых боковые нагрузки на стены воспринимаются торцевыми стенами или ферма и ее опора не спроектированы как изгиб для сопротивления боковой нагрузке.

Фермы должны быть надежно закреплены к правильно спроектированным стенам или колоннам, а колонны, в свою очередь, закреплены к фундаменту. Если для боковых стен и вертикальной проекции крыши не предусмотрены какие-либо другие виды боковых нагрузок, например, действие диафрагмы в стенах и обшивке крыши, боковое сопротивление должно быть обеспечено в элементах колонн с помощью коленных скоб или фиксации в основании колонн.

коленных скоб или фиксации у основания колонн. Крепления должны быть разработаны и детализированы с той же тщательностью, что и сама ферма, а не оставлены на усмотрение подрядчика. Предлагаемые здесь требования к креплениям являются минимальными и не зависят от фактического анализа боковых нагрузок или требований местных норм. Вертикальные поперечные распорки должны быть установлены в нижней части фермы в месте расположения вертикальных распорок и быть непрерывными с конца.

Если требуется, нижняя поперечная арматура обычно устанавливается в тех же секциях, что и вертикальная поперечная арматура. Элементы крепятся к ферме или к горизонтальным стойкам и пластинам. Могут использоваться деревянные элементы или стальные стержни. Для устранения провисания элементов каркаса крыши можно использовать подвесы. Непрерывные прогоны по всей длине здания. Они могут быть почти квадратными, сплошными или иметь форму “Т”, “U” или “I”. Они крепятся к нижнему поясу или полотну вблизи пояса. Встроенные прогоны должны быть соединены шипами и болтами. Для верхнего бокового укрепления обычно достаточно диагональной обшивки крыши, хорошо прикрепленной к балкам или обрешетке, которые, в свою очередь, надежно прикреплены к ферме. Иногда, однако, в плоскости верхних хордов необходимо установить крепления, аналогичные нижним боковым креплениям. Условия проектирования

Вертикальные раскосы должны использоваться, как минимум, в концевых секциях, возможно, по две секции на каждом конце и около середины пролета для длинных зданий. Она состоит из деревянных элементов или стальных стержней, прикрепленных к ферме, конструкции крыши или прогонам. По возможности следует использовать усиление колонн и стен, которое может состоять из диагональной обшивки со стойками или прогонами, вставных скоб или поперечных связей. Пересечение может быть из деревянных элементов или стальных стержней.

Читайте далее: