Для увеличения несущей способности стропильных ног (рис. 68) как в наслонных, так и висячих стропильных системах применяют установку разгружающих балок (подмог), двухсторонних накладок и подкосов.
рис. 68. Усиление стропильных ног подмогойКак показывали расчеты по старому СНиПу «Нагрузки и воздействия», стропила в пролете между мауэрлатной балкой и подстропильной ногой с размерами сечения, подобранными по прочностным характеристикам, часто не проходили расчет на прогиб и приходилось увеличивать их высоту. Изготовить стропильную ногу переменного сечения можно включением в нее дополнительной деревянной балки — подмоги. Подмогу крепят в пролете между мауэрлатом и подстропильной ногой, ее высотой добирают высоту сечения стропила, чтобы оно проходило по расчету на прогиб. Крепят подмогу болтовыми хомутами или металлическими зубчатыми пластинами.
Другой опасный узел в неразрезной стропильной ноге — опирание на подкос. Когда-нибудь ломали палку через колено? Так вот, в этой расчетной схеме подкос и есть то самое колено, здесь возникает самый большой изгибающий момент, из-за которого приходится увеличивать сечение всей стропильной ноги. Прогиба в этом узле нет, поэтому можно увеличить не высоту стропила, а его ширину, путем закрепления двусторонних дощатых накладок (рис. 69). Ширина накладок подбирается при расчете сечения стропила на максимальный изгибающий момент. Накладки крепятся гвоздевым боем, болтами или, как и в предыдущем случае, болтовыми хомутами. Если стропило уже усиливается подмогой, то ее нужно сделать длиннее и вывести край за узел опирания на покос. В этом случае решается сразу две задачи: усиление опорного узла и прогиба в пролете.
рис. 69. Усиление опорного узла путем увеличения ширины стропилаПри реконструкции кровли под более крутой скат устанавливают новые стропила, сращивая их со старыми (если они не сгнили) дощато-гвоздевой перекрестной стенкой. Новые стропила могут быть введены, как поверх старых стропил, так и ниже их. Образующаяся при этом ферма обеспечивает не только новый уклон, но и повышенную жесткость стропильной конструкции (рис. 70). Этот метод позволяет не разбирать старую крышу и ускоряет работы, но и подкрышное пространство не увеличивает. Если целью изменения уклона скатов было устройство мансарды, то объем чердака останется прежним.
рис. 70. Усиление стропил устройством дощато-гвоздевой фермыИногда случается так, что конец стропильной ноги подгнивает, опирание на мауэрлат получается ненадежным, в этом случае к нижнему концу стропильной ноги можно прикрепить дополнительные подкосы, которые упирают в ту же мауэрлатную балку или в дополнительный лежень (рис. 71). Рекомендуется раздвигать нижние концы дополнительных подкосов — они обеспечивают лучшую устойчивость стропила. А подкосы, опертые на дополнительный лежень, частично могут уменьшить прогиб стропила в пролете между подстропильной ногой и мауэрлатом. Дополнительные подкосы крепят гвоздевым боем с опиранием в прибоины на стропиле.
рис. 71. Усиление низа стропильной ноги установкой дополнительных подкосовПри использовании в строительстве крыши сырой древесины (влажностью более 25%) и недостаточной вентиляции холодного чердака, при высоко расположенных слуховых окнах, малой их площади, либо при отсутствии чердачных продухов, возможно загнивание нижнего конца стропильных ног или мауэрлата.
Также загнивание может наступить при отсутствии или повреждении пароизоляции и воздушных продухов в конструкции утепленной мансардной крыши или закупоривание их концов. Либо при увлажнении древесины стропильных ног и мауэрлата в крышах любого типа при протечке кровли, либо при отсутствие гидроизоляционного слоя между древесиной и кладкой стены и увлажнение древесины от кладки.
Существует несколько способов восстановления и усиления поврежденных конструкций.
1. Применение деревянных накладок. Их используют при одиночном повреждении стропильных ног. Усиление проводят путем установки усиливающих деревянных накладок с закреплением болтами или гвоздевым боем. Опирание накладок на мауэрлат должно быть всем торцом с последующей установкой проволочной скрутки (рис. 72).
2. Использование прутковых протезов. Их применяют при массовом повреждении стропильных ног. До начала работ поврежденную стропильную ногу укрепляют на временных опорах, разбирают покрытие и выпиливают сгнившую часть стропильной ноги. Протез надевают на стропильную ногу и укладывают на мауэрлат. Спиленный торец стропильной ноги упирают в опорную площадку протеза, которая предотвращает ее сползание. Жесткость верхнего сжатого пояса протеза обеспечивает подкосная решетка.
3. Использование накладок, опирающихся на балку. Этот вариант применяют при необходимости замены сгнившего участка мауэрлата и конца стропильной ноги (рис. 73). До начала работ стропильную ногу укрепляют временными опорами, вырезают сгнившие участки ноги и мауэрлата, забивают в кладку костыли и укладывают на них балку длиной 1 м. Если конструкция стен и перекрытия позволяет, а чаще всего это именно так, то на стену или перекрытие укладывают метровый кусок лежня. В эту балку упирают два подкоса, закрепленные на гвоздях по обе стороны стропильной ноги. Обрешетку поддерживают новой удлиненной кобылкой.
рис. 73. Ремонт узла опирания стропил при повреждении мауэрлатаПри недостаточном воздухообмене чердачного помещения, а вследствие этого развитии грибковых спор и загнивания древесины деревянных конструкций крыши проводят ряд мероприятий для восстановления вентиляции (рис. 74). В чердачном помещении следует изучить характер движения воздуха, определить температуру воздуха на верхней границе утеплителя (она не должна превышать 2°С при любой отрицательной температуре наружного воздуха) и устроить дополнительные продухи и слуховые окна. Площадь сечения слуховых окон и продухов должна составлять 1/300–1/500 площади чердачного перекрытия. Ширина продухов должна быть в пределах 2–2,5 см. Нужно измерить и при необходимости увеличить до расчетной толщину утеплителя. Слежавшийся утеплитель необходимо разрыхлять примерно один раз в пять лет. У наружных стен при ширине до 1 м толщина его может быть увеличена до 50% выше расчетной. Следует проверить и, если необходимо, то восстановить пароизоляцию под слоем утеплителя.
рис. 74. Устройство нормального процесса воздухообмена в чердачной крышеУсиления других деревянных конструкций, стен, перекрытий и фундаментов можно посмотреть в специальном разделе сайта.
Как используются скользящие стропила
Устройство любой кровельной системы представляет собой сложный процесс, в котором должны участвовать только профессионалы. При возведении любого типа крыши самым сложным и серьезным этапом является сооружение стропильной системы.
На сегодняшний день стропильные системы могут быть нескольких видов. Мы предлагаем рассмотреть в данной статье один из самых распространенных видов – скользящие стропильные системы. Так, мы рассмотрим главные нюансы, которые необходимо учесть при их строительстве, а также узнаем об их функциях.
К строительству стропил нужно подходить с большой ответственностью. Если допустить хоть какую-нибудь ошибку, то устройство крыши может быть нарушено, что приведет к ее разрушению. Кроме того, это может отрицательно сказаться на самом здании.
Чтобы соорудить кровельную систему правильно, для начала нужно заняться подготовкой ее основным элементов.
Среди них выделяют:
- Конек – верхний элемент крыши. По первому сделанному коньку делается обязательный шаблон, который после поможет изготовить необходимые к коньку элементы;
- Удлиненные доски для дома большого размера. В этом случае нужно проделать специальные отверстия для болтов в стыковочной доске. Их необходимо просверливать при помощи сверла дрели – только в этом случае древесная структура не повредится.
Застройщик должен не забывать при устройстве кровельной системы про массу кровельного материала, а также про осадки различного рода. Как известно, в нашей стране бывает снежная зима, в период которой выпадает большое количество осадков в виде снега.
Усадка древесины также играет большую роль во время расчета кровельной системы. В этом случае необходимо исходить из размеров сечения бревна. Например, при таких показателях, как 195х195 миллиметров, общая величина усадки по карнизам или фронтам должна составлять 6%.
Когда все важные элементы будут рассчитаны и подготовлены, можно приступать к возведению стропильной системы.
Скользящая стропильная система состоит из следующих элементов:
- кровельный конек;
- опоры стропильных ног, предназначенные на промежуточные балки;
- опоры стропильных ног, предназначенные на карнизный свес.
Чтобы прикрепить конек крыши, необходимо приобрести стыковочные пластины. Что касается опоры стропильных ног к промежуточным балкам, то в этом случае нужна скользячка для стропил. Такие скользящие элементы часто применяются при сооружении стропил.
Скользящие опоры для стропил необходимо крепить к каждому стропилу в перпендикулярном положении (детальнее: «Как крепить стропила «). Скользячки для стропил должны выполняться точным запилом в брусьях. Правильная установка стропил будет только в том случае, если элемент будет установлен под углом в 90 градусов.
Скользячка может быть установлена в самом крайнем положении. В этом случае будет обеспечен максимальный ход стропильной системы в дальнейшем процессе усадки дома. То есть, усадка древесины никак не отразится на состоянии стропильной системы. Когда процесс стабилизируется, то можно снова укладывать постоянное кровельное покрытие
Обратите внимание на фото – на них представлены главные элементы стропильной системы скользячка. Здесь же представлена скользящая опора стропил закрытая
Главные характеристики узлов стропильной системы
Основные узлы крепления стропильной системы кровли показаны на рис. 1. Они подразумевают наличие стропильной ноги (мауэрлата – 1), стропильной ноги (конькового прогона – 2), стойки (затяжки – 3). Конструкция стропильной системы – это основной несущий элемент кровли.
Все узлы крепления кровли должны иметь достаточную прочность, это должно исключать значительную степень риска, связанного с обрушением кровли.
Последствия допущенной ошибки при соединении элементов могут оказаться самыми непредсказуемыми.
Рисунок 1. Основные узлы крепления стропильной системы кровли: 1 – мауэрлат, 2 – коньковый прогон, 3 – затяжки.
Вначале производят установку стропил на мауэрлате при наличии у строения кирпичных стен. Аналогичные узлы предусматриваются и для блоков из бетона, тогда необходимо создать железобетонный пояс жесткости, а в его конструкцию обязательно вставить шпильки. Их расположение должно быть на расстоянии от 1 до 1,5 м друг от друга, а их диаметр должен составлять более 14 мм. Верх шпилек должен быть оснащен специальной резьбой.
Мауэрлат просверливают, делая отверстия, которые необходимы для крепления элементов на нем. Каждое из отверстий должно иметь размер, совпадающий с диаметром шпильки, а его шаг должен соответствовать расстоянию между шпильками. На каждый выступающий конец шпильки надевают гайку и затягивают ее, за счет чего и обеспечивается прочность соединения мауэрлата и стены. Соединять стропила с мауэрлатом следует так, чтобы не произошло ослабление их несущей способности.
Описание основных крепежных элементов для монтажа стропильной системы
Если в процессе строительства дома было использовано оцилиндрованное бревно либо брус, то создавать армопояс не обязательно. производят на верхнем брусе либо на бревне стенки. С данной целью соединения мауэрлата со стропилами применяют разные способы врубок (врезок).
Каким крепежом крепят металлические стропила:
- Пластинами.
- Крепежными элементами LK.
- Уголками.
- Кронштейнами WВ.
- Саморезами.
- Разновидностями уголка КР.
- Стяжками из проволоки.
- Монтажной лентой перфорированной ТМ.
- Болтами с гайками.
- Кронштейнами WВ.
Если при соединении стропил с мауэрлатом применяют кронштейны, то их врезку на стропилах не производят, что способствует укреплению несущей способности. Обычно производят металлические кронштейны, а металл является оцинкованным и имеет размер толщины в 0.2 см. Кронштейны укрепляют гвоздями, анкерными болтами или шурупами.
Применять крепежный элемент LK можно, создавая узлы крепления не только стропил с мауэрлатом, но и других различных элементов, составляющих конструкции кровли. Крепежный элемент LK укрепляется к древесине, как и кронштейны, при этом исключение будет составлять использование анкерных видов болтов.
Монтажная перфорированная лента позволяет усилить соединительные узлы при возведении кровельных систем. Ее применяют не только с целью создания более прочных узлов, но и для укрепления элементов для дополнительного применения с целью придания жесткости либо прочности системе в целом. Крепят перфорированную монтажную ленту шурупами или гвоздями, поэтому используется она с целью усиления конструкции системы стропил любой кровли, целостность которой не будет нарушаться.
С использованием уголков КР и их различных модификаций узлы крепления усиливают, чтобы они могли эффективно участвовать при соединении мауэрлата и стропил. Обеспечение соответствующей прочности узлам кровли допустимо при использовании уголков, что позволяет повысить несущие характеристики кровельной конструкции.
Использование соединительных элементов из металла не связано с врезкой уголков в систему кровли. Это не будет являться причиной понижения несущей способности кровельной системы. Применять уголки для соединения можно с применением шурупов либо гвоздей, выступы которых напоминают ерша.
Крепление стропил к мауэрлату
Правильное крепление стропил к коньковому брусу и к мауэрлату является непременным условием профессионально выполненного монтажа крыши.
Для монтажа стропил к мауэрлату используют один из двух типов сопряжения:
Выбор зависит от формы крыши и ее конструкционных особенностей, а соответственно от того, какие выбраны стропила – наслонные или висячие.
Жесткий метод предполагает, что соединение стропил и мауэрлата выполняется таким образом, что исключается возможность поворотов, сдвигов, изгибов, кручения между этими двумя элементами (читайте: «Чем и как крепить стропила к мауэрлату «).
Для достижения такого результата можно воспользоваться одним из ниже перечисленных способов:
- используя уголки для крепления стропил и опорный подшивной брус;
- путем выполнения запила на стропильной ноге и дальнейшего закрепления соединения с помощью гвоздей, скоб и проволоки.
Что касается второго метода, то его используют чаще, чем первый. Он предусматривает, что с боков под углом прибиваются гвозди в направлении друг к другу (в результате они перекрещиваются внутри мауэрлата). После этого третий гвоздь забивают вертикально. Полученные узлы крепления стропильной конструкции обеспечивают высокую жесткость (прочтите также: «Узлы крепления стропил — элементы конструкции «).
Дополнительно оба способа сопряжения подстраховывают, используя крепление стропил к кирпичной стене или бетонной с помощью проволоки-катанки и анкеров. Подготавливают стропила к монтажу, если они имеют одинаковый угол наклона по всей кровле путем использования шаблона.
Установка стропильной системы, детали на видео:
Скользящее соединение, его еще называют шарнирным, достигается при помощи создания специального крепежа, который обеспечивает возможность перемещаться свободно в заданных пределах одному из сопрягаемых элементов. В данном конкретном случае такой деталью является стропильная нога, а двигаться она будет по отношению к мауэрлату.
Существуют следующие способы установки стропил к мауэрлату, обеспечивающие смещение:
- при помощи запила и последующей укладки стропила местом запила на мауэрлат;
- путем забивания с боков двух гвоздей наискосок в направлении один к другому;
- соединением с применением одного гвоздя, который прибивают в вертикальном положении сверху вниз сквозь стропильную ногу в мауэрлат. В качестве альтернативы можно использовать крепежные пластины для стропил, у которых имеются отверстия для гвоздей;
- методом крепления при помощи скобы;
- путем выпуска стропильной ноги за пределы стены с применением единичного крепления пластинами;
- при помощи использования специально разработанного для стропил стального крепежа, который называют «салазками».
Все описанные способы с одной стороны дают возможность стропильной ноге упереться в мауэрлат, а с другой в случае подвижки конструкции ее элементы могут перемещаться по отношению друг к другу.
Скользящий тип встречается при постройке домов довольно часто, особенно такое соединение стропил и мауэрлата популярно при обустройстве деревянных домов, которые возводятся из бревен или бруса. Со временем изначальная геометрия строения искажается, поскольку происходит усадка стен и использование жестких сопряжений приводит к тому, что целостность стен нарушается. Крепление стропил к срубу при помощи скользящего соединения позволяет бревенчатым стенам, фронтонам и другим элементам здания подстраиваться под усадку.
Также не устраивается жестким способом крепление стропил в коньке. Сборку всей конструкции выполняют сначала на земле. Прежде, чем установить стропила для крыши выполняют замеры, выпиливают врезки в мауэрлате и стропильных ногах, после этого выполняют тщательную подгонку.
Как правильно закрепить стропила к балкам
В простых домах, в основном каркасных, мауэрлат может быть и упразднен. В этом случае стропила крепятся к балкам перекрытия. Самый надежный вариант сборки такой системы – подготовка стропильных ферм. Каждая ферма состоит из двух стропильных ног, соединительного ригеля и нижней затяжки. Для прочности фермы усиливают центральными балками и подкосами:
Балки перекрытия укладываются в таком направлении, чтобы стропильные фермы пересекали их перпендикулярно в разных плоскостях. Затяжка выполняет основные несущие функции, крепится к балкам перекрытия анкерами, сквозными болтами, шпильками и усиливается пластинами и металлическими уголками.
Возможен вариант крепления стропильных ног прямо на балку, которая и будет дополнительно выполнять функции затяжки. Для создания качественных опорных узлов в такой системе рекомендуется два способа крепления:
- Соединение стропил с балкой двойным зубом – запилы выполняются на балке и скосе стропильной ноги (по два стыковых заруба на каждой).
- Крепление болтом и хомутом. Может предусматриваться сквозное крепление, но если доски имеют большое сечение, делаются врубки и детали соединяются длинными болтами.
Как крепить стропила когда нужен мауэрлат
Прежде чем разобраться — как крепить стропила, нужно определить: куда их устанавливать и крепить. Чаще всего стропила закрепляют на специально построенном фундаменте (основе) кровли — мауэрлате. Этот элемент изготавливается из бревен или брусьев, обеспечивает не только устойчивое крепление стропил, но и позволяет равномерно распределить нагрузку на капитальные стены и даже фундамент домостроения.
В домостроениях, полностью построенных из деревянных брусьев или бревен, опорную функцию для стропил выполняет обвязка внешних стен вверху, и другие детали не устанавливаются.
Для домов и строений, капитальные стены которых построены из таких стройматериалов, как кирпич, газо-, пено- или шлакобетонные блоки, мауэрлат устанавливается в обязательном порядке. Такое требование вызвано тем, что стены такого типа очень плохо выдерживают нераспределенные точечные нагрузки. Также штучные стройматериалы недостаточно крепкие для хорошей фиксации конструкции стропил, так как под нагрузкой крепежные детали могут разрушить блок и будут вырваны из него. Поэтому укладка мауэрлата для таких домов обязательна.
Для наиболее прочного крепления деревянных брусьев мауэрлата, укладываемых по периметру на капитальных стенах дома, необходимо создать вверху стен армирующий пояс из бетона. В монолитную балку 20х20 см вмуровывается крепежные детали для опорных брусьев. Обычно для такого крепежа используются анкера или металлические шпильки диаметром не менее 1,4 см, располагаемые в монолитной балке строго вертикально. Нижние концы анкеров и шпилек загибают, чтобы их не вырвало из армпояса под действием нагрузки. Элементы такого крепежа располагаются на расстоянии не больше чем на 1,5 м друг от друга.
В брусьях мауэрлата делают отверстия, соответствующие расположению анкеров или шпилек в стенах. Брус одевается на анкер, на его резьбовую свободную часть надевают шайбы, а затем навинчивают гайки. Такая технология обеспечивает надежность закрепления фундамента кровли на стенах дома.
Перед укладкой брусьев размещают гидроизолятор (например, рубероид), чтобы не допустить разрушение дерева брусьев под действием воды.
Необходимость применения скользящих опор
Жесткое крепление стропильных ног к мауэрлату либо балкам перекрытия при помощи гвоздей, скоб и других крепежных элементов не всегда оправдано. Если коробка здания склонна к усадке, рекомендуется оставить возможность стропильным ногам смещаться относительно опоры. Традиционно для этого использовалась скрученная кованая проволока, прочная на разрыв. С ее помощью обеспечивалось надежное соединение стропил с верхним венцом сруба, при этом предусматривалась определенная степень свободы элементов конструкции. Сегодня с этой целью применяется специально разработанный крепежный элемент – скользящая опора, данный вид крепежа прост в монтаже, надежен и долговечен.
Свободный ход стропильного бруса в точке крепления к опоре (балкам перекрытия или мауэрлату, функцию которого выполняет верхний венец сруба) необходим, в первую очередь, при строительстве деревянных домов. Степень усадки строительных конструкций зависит от материала, из которого они изготовлены, и степени влажности древесины. Это может быть :
- бревно рубленое;
- бревно оцилиндрованное;
- брус цельный;
- брус клееный.
Менее всего подвержен усадке клееный брус, значительно сильнее деформируются стены из цельной древесины естественной влажности. Поставленный под крышу сруб в течение года может стать ниже на 15%. При этом следует учитывать, что усадка обычно происходит неравномерно, вследствие чего стропильная система, жестко закрепленная на мауэрлате или балках перекрытия, может серьезно деформироваться.
Перекос крыши может образоваться и в процессе эксплуатации сооружения. Повышенная влажность в дождливый сезон заставляет древесину разбухать, а в зимнее время деревянный материал естественным образом теряет влагу и заметно усыхает: геометрические размеры сруба постоянно меняются. При этом стены дома различаются по скорости набора или потери влаги в зависимости от степени освещенности солнцем и розы ветров. Если сруб дома имеет центральную стену, на которую опираются балки перекрытия или стойки конькового прогона, следует учитывать, что эта стена также подвержена температурно-влажностным деформациям, причем амплитуда ее изменений сильно отличается от показателей внешних стен – когда дом начинает отапливаться, центральная стена сильно усыхает.
Если жестко закрепить стропила на мауэрлате (верхнем венце) деревянного сруба-четырехстенка, то нагрузка (в том числе снеговая) может заставить верхние бревна стен выгнуться наружу за счет горизонтального давления
Следует принимать во внимание и другую проблему: если материал для стропил не был подвержен механической сушке, длина бруса (досок) при высыхании уменьшится. В этом случае при жестком креплении стропильных ног к срубу крыша со временем заметно деформируется, что повлияет на ее эксплуатационные характеристики
Избежать подобных сложностей позволяет особая конструкция узлов крепления в местах сопряжения стропильных ног со стенами. Специальный крепеж позволяет крыше смещаться без изменения своих геометрических параметров.
Соединение стропил с балками и мауэрлатом
После фиксации верхней и нижней части стропил их следует закрепить к балкам. Понятно, что можно соединить стропила с балкой просто гвоздями. Но это не является лучшим решением. Такое крепление не будет максимально надежным. Для предотвращения скольжения всех элементов фиксация стропильной конструкции к балкам происходит путем использования соединений “шип” и “зуб”.
При наличии крутого ската крыши (более 35º) применяется технология врубки с помощью одного зуба. В нижней части стропила делается зуб с шипом. Гнезда, создаваемые в балке, должны иметь глубину на уровне 30% от толщины балки. Устройство стропильных соединений осуществляется на расстоянии 0,3-0,4 м от крайней части балки. Это предотвращает появление сколов балок, возникающих в результате большой нагрузки от давления ног.
При обустройстве крыши с наклоном до 35º установка стропил производится путем расширения площади сопряжения основных элементов конструкции. Обычно стропильную ногу перекрывают балкой. С этой целью в стропильной ноге вырезаются отверстия под два зуба:
- шип с упором;
- еще один упор.
Глубина врубки при фиксации стропил к балке составляет в пределах 30% толщины балки.
Более качественные соединения можно получить, если воспользоваться болтами или хомутами. Такая технология предполагает применение проволочных петель, с помощью которых производится фиксация узла к анкерным болтам, находящимся в стене строения.
Опирание на мауэрлат является наиболее распространенным вариантом фиксации нижней части стропил. В стропильной ноге делается вырез такого размера, чтобы ее без проблем можно было надеть на мауэрлат. В ином случае при эксплуатации крыши может произойти смещение бруска.
В некоторых случаях мауэрлат должен быть “оснащен” обратной выемкой. Это зависит от породы дерева, из которой изготовлен брус. Если для его производства применялась древесина из лиственных пород, то делается прорезь, которая в комбинации с выемкой стропил создаст замочный элемент. При изготовлении бруса из хвойного дерева вырез не потребуется, так как он приведет к ослаблению конструкции.
Эта технология может быть выполнена одним из двух способов:
- с помощью подшивных брусков и уголков, сделанных из металла;
- путем устройства седел на стропилах.
Первый вариант заключается в том, что для размещения стропил на мауэрлат используется опорный брус. Производится жесткое опирание стропильной ноги. Надежная фиксация конструкции осуществляется металлическими уголками. Это предотвращает поперечное смещение конструкции.
Более популярным является второй вариант. Для крепежа используются гвозди, которые направляются друг к другу и забиваются под углом. Два забитых гвоздя скрещиваются. После чего вбивается еще один гвоздь. Третий гвоздь должен располагаться в вертикальном положении. Сделанный узел крепления будет характеризоваться максимальной жесткостью, если осуществить дополнительное крепление с помощью проволоки-катанки.
В начале планировки мансардной кровли подбирается система стропил, выполняющая роль опорной конструкции. Требуемый тип стропильной системы определяется на основе разновидности крыши.
В зависимости от выбранной системы это могут быть деревянные брусья, применяемые как кровельный каркас, сдерживающий составные стройматериалы всей конструкции, или конкретные элементы, которые создают опоры, называющиеся стропильными ногами. Перед началом работ деревянные составляющие пропитываются особыми составами, которые предохраняют крышу от возгорания и гниения. От качества выполнения этой процедуры напрямую зависит долговечность кровли.
Классификация соединительных узлов
Каркас крыши состоит из целого ряда элементов, надежно скрепленных между собой. Но основную эксплуатационную нагрузку несут стропила, поэтому от прочности их крепления на мауэрлат и соединения между собой зависят функциональные характеристики крыши и безопасность всей конструкции.
Стропильные системы, висячие и наслонные, передают нагрузку от собственного веса, веса кровельного пирога и атмосферных воздействий на несущие стены и другие конструкции. Нижние концы стропил опираются на опорную балку или мауэрлат, верхние попарно скрепляются непосредственно друг с другом или монтируются к коньковому прогону. Кроме того, для жесткости конструкции применяются дополнительные опоры, ригели, подкосы и другие элементы. При необходимости увеличить длину стропил выполняется наращивание стропильных ног. В целом, узлы соединения стропил можно подразделить на несколько основных групп :
- узел соединения с «фундаментом» крыши»;
- узел конькового соединения;
- узел крепежа дополнительных элементов стропильной системы;
- стыкование стропил при наращивании.
Все виды соединения стропил подразумевают использование определенных крепежных элементов.
Наращивание стропил
Соединение стропил между собой по длине позволяет изготовить стропильную ногу необходимых размеров из имеющегося пиломатериала. Чаще всего сращивание выполняется следующими методами соединения :
- встык;
- внахлест;
- способом косого прируба;
- в три доски;
- с опорой на прогон.
Крепление встык. Для сращивания стыкуемые концы требуется отрезать строго под углом 90°. После плотного совмещения получившихся торцов, на стропила в месте стыка монтируется деревянная накладка или металлический крепежный элемент (пластина с зубьями). Накладки из доски устанавливаются с обеих сторон и прибиваются в шахматном порядке гвоздями соответствующей длины, либо крепятся саморезами.
Метод косого прируба. Подрезка концов выполняется под углом 45°. Срезанные концы стыкуются, после чего посередине сверлится сквозное отверстие для болтового крепежа. Бруски стягиваются болтом диаметром 12 или 14 мм с широкой шайбой.
Крепление внахлест. Деревянные элементы укладываются с нахлестом и по всей длине сшиваются гвоздями, которые должны располагаться в шахматном порядке. В отдельных случаях могут применяться шпильки с гайками и шайбами. Такое соединение стропил по длине не требует точного выполнения срезов торцов.
Длинную стропильную ногу можно изготовить, используя три доски и прокладки. В этом случае одна из досок укладывается между двумя другими с нахлестом не менее метра и крепится гвоздями в шахматном порядке. Затем в пустой промежуток между крайними досками вставляются и пришиваются гвоздями деревянные прокладки, равные по толщине средней доске, чтобы обеспечить жесткость конструкции.
Соединение стропил по длине с опорой на промежуточный прогон выполняется в том случае, когда все стропильные ноги наращиваются на одном расстоянии от свеса крыши. Горизонтальный прогон монтируется на стойках, которые опираются на внутреннюю несущую стену или колонны. В случае, когда место сращивания приходится на прогон, появляется возможность обеспечить необходимую жесткость длинной стропильной ноги. Обе части стропила соединяются между собой скобами либо другими элементами, и дополнительно гвоздями крепятся к прогону.
Наращенная стропильная нога должна по всей длине иметь одинаковую жесткость и прочность, в противном случае в процессе эксплуатации крыша деформируется.
Крепеж для стропил и правила работы с ними
Современный строительный рынок предлагает широкий ассортимент элементов крепежа. Помимо классических вариантов – скоб, крученых гвоздей или проволоки-катанки, которую складывают в несколько рядов, здесь можно найти специальные комплекты, предназначенные для работ со стропилами.
Внимание!
В процессе соединения деталей из дерева при помощи шурупов (болтов) под ними обязательно используют металлические шайбы. Этот нехитрый прием поможет избежать утапливания крепежей в древесине.. Работы по выполнению крепления осуществляют в определенном порядке
Предлагаем вашему вниманию несколько самых простых методов распиловки и последующей подгонки стропил
Работы по выполнению крепления осуществляют в определенном порядке. Предлагаем вашему вниманию несколько самых простых методов распиловки и последующей подгонки стропил.
Низ упирается в мурлат, верх упирается в прогон за счет горизонтальной врубки.
Низ упирается в мурлат, верх – в прогон.
Стропильные ноги фиксируют одним из вариантов крепежа. Следует учесть, что каждый из них имеет свои тонкости. В основе выбора лежат такие параметры, как угол наклона скатов и оптимальный узел опирания.
- Гвозди забивают в опорный брус через стропильную доску под углом. Для правильного соединения необходимо использовать два гвоздя, прибитые с обеих сторон по направлению друг к другу. Иначе говоря, гвозди перекрещиваются внутри мурлата. Завершает крепеж еще один гвоздь, забитый вертикально.
- Один конец скобы забивают примерно в центр опорного бруса с его внутренней стороны. Другой – в стропилину, развернув его на прямой угол.
Kreplenie1
Kreplenie-2
- Катанку, сложенную в четыре ряда, используют для изготовления хомута. С его помощью стропильную ногу прикручивают к брусу по направлению снаружи вовнутрь. Проволоку можно заменить на специальную перфорированную ленту. Нередко стяжку при помощи проволоки или скобы используют в качестве резервного крепления как дополнение к другим типам соединений.
- Уголки при помощи шурупов прикручивают с обеих сторон к стропилам и стропил и к верхней грани мурлата. Соединение будет более надежным , если использовать уголки, имеющие два ряда отверстий и ребро жесткости.
На заметку
Уголки можно заменить на специальные пластины, концы которых под прямым углом.
Среди специальных крепежных элементов стоит отметить уголки‑«салазки», имеющие скользящую пластину. Подобные уголки не только обеспечивают надежность соединения, но также полностью компенсируют деформацию.
После устройства нижнего узла стропил переходят к его соединению с коньковым брусом.
https://youtube.com/watch?v=n41HnMb7zTU%3F
2019 stylekrov.ru
Усиление деревянных стропильных конструкций
С течением времени деревянные стропильные конструкции могут повреждаться из-за большой снеговой нагрузки, подвергаться гниению из-за попадания влаги, деформироваться из-за ошибок при расчете крыши или монтаже стропильной системы. Причиной повреждения стропил может быть и использование некачественного материала — сырых, подгнивших, с большим количеством сучков досок. В этих случаях необходим ремонт или усиление стропил.
Также в процессе создания стропильной системы производится конструкционное усиление. Под этим подразумевается использование различных стоек, подкосов, перемычек, которые распределяют нагрузку. Без них стропильные ноги пришлось бы делать очень толстыми и тяжелыми, что повысило бы нагрузку на стены здания. Без таких дополнительных элементов можно обойтись только в маленьких строениях — гаражах, банях.
В чем заключается усиление стропил
Может потребоваться
- увеличение несущей способности стропил,
- усиление стропильных ног в нижней части, в месте соединения с мауэрлатом,
- укрепление поврежденных стропил,
- увеличение угла ската крыши и постройка новой стропильной системы,
- укрепление узлов стропильной системы при некачественном соединении элементов.
Для усиления стропил используются брусья и доски, они должны быть первого сорта и хорошо просушены. Лучше брать хвойные породы дерева. Также для скрепления элементов стропильной системы друг с другом понадобятся металлические уголки, перфорированные пластины и проволока.
Как увеличить несущую способность стропил
Необходимость в усилении деревянных стропил может возникнуть, если они недостаточно прочны на прогиб, даже если их сечение подходит для нагрузки, которая на них приходится. Для этого используют
- разгружающие балки (подмоги),
- подкосы,
- двухсторонние накладки.
Подмоги ставятся между мауэрлатом и подстропильной ногой (подкосом). Прикрепляют их с помощью болтов или специальных пластин с зубцами.
Двухсторонние накладки применяются, чтобы избежать прогиба стропильной ноги в месте ее опирания на подкос. Именно в этом месте возникает максимальный изгибающий момент. С помощью накладок увеличивается сечение бруса на проблемном участке. Накладки крепятся гвоздями или специальными болтами.
Если стропила прогнулись, их выпрямляют с помощью домкрата (гидроцилиндра), а затем вставляют прочные горизонтальные распорки для удержания соединяемых стропил в прямом состоянии. Таким образом получается конструкция в виде буквы «А».
Важно! Прежде чем выпрямлять стропила, необходимо укрепить место их стыка с мауэрлатом, чтобы во время работы домкрата стропильные ноги не соскочили с балки.
Создание новой стропильной системы
Также иногда при реконструкции крыши требуется сделать новую стропильную систему, с ее помощью можно, например, сделать скат более крутым. Необходимость в увеличении угла ската возникает, если снег скапливается на крыше и создает на нее большую нагрузку. Новые стропила устанавливают над старыми или под ними. В таких случаях, чтобы не разбирать старых стропильных конструкций, новые связывают с ними.
Для соединения используют перекрестную дощато-гвоздевую стенку (ферму): новые стропильные ноги связывают перекрестно расположенными досками с уже имеющимися. Чаще всего такой способ применяется в наслонных стропильных системах, которые опираются на расположенную в центре здания стенку. С помощью такого приема нельзя увеличить высоту мансардного помещения.
Как усилить нижнюю часть стропил
Усиление стропил в нижней части обычно требуется в месте соединения с мауэрлатом. Нижние части стропильных ног, прилегающие к мауэрлату, и сам мауэрлат считаются самыми уязвимыми частями стропильной системы.
Для усиления стропил в месте соединения с мауэрлатом устанавливают дополнительные подкосы. Они могут упираться как с сам мауэрлат, так и в лежень. Иногда может понадобиться выпилить прогнившую часть мауэрлата. Тогда стропило усиливают так, как показано на рисунке.
Стропило временно ставят на подпорки, выпиливают сгнившие части стропильной ноги и мауэрлата. В стену забивают костыли и кладут на них балку длиной 1 м. Также можно положить на стену или перекрытие кусок лежня длиной 1 м, таким образом нагрузка распределится с одной балки на две. К стропильной ноге прикрепляются с двух сторон два подкоса, которые упирают в мауэрлат или лежень.
Подкосы крепят на гвоздях, расположенных в шахматном порядке. При этом подкосы ставят под углом, как на рисунке, чтобы лучше распределить нагрузку.
Если сгнили нижние части нескольких стропильных ног, то их временно устанавливают на подпорки, разбирают кровлю, спиливают сгнившие участки, а затем изготавливают прутковый (металлический) протез, который надевают на стропила и упирают в мауэрлат. Стропильная нога, таким образом, опирается на протез. Жесткость протеза обеспечивается подкосами. Замена поврежденных деталей
Чтобы заменить прогнившие стропила, сначала снимают кровельный материал с обеих сторон дома. При этом выпиливают поврежденную часть и необходимо наращивание стропил по длине.
При замене горизонтальной балки устанавливают временные стойки, на которые будут опираться горизонтальные балки, затем удаляют и сохраняют стойки, на которые опиралась поврежденная балка, заменяют балку и помещают стойки обратно. Временные стойки убирают.
Если нужно заменить стойку, то сначала рядом устанавливают временную стойку, опирающуюся на доску толщиной не меньше 2,5 см. Далее поврежденную стойку удаляют, на ее место ставят новую, затем убирают временную подпорку.
Укрепление конькового узла
Соединение стропил в коньке — одни из важнейших узлов в стропильной системе. Здесь важно, чтобы доски стыковались плотно. Если вы обнаружили, что стропила разошлись в коньковом узле, необходимо состыковать их с помощью домкрата и закрепить с помощью накладки из дерева (доски толщиной не менее 20 мм) или перфорированной металлической полосы, которые прикрепляют под коньком. Также можно использовать специальные болты.
Соединение на эркере
Крыша эркера может быть отдельной или соединенной с основной кровлей дома. Форма ее может быть самой разнообразной: двухскатной, многощипцовой, сложной вальмовой. Простейший вариант — двухскатная кровля. Для сооружения крыши эркера по периметру устанавливают мауэрлат. В кирпичных или бетонных домах предварительно заливают армирующий пояс, а уже на него устанавливают мауэрлат.
Стропила для крыши эркера берут тоньше, чем для основной кровли, так как нагрузка на них меньше. Их устанавливают таким образом, чтобы они выступали за мауэрлат, формируя свес крыши. Как соединить стропила в эркере, смотрите на видео:
Эркер можно включить в проект дома сразу же или пристроить его позже.
Как продлить срок службы стропил
Стропильная система начинает гнить из-за попадания влаги, которое может произойти в результате плохого воздухообмена в подкровельном пространстве или протечек. Важно сделать хорошую гидро- и пароизоляцию кровли.
Если воздухообмен недостаточный — это можно проверить, измерив температуру на верхней границе слоя утеплителя, она не должна быть больше 2С при любой температуре нижу нуля на улице — делают дополнительные продухи. Площадь продухов и слуховых окон в сумме должна быть 1/500-1/300 площади кровли. Если используется рыхлый утеплитель, который имеет свойство слеживаться, то раз в 5 лет его разрыхляют. При необходимости толщину слоя утеплителя на перекрытии увеличивают, у наружных стен ее можно увеличить в два раза по сравнению с расчетной.
Заключение
Усилив стропильные конструкции, можно устранить недостатки или повреждения, которые возникли во время эксплуатации здания или при его постройке. Чаще всего усиление требуется в месте соединения стропильных ног с мауэрлатом. А чтобы стропила не гнили и служили долго, важно обеспечить хороший воздухообмен под кровлей и использовать качественные материалы.
Что еще почитать по теме?
Автор статьи:Сергей Новожилов — эксперт по кровельным материалам с 9-летним опытом практической работы в области инженерных решений в строительстве.
Понравилась статья? Поделись с друзьями в социальных сетях:Вконтакте
Одноклассники
Google+
Усиление стропильных конструкций
Подавляющее большинство каркасов под обустройство крыш и укладку кровельных покрытий используют рядовую древесину, купленную на ближайшем складе или даже просто на лесопилке. Такой подход упрощает жизнь строителям и создает головную боль хозяевам и жильцам, через несколько лет приходится стропильную систему подвергать ревизии, выбраковывать отдельные элементы и выполнять усиление стропил.
Дерево, как никакой другой материал, подходит для сборки каркаса крыши, но при этом деревянные стропила оказываются самой уязвимой частью конструкции. В теории древесина может легко простоять без потери основных прочностных качеств более 50 лет, но на практике обеспечить сохранность материала стропильных балок оказывается не так просто. Процессы гниения древесины, деформации и растрескивание из-за усыхания и неправильного распределения нагрузки зачастую могут привести к потере несущей способности конструкций стропильных ног.
Наиболее критичные зоны системы стропил можно перечесть по пальцам:
Важно! Нельзя использовать для изготовления стропил или других элементов каркаса пиломатериал, взятый непосредственно с лесопилки или на торговом складе. До использования доска и брус должны высохнуть под нагрузкой в сложенном состоянии пакете.
Чтобы правильно выполнить усиление, необходимо ясно представлять причины, по которым каркас начинает проседать или терять прочность:
В этом случае усиление возможно лишь за счет замены пораженных участков, установки подкладных балок и элементов.
На сегодня в строительстве каркасных крыш используется две основные технологии усиления – конструкционное и ремонтное. Конструкционный тип усиления подразумевает использование способов крепежа накладок, переходных и вспомогательных элементов, позволяющих концентрированную нагрузку превратить в распределенную. Например, соединение стропил в коньке можно выполнить креплением оголовков балок внахлест, но для наслонных стропильных балок рекомендуется выполнить усиление установкой стальных пластин или досок, скрепленных минимум 5-7 гвоздями или болтами.
Конструкционное усиление стропил
Очень редко когда удается построить каркас крыши простой установкой стропил, без использования элементов усиления — подкосов и распорок. Во-первых, такой способ устройства подойдет для очень небольших построек – дачных домиков или бани, а во-вторых, отказ от усиления потребует использования очень массивных и тяжелых балок и брусов, что увеличивает стоимость постройки крыши в разы. Даже для простого односкатного варианта кровли архитектор обязательно использует усиление в виде вертикальных опор и боковых подкосов.
Важно! Самым уязвимым и проблемным местом являются узлы соединения стропильных балок и элементов усиления. Если соединяемый участок выполнен неправильно, деформация и разрушение неизбежны.
Например, рассмотрим вариант усиления вертикальной стойкой длинномерного стропило. Если вместо подвижной опоры, как на схеме, использовать жесткое закрепление накладной пластиной, неизбежно создается изгибающий момент в месте крепления в коньке и увеличивается поперечная нагрузка на стропильной балке. Вместо разгрузки получается перенос и концентрация напряжений в самом уязвимом месте — центральной части балки.
Наиболее сложными в расчете и правильном выборе установки силовых элементов являются круглые и многоугольные каркасы, например, крыша — эркер или конусный вынос. На приведенном фото хорошо видно, насколько сложной и дорогой получается установка стропил на мауэрлате.
Внутренний ряд усиления балок опорными стойками имеет свой ряд затяжки и соединение с мауэрлатом. Система несущих балок во многом напоминает вальмовое строение, особенно в части соединения нарожников с угловым каркасом ендова. Из-за большой длины наслонных стропил строители применили удлинение и одновременно усиление части балки, находящейся за точкой опоры на стойке. Стальные пластины гарантируют увеличенную прочность нижней части ската.
Ремонтное усиление стропильных балок
Самым простым примером усиления является увеличение стропил по длине. Проще всего получить стропило большой длины – выполнить соединение двух коротких балок накладным отрезком доски или бруса. При этом в стропилах не используют усиление или соединение с помощью косого среза, широко применяемого для досок мауэрлата. Соединенные таким способом стропила не способны обеспечить необходимую поперечную жесткость балки.
Очень хорошо зарекомендовал способ усиления стропил в виде составной балки. В этом случае нижнюю половину стропило изготавливают в виде двух досок, набитых на щеки третьей стропильной доски, как на рисунке.
В качестве примера восстановительного или ремонтного усиления стропил можно указать установку подкладочной доски под балку, имеющую расслоение, трещину или остаточную деформацию. В самых проблемных случаях, когда заменить стропильную балку невозможно, выполняется усиление и восстановление несущей способности сборной фермой по схеме, приведенной на рисунке. Чаще всего такой вид усиления используется для наслонных стропил.
Усилению подвергается и опорная поверхность, например, если из-за недостаточно эффективной или неправильно организованной вентиляции подкровельного пространства конденсат, образующийся на пароизоляционной мембране, стекает к опорной поверхности деревянных стропил на мауэрлате. Если опорная часть балки сгнила или имеет поражение вредителями, ее вырезают и устанавливают стальной каркас, часто именуемый протезом.
Если деструктивные процессы коснулись и мауэрлата, возможно изменение одноопорной версии на двухопорную. В этом случае параллельно основной доске мауэрлата укладывается дополнительный брус, на который опирается усиливающий установленный элемент подкоса, забирающий на себя львиную долю нагрузки.
Нередко проседание и деформация каркаса происходит из-за неправильной установки и крепления гвоздями в тех местах, где необходимо использовать резьбовое соединение со стальными пластинами – накладками. Не следует удалять старый крепеж и пытаться восстановить соединение новыми гвоздями, это даст в лучшем случае временный эффект. Более надежным получается усиление с помощью накладных планок или металлических пластин с отогнутыми краями отверстий.
Заключение
Основное правило усиления заключается в том, что старое крепление не удаляется, в дополнение монтируются «помощники» — стальные или деревянные накладки, воспринимающие часть усилий. Если их использование не дает нужного эффекта, в таком случае приходится прибегать к установке полноценных силовых рам и ферм, но опять же без демонтажа стропил.
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Рассмотрены деревянные наслонные стропильные системы, применяемые в современном малоэтажном строительстве, а также имеющиеся в старых зданиях, конструкции узлов сопряжения элементов друг с другом и со стенами, дефекты стропильных конструкций, вопросы ремонта и усиления элементов стропильных систем. Книга рассчитана на инженерно-технических работников, производящих проектирование, возведение и эксплуатацию стропильных систем, а также осуществляющих надзор за строительством и эксплуатацией зданий с деревянными стропилами.
Введение
1. Крыши и их составные части
2. Стропильные системы
2.1. Виды стропильных систем
2.2. Наслонные стропильные системы
3. Расчет деревянных элементов крыши при наслонных стропильных системах
3.1. Расчет обрешетки и настилов
3.2. Расчет стропильных ног
3.2.1. Рядовые стропильные ноги и нарожники
3.2.2. Диагональная (накосная) стропильная нога
3.3. Расчет прогонов
3.3.1. Прогоны, выполненные по консольно-балочной системе
3.3.2. Прогоны, выполнение с подкосами в третях полета у каждой стойки
3.3.3. Прогоны, выполнение с подкосами в половине пролета через одну стойку
3.4. Расчет шпренгеля под диагональной (надкосной) ногой
3.5. Расчет подкосов и стоек стропильной системы
3.6. Расчет узлов сопряжения элементов стропильной системы
3.6.1. Расчет стыка наращивания стропильной ноги
3.6.2. Расчет врубки подкоса в стропильную ногу
3.6.3. Расчет прикрепления затяжки (ригеля) из досок к стропильным ногам
3.6.4. Расчет узла опирания нарожников на диагональную (накосную) стропильную ногу
3.6.5. Расчет узла опирания прогона на стойку и стойки на лежень
4. Дефекты деревянных элементов крыши
5. Влияние теплового режима чердачных помещений на сохранность деревянных конструкций крыши
6. Усиление элементов стропильной системы
6.1. Усиление обрешетки
6.2. Усиление мауэрлатов и лежней
6.3. Усиление стоек и подкосов
6.4. Усиление прогонов
6.5. Пиление стропильных ног
Заключение
Литература
Введение
Деревянные стропильные системы широко применялись в строительстве зданий с чердаками до начала шестидесятых годов прошлого столетия.
С массовым внедрением сборного железобетона объем применения деревянных стропил резко снизился. В девяностых годах прошлого столетия деревянные стропильные системы стали вновь возрождаться в малоэтажном жилом строительстве. Однако, за несколько десятилетий был утрачен опыт их проектирования и возведения. Начиная с пятидесятых годов XX века простейшие конструкции крыш — наслонные стропила в учебниках по деревянным конструкциям вообще не рассматривались.
Конструкции важных частей стропильных систем — сопряжений элементов друг с другом, можно встретить только в старых учебниках, справочниках и альбомах типовых деталей.
Почти не осталось специалистов по деревянным стропилам ни в проектных, ни в строительных организациях. Это привело к массовому появлению дефектов в деревянных стропильных системах. Трудности возникают и при создании новых конструкций и при ремонте и усилении старых. Автору на личном опыте хорошо известно положение в строительстве, которое было в пятидесятых годах, и состояние с деревянными конструкциями на стройках теперь в связи с экспертизой проектов стропильных систем и обследованием строящихся зданий.
Автор делает попытку изложить основные принципы проектирования, возведения, ремонта и усиления элементов деревянных стропильных систем с показом основных дефектов этих систем и последствий, к которым они могут привести.
Автор учитывает то обстоятельство, что в старое время стропильные системы делались как из бревен, так и из брусьев, а в настоящее время материалом для них служат в основном доски и брусья.
При этом в строительстве часто применяют пиломатериалы укороченной длины. Если прежде длина бревен и пиломатериалов была, как правило, 6,5 м, то теперь она обычно не превышает 5,5-6 м. Это создает определенные трудности при проектировании и возведении стропил.
Следует также учитывать, что древесина поступает на строительство повышенной влажности, пиломатериалы и готовые конструкции могут длительное время находиться на открытом воздухе. Все это следует иметь в виду при проектировании деревянных стропильных систем.
Висячие стропила узлы и конструкция
План стропильной системы выбирают в соответствии с особенностями конструкции дома, погодными условиями региона, опытом строительных работ. Основа стандартной двускатной крыши представляет собой конструкцию из стропильных балок, скрепленных друг с другом. Вершина такой кровли называется коньком. К нему сходятся все стропильные ноги. За счет такого соединения образуется жесткий каркас, принимающий на себя воздействие ветра и осадков.
Существует несколько вариантов стропильных конструкций. Они выполняются наслонными и висячими. Основная отличительная черта каждого вида таких конструкций – способ передачи нагрузки от осадков и веса двускатной крыши на стеновые конструкции. Если дом обладает стандартной планировкой и имеет небольшие размеры, в нем нет межкомнатных стен, поддерживающих потолок. Такие стропила называются висячими. Их соединяют друг с другом затяжкой – прочной балкой большого сечения. Наслонные и висячие стропила имеют множество отличий, поэтому их следует рассмотреть более детально.
Конструктивные особенности
Кровля, выполненная с висячими стропилами, имеет ряд особенностей. Существует несколько видов таких изделий:
- Простой треугольник, который не имеет усиливающих элементов.
- Треугольная конструкция, имеющая усиливающие узлы.
- Стропильная конструкция с приподнятой затяжкой.
Наслонные стропила выбираются при наличии в доме межкомнатных перегородок. На них и опирается двускатная крыша. Такие стропильные конструкции намного легче, требуют использования меньшего количества материалов. Кроме того, для их создания требуется устанавливать дополнительные элементы.
Их чаще всего используют при устройстве двускатной крыши в небольших домах. Однако при выборе наслонных стропил понадобится делить внутреннее пространство дома на несколько частей.
Параметры стропильной системы двускатной кровли всегда ориентируются на конкретные условия эксплуатации. К примеру, в домах, которые находятся в северных широтах, лучше выполнять крыши с крутыми скатами. Это будет способствовать быстрому самоочищению двускатной кровли от снега. Однако такое решение связано с необходимостью усиливать конструкцию внутренними элементами. Крыши с висячими стропилами и крутыми скатами имеют большую парусность.
В теплых регионах, напротив, следует устраивать более пологие кровли. Они отличаются большей легкостью, простотой установки и ремонта. В них могут использоваться одинаково успешно как наслонные, так и висячие стропила.
Висячие системы стропил сегодня более популярны, поскольку обладают несколькими плюсами:
- Им не нужна дополнительная опора, что позволяет встраивать внутри дома помещения большой площади. С наслонными стропилами приходится разделять внутреннее жилое пространство перегородками.
- Силовые узлы, которые делают конструкцию прочнее, прячутся на чердаке.
- Монтаж двускатной кровли выполняется максимально просто.
Важно! Хотя работы по устройству висячих стропил проводятся довольно легко, перед началом строительства следует выполнить точный расчет крыши. Это требует определенных знаний и навыков. Если пренебрегать качеством стыковки отдельных элементов, такая крыша будет опасной.
Учитывая такие особенности висячих конструкций, можно сделать очень прочную и долговечную конструкцию, ремонт которой будет проводиться очень легко. Кроме того, двускатные изделия отличаются высокой эстетичностью. Варианты конструкции и узлы висячих стропил следует рассмотреть подробнее.
Варианты конструкций
Простота установки и ремонта висячих стропил обусловлена тем, что их можно помещать непосредственно на дубовую доску, которая монтируется на верх кирпичной стены. Деревянный элемент имеет сечение 50х50 мм. Благодаря такой особенности можно существенно удешевить процесс постройки и ремонта.
Простая арочная конструкция
Основное требование при создании такой конструкции – скрепление опорного элемента с затяжкой следует выполнять согласно определенным СНиПам.
Второе условие, соблюдаемое в процессе установки стропильной системы – точка, где соединяется затяжка и стропильная нога, должна находиться непосредственно над подкладочной доской. При этом конек следует выполнять на высоте, не большей, чем 1/6 часть длины затяжки. Довольно часто узел скрепления затяжки со стропильной ногой выполняется врезанием одним или «двойным» зубом. Прочность соединения при этом отличается средними показателями.
Врезку «двойным» зубом используют, когда затяжка довольно тонкая, или для нее выбрана древесина, уязвимая к механическим воздействиям. Узел скрепляется болтами. Может применяться обшивание досками или металлическими листами.
Узел соединения следует заранее подготовить. Его также точно подгоняют еще до монтажа на дом. Практически все работы ведутся с использованием шаблонных стропил, по которым отмечаются места врубки и соединения элементов. В коньке стропильные балки соединяют при помощи сопряжения их концов. Это обуславливает высокую жесткость скрепления.
Арочная конструкция с элементами усиления
Такие системы выполняются для устройства на домах ангарного типа. Длина пролета двускатных крыш подобных зданий превышает 6 м. Можно увеличить сечение затяжки, однако при этом конструкция приобретет лишний вес, а процесс ее постройки и ремонта станет более затратным. Более рационально использовать внутренние усиливающие элементы. Среди них можно выделить подвеску, бабку и ригель. Такие элементы усиления повышают устойчивость арки. К этим деталям можно отнести и приподнятую затяжку.Благодаря использованию подвески вместо одной затяжки можно использовать две, имеющие меньшую длину. Соединение затяжек и подвески происходит в Т-образном узле конструкции. В месте, где осуществляется скрепление этих элементов, устанавливают хомут для подвеса или бабки. Благодаря подвесу силы, действующие на конструкцию вертикально, частично переносятся на коньковое соединение.
Для больших пролетов используются длинные висячие стропила с затяжкой. Чтобы компенсировать прогиб балок конструкции, используют дополнительные узлы подкосов. К стропилам они крепятся достаточно жестко. Для этого используется специальный узел крепления.
Приподнятые затяжки
Устройство крыши на стропилах висячего типа отличается сложностью выполнения. В таких системах намного больше узловых соединений. Сопряжение элементов должно быть максимально точным. Схемы монтажа таких конструкций используются для постройки крыш в домах жилой мансардой.
Создание системы стропил с приподнятыми затяжками требует немалого опыта подобных работ. Эта схема отличается тем, что в ней затяжка не крепится к нижним концам стропильных балок, а врезается в них чуть выше середины. При этом используются косые пазы. Подобные узлы крепления получили название «полусковородные». Места соединения усиливаются болтами.
Затяжка крепится очень жестко, поэтому в точках опоры стропильных ног необходимо выполнить специальный узел соединения. В одной из точек опоры выполняется скользящее соединение. Это необходимо, чтобы равномерно распределить нагрузку между стропильными балками. Опорные ползуны могут изготавливаться с выносом конца стропил за стену.
Если мансарда будет утепляться, а потолок нижерасположенного помещения – гидроизолироваться, затяжки следует усилить узлом подвески. Ее монтируют с применением металлических хомутов.
Важно! Такая конструкция достаточно сложна, поэтому во время расчета характеристик узлов следует пригласить строителя-конструктора.
Монтаж стропил
Работы по устройству и монтажу стропильной системы дома следует проводить только после составления точного чертежа. Висячие балки выполняются из бруса с минимальным сечением 50х200 мм.
Все работы проводятся поэтапно:
- По периметру стен необходимо расположить и зафиксировать мауэрлат.
- Наверх следует поднять 2 бруска, которые имеют соответствующее сечение. Стропильные ноги обрезаются по заранее определенным размерам.
- Для устойчивой опоры на мауэрлат следует сделать в них выемки. Способ соединения «внахлест» отличается небольшой надежностью.
- Подгонка первой пары стропильных ног выполняется максимально тщательно. После идеальной подгонки соединений и узлов следует опустить обе детали на землю и использовать в качестве шаблонов. Отдельно изготавливаются правые и левые стропила.
- Стропильные ноги поднимают вверх попарно. Затем их следует закрепить на мауэрлат и соединить друг с другом.
- Сначала устанавливают пары стропильных ног по краям крыши. Затем между ними натягивается бечевка и остальные элементы устанавливаются по ней.
- Монтаж затяжек. Такие элементы соединяют нижние части стропильных ног. Монтаж следует выполнять внахлест или встык.
- При больших пролетах дома необходимо усилить стропильную систему бабками и подкосами.
Только при грамотном создании расчетов и проведении монтажа крыша будет служить не одно десятилетие. В системах висячего типа отсутствует горизонтальная нагрузка. Стропила при этом работают на сжатие и изгиб. Применяются такие стропила в различных схемах кровель.
Висячие стропила лучше применять для зданий, которые не имеют опорных перегородок. Благодаря использованию затяжки снижается распирающее усилие, которое действует на стены при отсутствии этой детали. Применимы конструкции с висячими стропилами для зданий с шириной пролета от 6 до 10 м.
Что еще почитать по теме?
Автор статьи:Сергей Новожилов — эксперт по кровельным материалам с 9-летним опытом практической работы в области инженерных решений в строительстве.
Понравилась статья? Поделись с друзьями в социальных сетях:Вконтакте
Одноклассники
Google+
Наслонная система стропил может быть распорной или безраспорной конструкцией. От правильного выбора узлов опирания и сочленения стропильных ног зависит будут стропила распирать стены или не будут, нужно под них предусматривать различные мероприятия для перехвата распора или не нужно.
На расчетных схемах в узлах конструкций рисуют кружочки, означающие шарнирное соединение. Шарниры лапками соединяются с условными опорами, по которым можно визуально представить степень свободы узла. Шарнир с двумя заделанными в опору лапками предполагает, что узел неподвижен, но балка может крутиться в шарнире, то есть узел обладает одной степенью свободы — поворотом. Шарнир с лапками, стоящими на скользящей опоре или ползуне, показывает, что узел обладает двумя степенями свободы — возможностью поворота балки и горизонтального смещения. Три степени свободы узла позволяют горизонтальное, вертикальное смещение и поворот, такой узел рисуется просто кружочком и может быть врезан в стержень, обозначающий балку. Если узел врезан в балку, то ее называют разрезной, то есть балки, находящиеся слева и справа от шарнира, с некоторыми допущениями могут рассматриваться как отдельные элементы. Если кружочек (шарнир) нарисован под балкой, то балка, лежащая на нем, называется неразрезной. Шарнир с тремя степенями свободы, врезанный в балку, во многих случаях, делает ее мгновенно изменяемой системой, то есть довольно неустойчивой конструкцией. Узел с нулевой степенью свободы означает жесткое защемление конца балки и запрещает ей всякие смещения: горизонтальное, вертикальное и поворот (рис. 19).
рис. 19. Примеры схематического изображения узловВ расчетных схемах могут применяться и другие схематические изображения узлов, но все они в обшем-то понятны, а если вдруг возникнут неясности, надо просто мысленно представить в какую сторону может «пойти» узел при приложении к нему нагрузки. Поперечные размеры балок относительно их длины малы, поэтому балки (стропила и пр.) рисуются как стержни, а нагрузка в них распределяется как бы только вдоль продольной оси элемента и расчет всей конструкции ведется для стержневой схемы.
Необходимо отметить, что слова: горизонтальное смещение и поворот совсем не означают, что, например, ползун — узел с двумя степенями свободы произвольно передвигается в горизонтальном направлении. На самом деле, этот узел достаточно хорошо закреплен, но допускает возможность перемещения конца балки от нагрузки, температурных и влажностных изменений без чрезмерного развития в нем внутренних напряжений. Этот узел просто не передает распора, а поворот при изгибе балки возможен только в нормативных пределах. По настоящему ползун поползет (простите за тавтологию) только при нагрузках превышающих предельно допустимые. Слово «шарнир» тоже не нужно понимать буквально. Да, концы балок могут соединяться болтом или настоящим специально спроектированным шарниром, но, чаще всего, это обычное гвоздевое соединение. Например, можно взять доску и приколотить ее одним концом 3–4 гвоздями, предположим, к деревянной стене. Ничто не мешает нам взять ее за другой конец и преспокойно повернуть на некоторый угол. В данном случае, гвоздевое крепление выступает как шарнир. Однако если количество гвоздей увеличить и рассчитать их на нагрузку не допускающую среза (изгиба), то поворот становится невозможном, здесь мы получаем балку с защемленным концом, но при нагрузке превышающей расчетную, узел опять становится шарниром. Поэтому очень важно изначально определить нагрузку под которой будет работать система. Поскольку превышение фактической нагрузки сверх расчетной, приводит к изменению схемы работы узлов и разрушению всей конструкции.
Сопряжения наслонных стропил относящиеся к различным схематичным изображениям узлов представлены на рисунке 20.
рис. 20.1. Узлы опирания стропил на прогон и мауэрлат. Шарнир с одной степенью свободы (только поворот) рис. 20.2. Узлы опирания стропил на прогон и мауэрлат. Ползун — шарнир с двумя степенями свободы (поворот и сдвиг) рис. 20.3. Узел опирания стропил на прогон. Жесткое защемлениеВ зависимости от решаемой задачи при проектировании крыши узловые сочленения стропил могут быть отличными от представленных на рисунках 20. Главное, это запроектировать в узлах с двумя степенями свободы: поворот, возникающий от изгиба стропил и сдвиг в горизонтальном направлении. А в узлах с одной степенью свободы — поворот стропила. Как правило, сдвиг верха или низа стропил обеспечивают горизонтальные врубки, а ограничение сдвига — упор стропил друг в друга и/или в стыкуемый элемент: мауэрлат либо прогон.
Попробуем объяснить принцип закрепления стропилины на примере. Все мы легко можем представить себе обычную приставную лестницу. Лестница, как лестница, ничего особенного: две жерди (тетивы) и поперечные палки–ступени. Мысленно приставим такую лестницу к стене, а для чистоты эксперимента сведем к минимуму силы трения — обольем пол и стену маслом. Что будет если нагрузить лестницу — залезть на нее? Лестница рухнет. В нижней и верхней опоре у нее по две степени свободы. В нижнем, у нее есть поворот и горизонтальное смещение, в верхнем — поворот и вертикальное смещение. Что нужно сделать, чтобы лестница стала устойчивой и держала нагрузку (вес человека)? А нужно всего-то лишить ее одной (из четырех) степени свободы: горизонтальной в нижней либо вертикальной в верхней опоре. Иными словами нужно закрепить низ или верх лестницы. Получаем устойчивую и стабильную систему. Мысленный эксперимент с лестницей вы можете додумать сами, ставя ее в различные ситуации, например, если лестница длинная и опирается на стену сверху, тетивами с горизонтальными запилами или без запилов. Как она будет себя вести? Такой мозговой штурм, помогает в понимании работы наслонных стропил с различными способами опирания, при котором совсем не обязательно представлять себе вектора сил и степени свободы узлов, а нужно просто спрогнозировать покатится лестница под нагрузкой или останется неподвижной.
Глава 2 — Ферменная книга
Восемь из примерно 20 деревянных мостов de Burgh Truss, построенных в период между 1900 и 1905 годами, остаются в 2018 году. Трудности с нижними поясами Аллана Трасса и тот факт, что материалы, кроме древесины, стали все более доступными, а также экономия, привели к проектированию этих мосты.
Эрнест де Бург пришел в Департамент общественных работ на изыскательские и строительные работы в 1885 году и продолжал проектировать и руководить строительством мостов в течение NSW .После десяти лет работы надзирателем мостов де Бург был главным инженером мостов в 1901-1903 гг.
Основная причина нового дизайна заключалась в том, что, несмотря на внимание Аллана к деталям и значительным инновациям, почти во всех случаях нижний пояс из древесины был первым участком фермы Аллана, который вышел из строя, и его было сложно заменить. Кроме того, пиломатериалы нижних поясов должны были быть из высококачественной железной коры, но обширная экспортная торговля лесоматериалами затрудняла их получение и становилась все более дорогой.39
Геометрия новой фермы де Берга была основана на ферме Пратта, а не на ферме Хау, которую использовал Перси Аллан (см. Рис. 2.12). Затем главный инженер по проектированию мостов Аллан подписал несколько рисунков в тот же день — 2 апреля 1896 года — с изображением ранних форм ферм Пратта, примененных к мостам NSW (пример см. На рисунке 2.38). Эти конструкции были альтернативой мосту через реку Хантер в Морпете и мосту через реку Турон на скалах Уоллаби, но выяснилось, что Алланская ферма дешевле построить в обоих местах.Глубина фермы была основным структурным различием между ранней формой Фермы Пратта, подписанной Алланом, и поздней Фермой Фермы. Проект 1896 года имел глубину 10 футов (3 м) для пролета 90 футов (27,4 м), в то время как стандартная ферма де Берга имеет глубину 13 футов (4 м) для пролета 91 фут (27,7 м), что значительно улучшило эффективность , Проекты 1896 года также вернулись к диагональному настилу, и крестовая балка была подвешена под нижним поясом, а не над ним, а также другие детали, которые, вероятно, оказались бы проблематичными, если бы они были построены.Тем не менее, эти конструкции легли в основу значительно улучшенной фермы де Бург.
Тем не менее, в течение трех лет нехватка нижних аккордов и усовершенствования конструкции де Берга сделали его де-Ферг Трасс более экономичным, чем Аллан-Трасс. Сообщая о первом из новых мостов, построенных через реку Квинбейан в 1899 году, де Бург объяснил:
Этот мост быстро приближается к завершению и представляет значительный интерес, поскольку, за исключением моста через реку Лахлан в Коура, он является первым, в котором в Новом Южном Уэльсе используется составная форма фермы, а также потому что ферменный стиль Pratt с вертикальными стойками и наклонными натяжными элементами был принят, вместо типа Howe, чтобы получить жесткое поперечное сечение.Превосходство стали над древесиной при растяжении и большие затраты на замену древесных поясов, которые с их позиции являются первой частью распадающейся фермы, указывают на большую экономию на обслуживании, достигаемую при использовании этого типа для важных мостов.40
В то время как все пять типов мостовых деревянных ферм NSW представляют собой композитные фермы, поскольку все они содержат первичные элементы сжатия древесины и металлические первичные элементы натяжения, ферменная конструкция de Burgh и более поздняя Dare Truss расширяют этот принцип дальше, чем первая композитная ферма, американский Howe Truss.Все их основные члены напряженности — металл, идея, впервые представленная Джоном Макдональдом.
,Соединительный узел1. Введение
В течение многих лет строительную отрасль в Китае называли «крупными энергопотребляющими домохозяйствами» в сфере промышленности и транспорта. На строительное энергопотребление приходится треть общего энергопотребления всего общества, что в 2–3 раза выше, чем в других странах при тех же климатических условиях (см. [1]). Это в основном связано с традиционными китайскими строительными материалами, такими как сталь, цемент, глиняный кирпич и т. Д.Эти материалы не только тратят много природных ресурсов, но и вызывают загрязнение окружающей среды. Поэтому использование экологически чистых строительных материалов стало ключом к энергосбережению и сокращению выбросов в строительной отрасли. 5 марта 2016 года премьер-министр Ли Кэцян четко заявил в «Отчете о работе правительства» четвертой сессии 12-го Всекитайского собрания народных представителей, что цель работы в области жилищного строительства заключается в дальнейшем продвижении новой урбанизации и активном развитии зеленого здания и строительные материалы (см. исх.[2]). Очень важным направлением развития зеленых зданий является архитектура деревянных конструкций (см. [3]). Большое количество исследований также показали, что структура древесины лучше способна экономить энергию и сокращать выбросы, чем другие структурные формы (см. [4, 5, 6]). Как одна из основных тенденций в современной архитектуре, энергоэффективность зданий может быть полезной для роста национальной экономики, а также способствовать защите экологической среды (см. [6, 7]). Кроме того, у здания с деревянным каркасом есть сильная сборная конструкция, потому что большинство его компонентов обрабатываются на заводе.Исследование компонентов очень важно, потому что компоненты тесно связаны с безопасностью и энергоэффективностью структуры древесины.
Поскольку важные части деревянного строения, система пола и крыша обычно делятся на два вида систем: традиционная система решетки-стропила и система ферменных конструкций из светлого дерева, и последняя используется более широко. С развитием структуры светлого дерева в Китае перспективы применения фермы из светлого дерева в современной структуре дерева в Китае будут становиться все более и более широкими.Ферменная конструкция балки состоит из нескольких частей одиночной фермы из светлого дерева с помощью соединителей и обычно используется в ключевых частях кровли или системы пола в современных зданиях с деревянными конструкциями и в проектах по реконструкции кровли. Для системы пола и крыши современной конструкции из дерева ключевые соединения испытывали как верхнюю равномерную нагрузку, так и концентрированную нагрузку от других связанных с ними ферм. Таким образом, силовое обстоятельство настолько сложное, что обычная одиночная деревянная ферма вряд ли может выдержать (см. [8, 9, 10]).Общим решением в практическом проектировании является увеличение площади поперечного сечения элемента путем объединения множества обычных ферм из светлого дерева в качестве конструктивного элемента для получения большей несущей способности (как показано на фиг.1). Форма балочной фермы может быть легко получена и соответствует тенденции развития индустриализации и модульности зданий. Кроме того, возникла какая-то длиннопролетная и консольная конструкция с развитием современного деревянного строения, которому требуется деревянная ферма с более высокой несущей способностью.По мере необходимости, ферменная ферма имеет более высокую грузоподъемность, больший пролет и более широкий диапазон использования по сравнению с одиночной деревянной фермой. В настоящее время исследования по одной ферме очень зрелые (см. [11, 12, 13]), но по ферме фермы было проведено мало исследований. В большинстве практических инженерных проектов многие строители работают в основном в зависимости от своего опыта без какого-либо надежного стандарта, что приведет к некоторым потенциальным проблемам безопасности. Ферменная конструкция балки обычно соединяется с гвоздем и болтом, что вызывает легкую коррозию, а механические свойства снижаются в условиях огнестойкости.Поэтому в этой главе был разработан новый тип метода соединения, который используется для фермы фермы (как показано на рисунке 2). Разъем деревянного дюбеля нелегко заржаветь, и его механические свойства не будут быстро снижаться в условиях огнестойкости. Кроме того, деревянные разъемы могут повысить пластичность подключенных компонентов. Таким образом, производительность фермы фермы улучшается. Узел соединения деревянной конструкции также связан с несущей способностью и нормальным использованием всего здания в будущем.Поэтому очень важно изучить узлы соединения структуры древесины (см. [14]).
Рисунок 1.
Применение фермы в конструкции здания.
Рисунок 2.
Новый тип фермы фермы.
2. Новая конструкция узла соединения ферменной фермы
В настоящее время способы соединения ферменной фермы относительно просты. Метод внутреннего соединения рекомендуется в технической спецификации для ферм из светлого дерева (JGJ / T 265-2012), но при соединении с гвоздями остаются следующие проблемы.
Обработка сложная. Ферма фермы должна постоянно переворачивать ферму во время обработки. Гвозди в разных частях не способствуют промышленно обработанной линии обработки.
Плохая огнестойкость. Под воздействием огня сталь размягчается и ее механические свойства быстро уменьшаются. Отказ узла ферменной фермы влияет на его общую несущую способность, что приводит к кратковременному отказу конструкции.
Легко ржавеет.Стальные или железные гвозди подвержены коррозии при воздействии воздуха, которые более выражены в условиях высокой влажности и высокой соли, что снижает долговечность всей деревянной конструкции.
Плохое рассеяние энергии. Гвозди — это соединения крепежного типа, которые ограничивают относительное вращение фермы и фермы и не могут потреблять энергию, генерируемую поперечной силой, что приводит к ослаблению поперечного сопротивления всего здания.
В связи с проблемами, связанными с режимами соединения ферменной фермы, в этой главе предлагается новый тип режимов соединения ферменной фермы, который заменяет традиционные железные соединители на деревянные соединители.Конкретная схема выглядит следующим образом: все отдельные фермы, составляющие ферму балок, предварительно собираются и временно фиксируются, затем предварительно сверлят в определенных местах всех ферм и, наконец, вставляют в деревянный или бамбуковый круглый дюбель, который представляет собой деревянный дюбельный соединитель ( см. [15]) (как показано на рисунке 2).
Использование деревянных или бамбуковых соединителей в основном связано с тем, что деревянные или бамбуковые соединения менее подвержены коррозии, чем железные соединения (см. [16, 17]). Также нет проблем с резким падением механических свойств в огнеупорных условиях.Кроме того, деревянные или бамбуковые соединения могут значительно улучшить пластичность соединяемых элементов (см. [18]), тем самым улучшая характеристики фермы фермы при сопротивлении боковым усилиям.
Выбор положения соединения деревянного штифта определяется характеристиками силы параллельной фермы хорды. Параллельная хордовая ферма может рассматриваться как просто поддерживаемая балка при воздействии верхней равномерной нагрузки. Сила в основном ложится на верхний и нижний пояс фермы.Верхняя хорда находится под давлением, а нижняя хорда подвергается растяжению, но полотно играет только вспомогательную роль. На рисунке 3 показана диаграмма внутренних сил фермы из светлого дерева, поддерживаемой верхним равномерным узлом. Из диаграммы внутренних сил видно, что если ферма с параллельными хордами рассматривается как статическая комбинационная структура, это означает, что хорда сломана, и оба конца шарнирны. При равномерной нагрузке среднее значение изгибающего момента каждой хорды является наибольшим, а усилие сдвига, по меньшей мере, равно нулю.Использование деревянных дюбельных соединителей требует предварительного сверления верхнего и нижнего поясов фермы, что уменьшает размеры поперечного сечения сетки в поперечном сечении. Формула расчета усилия сдвига конструктивного элемента:
τ = QAE1
Рисунок 3.
Диаграмма внутренней силы параллельной фермы хорды. (а) Диаграмма осевой силы параллельной хордовой фермы; (б) диаграмма изгибающего момента параллельной хордовой фермы; (c) Диаграмма силы сдвига параллельной хорды.
A представляет поперечное сечение срезанной части срезанного элемента.Уменьшение A означает увеличение напряжения сдвига в элементе. Поэтому положение разъема должно быть расположено там, где усилие сдвига хорды является наименьшим, то есть серединой каждых двух узлов хорды.
3. Обзор эксперимента
3.1. Экспериментальный дизайн
Материал, использованный в испытании, — материал лиственницы ( Larix gmelinii) , импортированный из России. Марка материала II степени, плотность 0,657 г / см 3 .Содержание влаги составляет 17,4%, в соответствии с общими требованиями к физическим и механическим испытаниям древесины (GB / T 1928–2009).
В соответствии с методом непрерывной загрузки ферм в стандарте для методов испытаний деревянных конструкций (GB20329-2012) было проведено испытание на статическую нагрузку для шести типов ферм с малыми пролетами, и номер испытательного образца выражается в виде S.
Чтобы исследовать влияние деревянных дюбелей различного диаметра на производительность ферменной фермы, эксперимент в этой главе содержит ферменную ферму из трех деревянных дюбелей различного диаметра.Деревянные дюбеля имеют диаметр 12, 16 и 20 мм. Оценка эффективности трехбалочной фермы все еще рассматривается с двух сторон: предельная несущая способность и сопротивление деформации. Среди них анти-деформационная способность включает сопротивление ползучести и упругое восстановление.
Кроме того, в эксперименте также была создана ферма из балок, состоящая из трех отдельных ферм, для изучения эффекта усиления фермы фермы с увеличением количества одиночных ферм.Диаметр деревянных дюбелей, соединяющих фермы фермы, зависел от результатов эксперимента фермы фермы с двумя отдельными фермами. Чтобы отличить другие фермы фермы с двумя одиночными фермами, фермы фермы с тремя одиночными фермами обозначены G3, в то время как другие фермы фермы обозначены G2.
На рисунке 4 показана структурная форма и конкретные размеры образца, используемого в этом испытании. Фермы фермы, используемые в эксперименте, все составлены из этой единственной фермы.
Рисунок 4.
Размер фермы фермы (единица измерения: мм).
Конкретный состав образца для испытаний показан в таблице 1.
| Номер фермы | Описание | Количество |
|---|---|---|
| SPT-S | Обычная одинарная ферма | 1 |
| SPT-G2-N | Балочная ферма из двух гвоздей SPT-S | 1 |
| SPT-G2-12 | Ферменная ферма из двух SPT-S, соединенных дюбелем из бука диаметром 12 мм | 2 |
| SPT-G2-16 | Ферменная ферма из двух SPT-S, соединенных между собой дюбелем из бука диаметром 16 мм | 2 |
| SPT-G2-20 | Ферменная ферма из двух SPT -S соединен штифтом из бука 20 мм | 2 |
| SPT-G3 | Ферма фермы изготовлена из трех шпонок SPT-S, соединенных штифтом из бука диаметром 16 мм | 1 |
Таблица 1.
Номер образца и описание.
3.2. Теоретический расчет
Расчет стандартной нагрузки ПК
Предположим, что расстояние между фермами составляет 406 мм, а срок службы здания — 50 лет.
В соответствии с редакцией кода нагрузки 2012 года для проектирования строительных конструкций (GB5009-2012):
Стандартное значение постоянной нагрузки: 0,885 × 0,406 = 0,359 кН / м
Вес фермы: 0,106 × 0,406 = 0,043 кН / м
Снеговая нагрузка нормативное значение: 0.5 × 0,406 = 0,203 кН / м
Стандартное значение рабочей нагрузки: 2,0 × 0,406 = 0,812 кН / м
Расчетное значение нагрузки: (0,359 + 0,043) × 1,2 + (0,203 + 0,812) × 1,4 = 1,9 кН / м
Нагрузка на узел: 1,9 × 1,734 ≈ 3,3 кН.
3.3. Программа и устройство нагрузки
В соответствии с нагрузкой на ферму в стандарте для методов испытаний деревянных конструкций (GB50329-2012), испытание на статическую нагрузку на ферму добавляло нагрузку первого порядка каждые 10 минут на этапе разрушения с нагрузкой 0.2 Pk за сцену. Этот тест использовал механическую испытательную машину для загрузки. Таким образом, процедура загрузки может выполняться в режиме непрерывной загрузки, который составляет 0,2 Пк каждые 10 минут. Загрузка в минуту была 0,02 Pk . После приведенного выше теоретического расчета Pk составлял 3,3 кН, а нагрузка в минуту составляла 0,066 кН. Однако в предварительном эксперименте мы обнаружили, что ферменная конструкция балки более чем в два раза превосходила несущую способность одиночной фермы.Таким образом, во время процесса загрузки нагрузка каждой ступени также удваивалась до 0,132 кН. Если балочная ферма состоит из трех отдельных ферм, нагрузка на ступень также была утроена до 0,198 кН. Схема конкретной системы загрузки показана на рисунке 5.
Рисунок 5.
Система загрузки.
3.4. Индекс оценки и расположение точек измерения
Целью этого эксперимента является изучение влияния различных диаметров штифтов на механические свойства новой ферменной фермы, соединенной штифтами.Оценка характеристик фермы фермы для различных диаметров штифтов должна также начинаться с аспектов предельной несущей способности, сопротивления деформации, формы и механизма разрушения. Следовательно, аналогично испытанию на статическую нагрузку стропильных ферм с большими пролетами, необходимо непрерывно отслеживать изменения смещения различных узлов различных стропильных ферм. В этом эксперименте между хордой и зубчатой пластиной был также установлен датчик перемещения малого радиуса действия для измерения относительного скольжения зубчатой пластины относительно хорды.Кроме того, тензометрические датчики были расположены на важных аккордах для измерения напряжения на различных этапах аккордов. Конкретное расположение точек измерения показано на рисунке 6.
Рисунок 6.
Расположение тензодатчиков и датчиков смещения. а) компоновка тензодатчика; (б) датчик перемещения; (в) универсальная механическая испытательная машина.
4. Описание явления
4.1. Общее разрушение
В этой главе проводится тест на статическую нагрузку для одной одиночной фермы и девяти фермы фермы, включая ферму фермы, состоящую из трех фермы фермы.Существует большая разница в предельной несущей способности и деформации различных типов ферм. Однако общая форма и процесс разрушения фермы примерно одинаковы. Форма повреждения разъема, снятого после испытания фермы, также сильно отличается. Это также полностью иллюстрирует различную связь между фермами фермы, которая будет иметь большее влияние на его производительность.
Во-первых, во время предварительной загрузки ступени T1 ферма не произвела существенных изменений.После 30 минут загрузки все типы ферм вызвали очень небольшие остаточные деформации. В частности, ферменная конструкция балки могла достичь полного упругого восстановления. Из кривой нагрузки-смещения ступени T1 на рисунке 7 определенное значение ползучести появилось в одиночной ферме во время фазы предварительной нагрузки. Переменные ползучести других фермы балок были незначительными. Использование дюбелей разных диаметров мало повлияло на характеристики фермы фермы.
Рисунок 7.
Смещение нагрузки на стадии Т1. (а) SPT-S; (б) SPT-N; (С) SPT-G2-12; (d) SPT-G2-16; (e) SPT-G2-20.
По ходу испытания не было значительного явления испытания для каждой фермы от 24-часовой удерживающей нагрузки до начальной ступени T3 . Однако при загрузке до 5 Pk явление испытания начало проявляться в пролете фермы, и в других узлах явного явления не было. Например, небольшая выпуклость пластины фермы произошла в верхнем узле B SPT-S, а нижняя хорда образовала трещины возле узла (как показано на рисунке 8).На других этапах другие балочные фермы были похожи на испытательный феномен одиночных ферм, и феномены разрушения также были сосредоточены в этих двух местах. В частности, выпуклая пластина центрального узла B верхнего пояса выпуклая (как показано на рисунке 9). В основном это связано с силовым механизмом параллельной хордовой фермы. Когда ферма с параллельными хордами подвергается верхней концентрированной нагрузке, верхняя хорда подвергается сжатию, а нижняя хорда находится под напряжением. В сочетании с анализом структурной механики диагональное полотно фермы будет создавать поперечную силу в узле B, чтобы противостоять верхней сосредоточенной нагрузке.Следовательно, узел В подвергался воздействию напряжения сдвига, и напряженная среда была очень сложной. В сочетании с окончательной формой разрушения ферменной плиты, ферменная плита в узле B в конечном итоге стала формой разрушения при сдвиговом сжатии.
Рисунок 8.
Трещины в нижней хорде сопровождаются процессом испытания на удаление зубьев SPT-S1.
Рисунок 9.
Ошибка сжатия сдвига сопряженной пластины в узле B. (а) SPT-G2-N; (б) SPT-G2-12-1; (c) SPT-G2-16-2; (d) SPT-G2-20-2.
Кроме того, многие эксперименты обнаружили, что общее повреждение фермы разрушается разрушением нижнего пояса. Узел нижнего пояса также напрямую влияет на силовые характеристики. На рисунке 10 показана фактическая фотография разрушения в нижних поясах ферм. При обработке фермы экспериментаторы должны обращать внимание на выбор нижнего пояса и стараться избегать слишком большого количества спецификаций с узлами. Тем не менее, верхний пояс и сетка фермы имели очевидные повреждения при сдвиге, а хорда не имела явных повреждений.Следовательно, когда деревянная ферма обрабатывается, сорт обрабатываемого материала может быть соответствующим образом уменьшен.
Рисунок 10.
Разрушение в нижних поясах ферм. (а) SPT-G2-N; (б) SPT-G2-12-2; (c) SPT-G2-16-1.
Разрушение нижней хорды фермы SPT-G2-20 было вызвано разными причинами. SPT-G2-20 имел отверстие диаметром 19,5 мм в верхних и нижних поясах. Отверстие нижней хорды было слишком большим, разрушая волокна в направлении дерева, а также уменьшая чистую площадь поперечного сечения хорды фермы.В условиях постоянной силы уменьшение чистой площади поперечного сечения стержня увеличит нагрузку на хорду. Прочность на растяжение древесины большого размера меньше прочности на сжатие, поэтому нижний пояс легко повреждается. На рисунке 11 показана реальная фотография провала балки фермы SPT-G2-20. Трещина нижнего пояса начиналась от деревянного штифта и проходила через весь пояс. В конечном итоге это привело к полному разрушению фермы, но при этом штифт был незначительным.
Рисунок 11.
Феномен отказа SPT-G2-20-1.
4.2. Разрушение узла соединения
В предыдущем разделе описан режим отказа узла фермы фермы, соединенной дюбелем диаметром 20 мм между одиночными фермами фермы фермы. Окончательный ущерб был вызван разрушением нижнего пояса, но шпонки практически не деформировались. Размер дюбелей и соединителей гвоздя был поврежден в разной степени. На рисунке 12 показан разъем, снятый с фермы после окончательного разрушения каждого ферменного фермы.
Рисунок 12.
Неисправность разъемов.
Из рисунка 12, деформация, вызванная соединением гвоздя, была большой. Как и в случае соединительной балочной фермы с длинными пролетами, в середине ногтя появился пластиковый шарнир. Когда ферма была загружена на более позднюю стадию, более очевидная дислокация произошла между отдельными фермами, которые составляют ферму фермы. Разные диаметры дюбелей порождают разные формы деформации или повреждения. Во-первых, подобно гвоздю, деревянный дюбель диаметром 12 мм также изготовил пластиковую петлю.Однако величина деформации была меньше, чем у гвоздевого соединения. Диаметр деревянных дюбелей сказался на его жесткости. Деформация дюбеля большого диаметра была небольшой. Дюбели диаметром 20 мм практически не деформировались. Деревянные дюбели почти не пострадали от повреждения фермы. Деформация деревянных дюбелей с 16 мм также не была очевидной. Потеря поперечного сечения хорды была уменьшена при обеспечении достаточной прочности сустава. Соотношение между диаметром отверстия и штифтом ферменного элемента также влияло на характеристики соединения.Черный цвет на конце дюбеля диаметром 20 мм на рисунке 13 является результатом карбонизации, когда дюбель был ввинчен в паз. Когда диаметр отверстия хорды составлял менее 0,5 мм от диаметра деревянного штифта, деревянный штифт, ввинченный в стержень, обугливался за счет высокоточного вращения, и на поверхности штифта образовался обугленный слой, который защищена поверхность деревянного дюбеля. Поверхностная прочность была улучшена. Поэтому необходимо тщательно выбирать соединители и подбирать подходящий размер предварительного сверления с точки зрения долговечности фермы фермы.
Рисунок 13.
Максимальная несущая способность ферм.
5. Предельная несущая способность
Рисунок 13 представляет собой сравнение предельной несущей способности фермы категории пять. Среди них новая ферменная ферменная конструкция из деревянных шпонок проходит в среднем два испытания. Из рисунка видно, что предельная несущая способность всех видов деревянных ферм намного выше, чем ее теоретическое расчетное значение, поэтому уменьшение пролета фермы будет эффективно улучшать ее несущую способность.Кроме того, предельная несущая способность различных ферменных ферм намного больше, чем у одинарной фермы, но предельная несущая способность различных ферменных ферм мало отличается друг от друга. Фермы из 12-мм и 16-мм деревянных шпонок имеют относительно высокую предельную несущую способность. Ферма фермы, соединяющая гвоздь, влияла на синергию фермы фермы из-за взаимного смещения между отдельными фермами, снижая таким образом характеристики подшипников. Ферма фермы с деревянным штифтом диаметром 20 мм имела большую площадь отверстия в нижней хорде фермы, что уменьшало чистую площадь поперечного сечения натяжного элемента, тем самым снижая несущую способность фермы.
6. Анализ результатов испытаний на прогиб узла
На рисунке 14 показана диаграмма прогиба нижних поясов трех ферменных ферм с использованием двух дюбельных соединений разных диаметров. Из рисунка видно, что три типа ферм демонстрируют хорошую согласованность на первых двух этапах загрузки. Ферма входит в нелинейную стадию, когда она входит в стадию разрушения, и результаты двух испытаний будут различаться из-за изменчивости древесины. На рисунке 17 показано изменение общей деформации фермы в процессе загрузки.Изображение показывает, что трудно различить влияние различных методов соединения на сопротивление ползучести, характеристики упругого восстановления и сопротивление деформации фермы на образцах фермы с небольшим пролетом. Только на этапе разрушения фермы можно определить кривую прогиба и проанализировать различные типы и механизмы разрушения.
Рисунок 14.
Отклонение во времени новых ферменных ферм от начала до конца. (а) SPT-G2-12; (б) SPT-G2-16; (c) SPT-G2-20.
Как показано на рисунке 15, кривые нагрузки-отклонения одиночной фермы, фермы балки гвоздевого соединения и фермы фермы деревянного дюбеля выбираются на этапе разрушения. Из рисунка видно, что разные типы ферм имеют разные способы и механизмы отказов. Одиночная ферма показала явные характеристики хрупкого разрушения. В непосредственной близости от провала не было никаких явных признаков. Трещина произошла возле узла нижнего пояса (как показано на рисунке 8).Затем трещина продолжала увеличиваться. В конце концов, полный отказ фермы был вызван внезапным переломом нижней хорды.
Рисунок 15.
Кривая нагрузки на прогиб ферм.
Пластичность двух ферменных ферм значительно лучше, чем у одиночных. На средней и более поздних стадиях отказа фермы кривая нагрузки-смещения часто показывает поворот на одном конце. Причиной поворотов является то, что одна ферма в ферме балок была разрушена первой.Поскольку другая ферма все еще имела грузоподъемность, она быстро выдержала бы верхнюю нагрузку. Тем не менее, он также будет быстро разрушен, потому что была подчеркнута только одна ферма. Из-за различных связей между выбранными одиночными фермами фермы фермы вышеописанная ситуация будет другой. Несмотря на то, что коэффициент пролета при сдвиге был снижен, ферменная конструкция балки гвоздевого соединения все еще демонстрировала нестабильность в плоскости на более поздней стадии нагрузки. Фермы с большими пролетами были не очень очевидны.Был взаимный вывих между верхними фермами. Ферма фермы будет очевидна, что сначала была уничтожена одна ферма, а затем быстро будет разрушена другая ферма. Таким образом, ферменная конструкция балки гвоздя не дала ожидаемого эффекта «один плюс один больше двух». Ферма фермы, соединенная деревянным штифтом, могла сохранять хорошую синергию между загруженными фермами. Поэтому у SPT-G2-16 также была первая волна, в которой у SPT-G2-N были свои повороты. Однако можно видеть, что падение смещения было очень ограниченным, что указывает на то, что ферма не была полностью разрушена.По мере того, как нагрузка продолжала увеличиваться, на кривой появились три или четыре небольших поворота. В конце концов, трещины, которые образовались в нижней части двух нижних поясов фермы, были чрезмерными и полностью проникли (как показано на рисунке 16), что привело к разрушению фермы.
Рисунок 16.
Феномен отказа SPT-G2-16.
На рисунке 17 показаны кривые отклонения нагрузки трех новых ферменных ферм с различными диаметрами деревянного дюбеля в качестве соединения между отдельными фермами.Из рисунка видно, что кривые отклонения нагрузки трех ферменных ферм имеют разные формы. Ферма фермы с деревянным штифтом диаметром 20 мм имела сходный режим разрушения одиночной фермы, который представлял собой хрупкое разрушение (как показано на рисунке 10). Нижний пояс был разорван под действием напряжения и сдвига. Балочная ферма, соединенная дюбелем диаметром 12 мм, была аналогична ферменной ферме, соединенной гвоздем. Хотя кривая нагрузки-смещения претерпела скручивание, ферма не показала хорошего синергизма.Наконец, появился пластиковый шарнир, похожий на деревянный штифт и гвоздь. Следовательно, балочная ферма, соединенная с помощью дюбеля, показала лучшие механические характеристики при использовании деревянного дюбеля диаметром 16 мм.
Рисунок 17.
Кривая нагрузки-прогиб новых фермы.
7. Дальнейшие эксперименты фермы фермы, состоящей из трех отдельных ферм
В последнем разделе фермы фермы, соединенные тремя деревянными дюбелями различного диаметра, были испытаны на статическую нагрузку, а ферма фермы с деревянными дюбелями диаметром 16 мм была Лучший.Все предыдущие эксперименты были выполнены на ферме фермы, состоящей из двух одинарных ферм, но ферма фермы, состоящей из трех или более ферм, не были протестированы. Для фермы фермы, которая будет широко использоваться в более крупных пролетных конструкциях и более сложных опорных средах, они не могут состоять только из двух отдельных ферм. Это должно рассмотреть больше форм единственных комбинаций фермы. В сочетании с результатами испытаний, приведенными в предыдущем разделе, в этом разделе проводится испытание на статическую нагрузку фермы фермы, состоящей из трех одинарных ферм, соединенных деревянными дюбелями диаметром 16 мм.Эффект усиления фермы фермы был изучен в сравнении с фермой фермы, состоящей из двух отдельных ферм, соединенных деревянными дюбелями одинакового диаметра.
Что касается несущей способности, ферменная конструкция фермы, состоящая из двух одинарных ферм, была 53 кН, а ферменная конструкция фермы, состоящая из трех отдельных ферм, имела несущую способность 77 кН, увеличившись на 45%. Таким образом, чем больше количество отдельных ферм, составляющих ферму фермы, тем более очевидные эффекты улучшения имеют с точки зрения режима отказа, две фермы фермы были похожи, и хорда была разрушена в условиях растягивающего сдвига, в результате чего уничтожение фермы.Как показано на рисунке 18, средняя ферма впервые появилась в виде трещин на нижнем поясе. Увеличение силы привело к полному отказу промежуточной фермы, когда только две фермы были нагружены, но ферма фермы потеряла синергию в это время. Затем деревянные дюбели нижнего пояса были также разрушены (как показано на рисунке 19). Нижний пояс одиночной фермы на внешней стороне ферменной фермы полностью растрескался в направлении зерна. Ферма провалилась в целом. Как показано на рисунке 20, кривые нагрузки-смещения двух ферменных ферм на заключительном этапе разрушения, также можно обнаружить, что две ферменные фермы имеют очень похожие режимы разрушения и обе демонстрируют хорошую пластичность.
Рисунок 18.
Отказ SPT-G3-16.
Рисунок 19.
Отказ разъемов в SPT-G3-16.
Рисунок 20.
Кривая нагрузки-смещения в стадии разрушения.
8. Заключение
В этой главе было проведено испытание на статическую нагрузку деревянных ферм с целью изучения влияния различных соединений на механические свойства фермы фермы между отдельными фермами фермы фермы, особенно влияние различных диаметров дюбелей на ферменная конструкцияРезультаты показали, что:
Ферма фермы с деревянным штифтом должна быть присоединена к ферме фермы целиком, но диаметр деревянного дюбеля следует выбирать разумно.
С точки зрения несущей способности, механизма разрушения и режима фермы ферменная конструкция фермы имеет наилучшие характеристики при диаметре деревянного штифта 16 мм.
В предельных состояниях эксплуатационной пригодности использование соединительных штифтов различных диаметров мало влияет на сопротивление деформации фермы фермы.
На верхнем поясе, соединенном с пластиной фермы, пластина фермы подвержена сдвиговому повреждению из-за совместного воздействия давления и сдвига. В реальном проекте следует попытаться сделать частичное усиление.
По мере увеличения числа отдельных ферм, из которых состоит ферма фермы, также будут происходить значительные улучшения ее механических свойств.
Деревянные сучки, особенно мертвые сучки, оказывают сильное ослабляющее влияние на несущую способность аккордов деревянных ферм.Полный отказ фермы часто происходит из-за наличия узла, поэтому выбор фермы должен быть сделан. Аккорд фермы следует избегать использования материалов с сучками. При необходимости может быть выбрано, что вместо стали используют древесину, разрабатывая композитную структуру сталь-дерево.
Благодарности
Работа выполнена при поддержке Национального фонда естественных наук Китая (грант № 31670566) и Национального «Двенадцатого пятилетнего» плана поддержки науки и техники (2015BAD14B0503).
3.5 Метод соединений
Метод соединений — это процедура для определения внутренних осевых сил в элементах фермы. Он включает в себя прохождение через каждое из соединений фермы по очереди, каждый раз используя равновесие в соединении, чтобы найти неизвестные силы члена.
Если ферма определенная и стабильная, всегда будет соединение, которое имеет два или меньше неизвестных. Критическое число неизвестных равно двум, потому что в стропильной ферме у нас есть только два полезных уравнения равновесия \ eqref {eq: TrussEquil}.{p} {F_ {yi}} = 0;
\ end {уравнение}
Ферма, показанная на рисунке 3.4, имеет внешние силы и граничные условия. Мы должны найти внутренние осевые силы во всех элементах фермы.
Это простая ферма, которая просто поддерживается (со штифтом на одном конце и роликом на другом). Из раздела 2.5:
\ begin {align *}
m + r & = 2j \ text {для определения} \\
m + r & = 9 + 3 = 12 \\
2j & = 2 (6) = 12
\ end {align *}
Таким образом, ферма определена.Также нет внутренней нестабильности, и поэтому ферма стабильна.
Хотя нет элементов с нулевым усилием, которые можно идентифицировать в направлении, используя Случай 1 или 2 в Разделе 3.3, существует элемент с нулевым усилием, который все еще можно легко идентифицировать. Поскольку граничная опора в точке E является роликом, горизонтальная реакция отсутствует. Следовательно, реакция на Е является чисто вертикальной. Следовательно, единственная горизонтальная сила в соединении может исходить от элемента CE, но, поскольку нет другого элемента или опоры, способного противостоять такой горизонтальной силе, мы должны сделать вывод, что сила в элементе CE должна быть равна нулю:
\ begin {уравнение *}
\ boxed {F_ {CE} = 0}
\ end {уравнение *}
Как и любой элемент с нулевым усилием, если бы мы не идентифицировали элемент с нулевым усилием на этом этапе, мы могли бы легко найти его с помощью анализа FBD на каждом соединении.Обнаружение этого сейчас просто помогает нам сэкономить работу в будущем.
Следует также отметить, что, хотя элемент CE не имеет осевой нагрузки, он все еще должен существовать на месте для устойчивости фермы. Если бы элемент CE был удален, шарнир E был бы полностью свободен для перемещения в горизонтальном направлении и вызвал бы разрушение фермы.
На рисунке 3.5 показана система ферменных конструкций в виде диаграммы свободного тела и обозначены углы наклона для всех элементов фермы.{-1} \ left (\ frac {3} {5} \ right) = \ ang {31.0}
\ end {align *}
Затем неизвестные силы реакции $ A_x $, $ A_y $ и $ E_y $ можно найти с помощью трех уравнений глобального равновесия в 2D. Давайте начнем с моментного равновесия вокруг точки A. Поскольку неизвестные реакции $ A_x $ и $ A_y $ оба толкают или притягивают непосредственно к точке A, ни одна из них не создает момент вокруг A. Это всегда хорошая идея выбрать точку для момент равновесия, который устраняет столько неизвестных сил из уравнения, сколько возможно.В этом случае единственное оставшееся неизвестное на данный момент равновесие вокруг A будет $ E_y $:
\ begin {align *}
\ curvearrowleft \ sum M_A & = 0 \\
— \ SI {5} {kN} (\ SI {3} {m}) & — \ SI {10} {kN} (\ SI {5} {m})
+ E_y (\ SI {10} {m}) = 0 \\
E_y & = + \ SI {6.5} {кН}
\ end {align *}
\ begin {уравнение *}
\ boxed {E_y = \ SI {6.5} {кН} \ uparrow}
\ end {уравнение *}
Стрелка вращения против часовой стрелки $ \ curvearrowleft $ рядом с уравнением равновесия должна напомнить нам, что мы считаем моменты против часовой стрелки положительными.В этом равновесии около точки A обе внешние силы направлены по часовой стрелке, что, согласно нашему соглашению о знаках, описанному в разделе 1.6, создает отрицательные моменты. На рис. 3.5 мы предположили, что неизвестная реакция $ E_y $ указывает вверх. Поскольку полученное значение для $ E_y $ было положительным, мы знаем, что это предположение было верным, и, следовательно, реакция $ E_y $ указывает вверх.
Далее рассмотрим вертикальное равновесие. В начале задачи у нас было два вертикальных неизвестных $ A_y $ и $ E_y $.Поскольку мы решили для $ E_y $, используя моментное равновесие, единственная вертикальная сила, неизвестная $ A_y $, может быть легко найдена с помощью вертикального равновесия:
\ begin {align *}
\ uparrow \ sum F_y & = 0 \\
A_y — \ SI {10} {kN} + E_y & = 0 \\
A_y — \ SI {10} {kN} + \ SI {6.5} {кН} & = 0 \\
A_y & = + \ SI {3.5} {кН}
\ end {align *}
\ begin {уравнение *}
\ boxed {A_y = \ SI {3.5} {кН} \ uparrow}
\ end {уравнение *}
Опять же, стрелка вверх $ \ uparrow $ рядом с уравнением равновесия должна напоминать нам, что мы считаем силы вверх положительными.Положительный результат для $ A_y $ указывает, что $ A_y $ указывает вверх.
Для горизонтального равновесия есть только один неизвестный, $ A_x $:
\ begin {align *}
\ rightarrow \ sum F_x & = 0 \\
-A_x + \ SI {5.0} {kN} & = 0 \\
A_x & = + \ SI {5.0} {kN}
\ end {align *}
\ begin {уравнение *}
\ boxed {A_x = \ SI {5.0} {кН} \ leftarrow}
\ end {уравнение *}
Для неизвестной реакции $ A_x $ мы изначально предполагали, что она указывает налево, поскольку было ясно, что она должна уравновешивать внешнюю силу $ \ SI {5} {kN} $.
Мы выберем соединение A в качестве начального соединения. Поскольку мы уже определили реакции $ A_x $ и $ A_y $, используя глобальное равновесие, у соединения есть только два неизвестных, силы в членах AB ($ F_ {AB} $) и AC ($ F_ {AC} $).
В качестве альтернативы, соединение E также будет подходящей отправной точкой.
Диаграмма свободного тела пускового шарнира (шарнир А) показана в левом верхнем углу рисунка 3.6. Реакции $ A_x $ и $ A_y $ проводятся в тех направлениях, которые мы знаем, на которые они указывают, основываясь на анализе, который мы сделали выше.
Рисунок 3.6: Пример метода соединений — совместные диаграммы свободного тела
Предполагается, что силы неизвестного члена $ F_ {AB} $ и $ F_ {AC} $ находятся в напряжении (отрыв от соединения). Как обсуждалось ранее, для каждого соединения есть два уравнения равновесия ($ \ sum F_x = 0 $ и $ \ sum F_y = 0 $). Поскольку у нас есть два уравнения и два неизвестных, мы можем легко найти неизвестные.Горизонтальное равновесие:
\ begin {align *}
\ rightarrow \ sum F_x & = 0 \\
-A_x + F_ {AC} & = 0 \\
— \ SI {5} {kN} + F_ {AC} & = 0 \ \
F_ {AC} & = + \ SI {5} {кН}
\ end {align *}
\ begin {уравнение *}
\ boxed {F_ {AC} = \ SI {5} {кН} \ rightarrow}
\ end {уравнение *}
Так как теперь мы знаем направление $ F_ {AC} $, мы знаем, что член AC должен быть натянут (потому что его стрелка силы указывает в сторону от соединения). Для вертикального равновесия:
\ begin {align *}
\ uparrow \ sum F_y & = 0 \\
-A_y + F_ {AB} & = 0 \\
+ \ SI {3.5} {кН} + F_ {AB} & = 0 \\
F_ {AB} & = — \ SI {3.5} {кН}
\ end {align *}
\ begin {уравнение *}
\ boxed {F_ {AB} = \ SI {3.5} {кН} \ downarrow}
\ end {уравнение *}
Таким образом, элемент AB находится в сжатии (потому что стрелка фактически указывает на соединение).
Соединение B
Теперь, когда мы знаем внутренние осевые силы в элементах AB и AC, мы можем перейти к другому суставу, который имеет только две неизвестные силы.От члена A мы перейдем к члену B, в который входят три члена (для одного из которых мы знаем внутреннюю силу). Конечно, когда мы знаем силу на одном конце AB (из равновесия в соединении A), мы знаем, что сила на другом конце должна быть такой же, но в противоположном направлении. Поскольку было определено, что осевое усилие в AB составляет $ \ SI {3.5} {kN} $ при сжатии, мы знаем, что в соединении B оно должно указывать в направлении соединения .
Диаграмма свободного тела для соединения B показана в центре вверху на рисунке 3.6. Сила $ F_ {AB} $ рисуется в направлении узла, а также отображается внешняя сила $ \ SI {5} {kN} $. Также показаны две неизвестные силы в членах BC и BD. Применяя равновесие в суставе B, мы можем найти неизвестные силы в этих членах $ F_ {BC} $ и $ F_ {BD} $. Эти две силы наклонены относительно горизонтальной оси (под углами $ \ alpha $ и $ \ beta $, как показано), и поэтому оба уравнения равновесия будут содержать обе неизвестные силы. Это означает, что нам придется решить два уравнения / две неизвестные системы:
\ begin {align *}
\ rightarrow \ sum F_x & = 0 \\
\ SI {5} {kN} + F_ {BD} \ cos \ ang {21.8} + F_ {BC} \ cos \ ang {31.0} c & = 0 \\
\ uparrow \ sum F_y & = 0 \\
\ SI {3.5} {kN} + F_ {BD} \ sin \ ang { 21,8} — F_ {BC} \ sin \ ang {31.0} & = 0
\ end {align *}
Перестановка уравнения горизонтального равновесия для $ F_ {BD} $:
\ begin {align *}
F_ {BD} & = \ frac {-5 — F_ {BC} \ cos \ ang {31.0}} {\ cos \ ang {21.8}} \\
& = -5,385 — 0,923 F_ {BC}
\ end {align *}
Подставьте это в уравнение вертикального равновесия и решите за $ F_ {BC} $:
\ begin {align *}
3.5 + (-5,385 — 0,923 F_ {BC}) & \ sin \ ang {21,8} — F_ {BC} \ sin \ ang {31.0} = 0 \\
1,5 — 0,858 F_ {BC} & = 0 \\
F_ {BC} & = + \ SI {1.75} {кН}
\ end {align *}
\ begin {уравнение *}
\ boxed {F_ {BC} = \ SI {1.75} {кН} \ searrow \ text {(T)}}
\ end {уравнение *}
в напряжении. Снова используя горизонтальное равновесие:
\ begin {align *}
F_ {BD} & = \ frac {-5 — 1,75 \ cos \ ang {31.0}} {\ cos \ ang {21.8}} \\
F_ {BD} & = — \ SI {7.0} {кН}
\ end {align *}
\ begin {уравнение *}
\ boxed {F_ {BD} = \ SI {7.0} {kN} \ swarrow \ text {(C)}}
\ end {уравнение *}
Сустав D
Теперь, когда мы знаем $ F_ {BD} $, мы можем перейти к соединению D (вверху справа на рисунке 3.6). Поскольку только одна из неизвестных сил в этом соединении имеет горизонтальную составляющую ($ F_ {DF} $), она сначала сохранит работу, чтобы решить эту неизвестную:
\ begin {align *}
\ rightarrow \ sum F_x & = 0 \\
F_ {BD} \ cos \ ang {21.8} + F_ {DF} \ cos \ ang {21.8} & = 0 \\
F_ { BD} & = -F_ {DF} \\
F_ {DF} & = — \ SI {7.0} {кН}
\ end {align *}
\ begin {уравнение *}
\ boxed {F_ {DF} = \ SI {7.0} {kN} \ nwarrow \ text {(C)}}
\ end {уравнение *}
Тогда решение для вертикального равновесия:
\ begin {align *}
\ uparrow \ sum F_y & = 0 \\
7.0 \ sin \ ang {21.8} — (-7.0) \ sin \ ang {21.8} — F_ {CD} & = 0 \\
F_ {CD} & = + \ SI {5.2} {кН}
\ end {align *}
\ begin {уравнение *}
\ boxed {F_ {CD} = \ SI {5.2} {кН} \ downarrow \ text {(T)}}
\ end {уравнение *}
Сустав F
Переход к соединению F (внизу слева на рисунке 3.6):
\ begin {align *}
\ rightarrow \ sum F_x & = 0 \\
7.0 \ cos \ ang {21.8} — F_ {CF} \ cos \ ang {31.0} & = 0 \\
F_CF & = \ SI {7.58} {кН}
\ end {align *}
\ begin {уравнение *}
\ boxed {F_ {CF} = \ SI {7.58} {кН} \ swarrow \ text {(T)}}
\ end {уравнение *}
\ begin {align *}
\ uparrow \ sum F_y & = 0 \\
-7.0 \ sin \ ang {21.8} — 7.58 \ sin \ ang {21.8} — F_ {EF} & = 0 \\
F_ { EF} & = — \ SI {6.5} {кН}
\ end {align *}
\ begin {уравнение *}
\ boxed {F_ {EF} = \ SI {6.5} {кН} \ uparrow \ text {(C)}}
\ end {уравнение *}
На данный момент все неизвестные внутренние осевые силы для элементов фермы были найдены.Если мы не определили элемент нулевой силы на шаге 2, то нам пришлось бы перейти к решению еще одного соединения.
Сустав C
Несмотря на то, что мы нашли все силы, полезно все равно продолжить и использовать последний сустав в качестве проверки нашего решения. Если силы на последнем соединении удовлетворяют равновесию, то мы можем быть уверены, что не допустили ошибок вычислений на этом пути. В этой задаче у нас есть два соединения, которые мы можем использовать для проверки, так как мы уже определили один элемент с нулевым усилием.Всегда будет хотя бы один сустав, который вы можете использовать для проверки окончательного равновесия. Все известные силы в соединении C показаны в нижнем центре рисунка 3.6.
Чек:
\ begin {align *}
\ rightarrow \ sum F_x & = 0 \; ? \\
-5 — 1,75 \ cos \ ang {31.0} + 7.58 \ cos \ ang {31.0} + 0 & = -0.003 \; \ checkmark
\ end {align *}
Это достаточно близко к нулю, что может быть связано с ошибкой округления, поэтому горизонтальное равновесие выполняется.
Чек:
\ begin {align *}
\ uparrow \ sum F_y & = 0 \; ? \\
1,75 \ sin \ ang {31.0} + 5.2 + 7.58 \ sin \ ang {31.0} -10 & = 0.005 \; \ checkmark
\ end {align *}
Соединение E
Соединение E является последним соединением, которое можно использовать для проверки равновесия (показано в правом нижнем углу рисунка 3.6. Поскольку $ F_ {CE} = 0 $, просто проверить, что $ F_ {EF} $ имеет та же величина и противоположное направление $ E_y $, что он делает.
Резюме
Сводка всех сил реакции, внешних сил и осевых нагрузок внутреннего элемента показана на рисунке 3.7. На этом рисунке показан хороший способ указать, находится ли ферменный элемент в растяжении или сжатии. Пары наконечников стрел шеврона тянутся на элементе в том же направлении, что и сила, действующая на сустав. Для сжимающих элементов наконечники стрелок направлены к концам элемента (соединениям), а для натяжных элементов — к центру элемента (от соединений).
Рисунок 3.7: Пример метода соединений — сводка
6 типов и что следует избегать
Колено является самым большим суставом в организме. Люди интенсивно используют его каждый день, когда они ходят, бегают, поднимаются или прыгают. В результате он также очень подвержен травмам и боли. Когда это происходит, врач может порекомендовать упражнения, которые помогут человеку укрепить мышцы вокруг колена.
Люди всех возрастов могут испытывать боль в колене. Согласно одной из статей, тип боли в колене, называемый надколенно-бедренным болевым синдромом, или колено бегуна, является наиболее распространенным ортопедическим состоянием в спортивной медицине.В дополнение к тому, что боль в колене часто встречается у атлетов, она также может быть проблемой для людей, страдающих артритом.
Хотя может возникнуть соблазн избегать физических упражнений, когда возникает боль в колене, это не всегда подходящее решение. Определенные виды упражнений могут помочь облегчить существующую боль в колене и предотвратить будущие боли или травмы, обеспечивая колено дополнительной поддержкой.
Фонд Артрита заявляет, что физические упражнения могут быть наиболее эффективным способом лечения остеоартрита без хирургического вмешательства, в то время как Американская академия хирургов-ортопедов отмечает, что сильные и гибкие мышцы могут поддерживать здоровье коленей и предотвращать травмы.
Упражнения на укрепление колена не влияют непосредственно на коленный сустав, но укрепляют окружающие его мышцы. Сильные мышцы ног могут помочь обеспечить поддержку колен. Эта поддержка может уменьшить давление и нагрузку на эти суставы, что может облегчить боль и помочь человеку быть более активным.
Следующие упражнения могут помочь укрепить мышцы, окружающие колено. Если человек испытывает боль во время этих упражнений, он должен прекратить делать их и поговорить с врачом.Любой с сильной болью в колене должен проконсультироваться с врачом, прежде чем пытаться делать упражнения.
Лучше всего разогреться с помощью легких упражнений, прежде чем начинать любые упражнения по укреплению колена. Примерами мягких упражнений являются ходьба, езда на велосипеде и использование эллиптического тренажера, каждый из которых создает минимальную нагрузку на колени. Эта деятельность поможет увеличить приток крови к мышцам и позволит им быть более гибкими.
Мышцы задействованы : четырехглавая мышца (передняя часть бедра) и брюшная (живот) мышцы.
- Лягте на пол, заднюю квартиру. Используйте коврик для йоги, сложенное одеяло или тренировочный мат для комфорта на твердом полу.
- Держите левую ногу прямо и слегка согните правую ногу в колене, приближая ногу к телу.
- Потяните мышцы живота внутрь, представив пупок, потянув вниз к полу. Это должно привести к тому, что нижняя часть спины упирается в пол и поможет обеспечить дополнительную поддержку во время упражнения. Положите руку под поясницу, чтобы убедиться, что между поясницей и полом нет места.Если есть место для руки, осторожно опустите нижнюю часть спины на верхнюю часть руки.
- Медленно поднимите левую ногу, не сгибая колено. Держите пальцы ног направленными к потолку и останавливайтесь, когда нога находится на расстоянии около 12 дюймов от пола. Он не должен быть выше согнутого колена на правой ноге.
- Держите левую ногу в течение 5 секунд.
- Медленно опустите ногу обратно на пол. Не кладите его слишком быстро и не позволяйте ему упасть.
- Повторите еще два раза с той же ногой.
- Переключите стороны и повторите.
Что не делать
- Не допускайте образования задней дуги во время упражнения.
- Не дергайте, не подпрыгивайте ногой и не поднимайте ее выше колена на согнутой ноге.
- Люди, у которых есть остеопороз или компрессионный перелом спины, не должны выполнять это упражнение.
Мышцы задействованы : подколенные сухожилия (задняя часть бедра) и ягодичные (ягодичные) мышцы.
- Встаньте прямо, колени на расстоянии всего 1-2 дюйма.Держитесь за устойчивое кресло, столешницу или другой предмет для баланса.
- Медленно согните одно колено позади тела, поднимая пятку от пола, удерживая бедра ровно. Продолжайте плавно поднимать пятку, пока изгиб колена не достигнет угла 90 градусов. Держите прямую ногу слегка согнутой, чтобы не запереть ее.
- Держите согнутую ногу в течение 5 секунд, а затем медленно опустите ее на пол.
- Повторите еще два раза с той же ногой.
- Переключите стороны и повторите.
Что не следует делать
- Не направляйте пальцы ног и не сгибайте ногу на поднятой ноге. Позвольте ноге оставаться в нейтральном, ровном положении.
Мышцы задействованы : подколенные сухожилия и ягодичные мышцы.
Это упражнение представляет собой вариацию завитка подколенного сухожилия. Человек может попробовать эту версию, если у него есть доступ к силовой скамье, специально предназначенной для этого упражнения. Это может быть более сложным, чем постоянный завиток подколенного сухожилия, в зависимости от того, какой вес человек использует.
- Лежа на скамье лицом вниз, колени должны быть рядом. Возьмитесь за ручки для стабильности.
- Подставьте ноги под вес. Вес должен сидеть чуть выше пяток.
- Медленно согните оба колена, используя силу ног, чтобы поднять вес. Продолжайте плавно поднимать вес, пока колени не согнутся под углом 90 градусов.
- Держите вес в течение 5 секунд, а затем медленно опустите его вниз.
- Выполните до 15 повторений (повторений).
Что не следует делать
- При первой попытке выполнить это упражнение не используйте тяжелый вес. Начинающие должны использовать наименьший вес и подниматься до более тяжелых весов по мере наращивания силы.
Мышцы задействованы : четырехглавые мышцы, подколенные сухожилия, сгибатели бедра и ягодичные мышцы.
- Используйте большой, прочный стул или платформу для упражнений не выше 6 дюймов.
- Встаньте на стул правой ногой и позвольте левой ноге следовать за ней.Левая нога не должна быть на стуле, а должна висеть за ней.
- Держите вес тела на правой ноге и удерживайте до 5 секунд.
- Медленно опустите левую ногу вниз, а затем следуйте по ней правой ногой.
- Поменяйте ноги, шагнув сначала левой ногой.
- Повтор.
Что не следует делать:
- Не блокируйте колени во время этого упражнения. Колени должны оставаться слегка согнутыми.
- Не позволяйте какой-либо части ступеньки свисать со стула или платформы.
- Люди, у которых есть проблемы с балансом, не должны выполнять это упражнение.
Мышцы задействованы : четырехглавые мышцы, подколенные сухожилия, сгибатели бедра и ягодичные мышцы.
- Используйте два устойчивых кресла с высокой спинкой, расположив по одному с каждой стороны тела, а спинки кресла рядом с подлокотниками. Положите руку на спинку каждого стула для баланса.
- Согните обе ноги в колене, следя за тем, чтобы колени не выходили за пальцы ног.
- Вытяните правую ногу впереди тела медленным ударным движением.Сосредоточьтесь на сохранении веса на левой ноге.
- Слегка опустите правую ногу, удерживая ее на расстоянии всего нескольких дюймов от пола в течение 5 секунд, продолжая балансировать на левой ноге.
- Медленно опустите правую ногу полностью до пола.
- Встаньте прямо на обе ноги.
- Переключите стороны и повторите.
Что не следует делать:
- Не поднимайте ногу более чем на 45 градусов от пола.
- Не наклоняйтесь назад, поднимая ногу.Держите спину и верхнюю часть тела прямыми.
Мышцы участвуют : четырехглавая мышца и ягодичные мышцы.
- Стойте так, чтобы голова, плечи, спина и бедра были плоскими у стены.
- Отойдите обеими ногами примерно на 24 дюйма от стены, прижав к ней спину и плечи. Держите ноги не дальше, чем на ширине бедер.
- Медленно двигайте спиной вниз по стене, пока тело не окажется чуть выше обычного сидячего положения.
- Удерживайте 5 секунд, а затем сдвиньте назад.
- Повтор.
Что не следует делать:
- Не садитесь на корточки слишком низко. Колени не должны выходить за пальцы ног.
- Не используйте быстрые, резкие движения. Выполняйте упражнение медленно и плавно.
После тренировки любой группы мышц необходимо растянуть мышцы. Растяжение помогает улучшить гибкость и уменьшить боль и травмы.
Quadricep stretch
- Держитесь за спинку стула или положите одну руку на стену для равновесия.
- Поднимите одну ногу позади тела и возьмитесь за лодыжку рукой.
- Держите спину прямо, а колени близко друг к другу.
- Притяните пятку к ягодицам, не прилагая усилий и не причиняя боли.
- Удерживайте до 30 секунд, а затем медленно опустите ногу.
- Переключите стороны и повторите.
Соприкосновение пальцев ног
Существует множество способов растянуть подколенные сухожилия в задней части ног. Один из них заключается в традиционном прикосновении пальцев.
- Держа ноги близко друг к другу, медленно наклонитесь к бедрам и вытяните руки вниз. Держите ноги прямо, но не блокируйте колени.
- Дотянись пальцами до кончиков пальцев и подержи 30 секунд.
- Первоначально может быть невозможно достичь пальцев ног. В этом случае постарайтесь максимально приблизить пальцы к пальцам, не причиняя боли.
Что не нужно делать:
- Не используйте подпрыгивающее движение. Держи тело неподвижно.
Постоянное растяжение подколенного сухожилия
Постоянное растяжение подколенного сухожилия также является эффективным способом растянуть задние части ног и является менее напряженным для нижней части спины, чем касание пальцами ног.
- Встаньте прямо, ноги не более чем на ширину плеч.
- Слегка согните бедра и вытяните правую ногу на несколько дюймов впереди тела. Позвольте левой ноге слегка согнуться.
- Удерживая спину прямо, медленно опустите сундук вниз.
- Наклонитесь как можно дальше, не причиняя боли. Задержитесь на 30 секунд.
- Медленно отведите ногу назад к телу и встаньте прямо.
- Повторите с другой ногой.
Упражнения — это неинвазивный и полезный способ справиться с небольшой болью в колене из-за чрезмерного использования, артрита или других причин.
Упражнения на укрепление колена — эффективный способ предотвратить травмы и сохранить ноги сильными. Растяжение также может помочь сохранить гибкость мышц, что может предотвратить или облегчить боль.
Люди, имеющие проблемы со здоровьем, должны поговорить с врачом перед началом любой программы упражнений.