Конструкция висячих стропил представляет собой вид замкнутого треугольника – самая простая ферма. Этот треугольник состоит из двух стропильных ног, сомкнутых верхами и затяжки между ними внизу.
Образуется распорная конструкция, которая, однако, распор на стены здания не передает, а нейтрализует затяжкой. Хоть простейшая ферма и является распорной конструкцией, как и наслонные стропильные системы, которые конструируются и распорным и безраспорным методом с креплением мауэрлатной балки, но давление висячие стропила оказывают только вертикальное. Напряжение при распоре, которое возникает в ферме, не проявляется, в конструкции и поглощается. Висячая стропильная система не предполагает обязательного применения мауэрлата и намного упрощает приспособление узлов опирания стропильных ног на стены. Для избегания смятия древесины и общего увеличения площади опоры узла опирания конструкции достаточно будет на слой изоляции проложить доску, что также выровняет ферму по горизонту.
Далее рассмотрим подробнее конструктивные схемы висячих стропильных систем:
Трехшарнирной треугольной аркой часто называют простейшую ферму, которая представляет собой вид замкнутого треугольника (рис.). Балки стропил в ней работают на изгиб и аналогично наслонным стропильным конструкциям рассчитывают единично на сжатие каждую однопролетную стропильную ногу. Конек конструкции рекомендуют в практике поднимать на высоту не менее 1/6 всего пролета арки. Затяжка в такой схеме работает только на растяжение и не является несущей полезной частью этой конструкции, поэтому заменить ее можно на тяж из стали.
Чтобы уменьшить величину изгиба стропильных ног, упирающихся друг в друга, коньковый узел врубают с эксцентриситетом (рис.). В этом случае при воздействии внешней нагрузки от собственного веса, кровли или атмосферных явлений появляется дополнительный изгибающий момент противоположного действия. Дополнительно это дает возможность применять балки меньшего сечения.
Расчеты узлов врубки стропил в затяжку должны дополняться расчетами на смятие и скол древесины. Базисной точкой стыкуемых частей должна быть середина подкладки (рис.), по требованию СНиПа ось затяжки должна располагаться по центру ослабленного сечения, не то в затяжке появляется дополнительный прогибающий момент. Если невозможно выдержать размеры врубок, необходимо поменять брусья на другие с иным сечением. А можно перейти к другой системе, например, к лобовой врубке двойным зубом.
В практике рекомендуют применять ортогональную врубку, в которой площадка опоры врубки размещается перпендикулярно к продольной оси стропильной ноги. В такой лобовой врубке карнизного узла стропильная нога отпиливается под прямым углом и в этом облике прилегает к врубке затяжки. Существует и биссектрисный тип лобовой врубки, в которой площадь опирания стропила и затяжки увеличивается, соответственно увеличивается площадка смятия древесины. В биссектрисной врубке концы стропильных ног отпиливают по биссектрисе внешнего угла соединения затяжки и стропил. Биссектрисная врубка при перегрузке в силу рассыхания карнизного узла сменяет нрав собственной работы и уступает преимущество ортогональной врубке за исключением случая больших углов примыкания элементов.
Врубка карнизного узла двойным зубом обязывает располагать площадки смятия перпендикулярно к оси стропила. Площадка скалывания зуба более глубокого должна быть на пару сантиметров глубже платформы скалывания первого зуба, равная глубина врезки обоих зубьев не допускается. Площадка второго зуба должна нести начало с точки пересечения стропила с верхней кромкой затяжки.
В карнизном узле зубья выполняют назначение страховки, затягивая собой конструкцию, чтобы при скалывании концов затяжки стропильные ноги не раскрылись. Применяют болты и при монтаже арки на стены, чтобы сохранить целостность арки. Размеры подбирают соответственно материалу, но не менее диаметром от 12 до 16 мм. При работе с брусьями толщиной менее 10 см и во многих других случаях заменяют болты хомутами или скобами. Ослабить затяжку может врубка для шайб стяжных болтов, для избегания этого нужно ставить подбалки с размерами в толстом месте не меньше 8 см, а в тонком – 6 см, которые концентрируют опорный узел при возведении арки на стену. Подбалка с аркой скрепляется гвоздями длиной не меньше 150 мм. Если лобовая врубка будет проводиться с помощью накладки коротких досок с гвоздевым креплением, то количество гвоздей определит расчет на срез гвоздей.
О схеме, которую рассмотрим ниже, необходимо просто знать, потому, что некоторые ее элементы могут использоваться при возведении помещений подсобного типа или мансардных крыш. Сама схема конструкции в современной практике строительства не используется, так как ее применяли для зданий производственного и аграрного типа, где пролеты в зданиях очень большие.
Наслонные стропильные системы несут в себе самый длинный элемент – стропильная нога, а в висячей стропильной системе самой длинной составляющей конструкции является затяжка, сделанная из цельного бруса. При пролете более чем 6 м цельной сделать затяжку уже проблема, а если возможно, то понесет сильный прогиб от своего же веса. В таких случаях решением и выходом из такой ситуации – это подвесить затяжку к коньку (рис.). Затяжку делают из коротких составляющих, которые стыкуются друг с другом и с подвеской на ее хомуте прямым или косым прирубом и закрепляются болтами. Саму же подвеску выполняют из дерева, и называется она бабкой, а если применяют подвеску из железа, то тяжем. Часто делают подвески из прута, так как это всего лишь конструктивная часть, которая работает только на растяжение при прогибе растяжки под своим же весом.
Конструкция подвески очень проста в своем исполнении и применении, но и при таких условиях часто допускают ошибки. Подвеска должна по своему применению работать на растяжение, а устраивают, иногда упирая их на затяжку и в карнизный угол. Получаем стойки, которые работают на сжатие. Установка подвески и стойки внешне очень похожи, но принцип их работы различен. Бабка висит на карнизном узле, а к ее низу прикрепляется через накладки из дерева гвоздями или болтами затяжка. Затяжка к подвеске крепится с применением хомутов, которые при провисании затяжки будут регулировать ее прогиб. Тип хомутов можно выбрать любой, например, на резьбовом соединении, и регулируют натяжение затяжки путем стягивания цанговой скрутки. Если стыкование подвеса и затяжки получилось глухим и не регулируется, то прогиб устраняют в коньковом узле цанговой скруткой.
Схему висячих стропильных систем с приподнятой затяжкой часто применяют при возведении крыш, площадь которых используется под мансарду. Растяжка в этом случае не стягивает низы стропил, а приспосабливается наверху (рис.). От высоты установки затяжки зависит напряжение, которое она воспринимает на себя, т.е. чем выше, тем большему растягивающему напряжению растяжка подвергается. Стропила такой арки опираются на мауэрлатные балки по типу ползуна. Равномерное распределение нагрузки на скаты конструкции дает устойчивость такой системе. Потеря устойчивости крыши, приспособленной по схеме шарнирно подвижных опор, может произойти при увеличении нагрузки на одном из скатов, и крыша поползет в сторону этой нагрузки. Чтобы арка была устойчива, необходимо ползуны мастерить с выносом конца стропила за пределы стены. Более трудоемкие мероприятия потребуется применить для устойчивости крыши, если приспосабливать ползуны другого типа.
Приподнятую затяжку не считают за опору, в чердачной крыше она растянутая составляющая, а в мансардном помещении затяжка растянуто-изгибаемый элемент. Нагрузку несут стропила и рассчитывают их на прочность по наибольшему усилию сжатия и максимальному изгибающему фактору. Стропила в такой схеме на прогиб рассчитываются в промежутке с конца ноги до затяжки. Формулы, которые приведены на рисунке покажут, что увеличивая высоту арки (знаменатель) при сохранении исходного пролета, увеличение снижает распор, который передается на затяжку. А при увеличении длины пролета (числитель в квадратичной зависимости) и при сохранении исходной высоты арки, распор, передаваемый на затяжку, увеличивается. Врубка затяжки в стропила делается полусковороднем внахлест с болтовым креплением, где болты необходимо рассчитать на срез от растягивающего действия. Либо крепление затяжки производится той же врубкой с конструктивным креплением болтом диаметром 14 мм. При врубке необходимо проверить один момент на ослабление сечения стропильной ноги в месте врубки в нее затяжки.
Часто затяжку страхуют от провисания установкой подвески. Это необходимо в случаях, если затяжка работает балкой для крепления изоляции и подвесного потолка в используемых помещениях. Если нагрузки на затяжку предполагаются не большими, а сама затяжка короткая, то подвеску выполняют, прибивая к коньку и ригелю с двух сторон, двумя досками. В случае если приподнятая затяжка далеко не короткая, страховать от прогиба можно установкой нескольких подвесок, при этом достаточно скрепить их гвоздевым соединением. В случае если нагрузки на затяжку предполагаются большие, тогда применяем для крепления с подвеской хомуты. Затяжку, которая состоит из двух частей, стыкуют с подвеской хомутом.
Стоит помнить и учитывать сечение при расчете стропил, что низы стропильных ног получают сжимающее и изгибающее напряжение от дополнительной нагрузки затяжки с подвесным потолком. При возведении крыши с длинной затяжкой лучше довериться конструкторам, так как вся конструкция нагруженная длиной затяжкой с дополнительным весом перекрытия делает всю систему сложно нагруженной. Профессионалы рассчитывают верхний пояс на гибкость по всем параметрам, которые могут создать напряжение всех составляющих конструкции и натянуть все в струну или разрушить крышу, выгнув все элементы в дугу.
При правильно и равномерно распределенной нагрузке на скаты крыши конструкция сохраняет устойчивость при установке стропил по схеме шарнирно подвижных опор, по типу ползуна. Однако если нет уверенности в эксплуатации такой схемы, то нижний опорный узел ползуна сменяют на неподвижную врубку в мауэрлатную балку зубом или используют опорный брусок (рис.). В случае такой замены арка становится распорной и действует на балку и стены горизонтальной раздвигающей силой, что предполагает крепко закрепить мауэрлат к стенам.
Арки, сконструированные с нижней врубкой стропил зубом либо с применением опорного бруска, рассчитываются на небольшие нагрузки, которые дают распор. При больших распорных нагрузках используют трехшарнирные треугольные арки с установленным вверху ригелем, а внизу – затяжкой, что не требует крепления мауэрлата к стене, потому, что не проявляется в такой конструкции внешнего распора. В раннее рассмотренных вариантах затяжка, которую крепили вверху, меняла смысл своего применения с растяжения на сжатие. Такая затяжка называется ригелем. Обязательное условие крепления ригеля между стропильными ногами такое, чтобы в точках крепления не образовывались шарниры, иначе конструкция потеряет устойчивость. При равномерно распределенной нагрузке на скаты крыши стропила работают как двухпролетные неразрезные балки на трех опорах, в случае правильного соединения ригеля и ног.
Расчет предельного фактора в такой схеме применяется как для простой однопролетной балки, а не для фактически видимой неразрезной двухпролетной балки с третьей опорой на ригеле. Это объясняется тем, что опора стропильной ноги на ригеле это зыбкая подвижная опора, равномерной нагрузки на скаты не бывает и при малейшем снижении нагрузки на одном из скатов крыши ригель перемещается в сторону с меньшей нагрузкой. Изгибающий момент двухпролетной балки в месте опоры на ригель будет меньше, чем этот же момент на длинном пролете однопролетной балки.
Ригель, перегруженный перекрытием потолка, функционирует как сжатоизогнутая составляющая, а на стропильные ноги передает сжимающее напряжение, добавляя им изгиб. Таким образом, вся стропильная система походит на схему трехшарнирной треугольной арки с приподнятой затяжкой и требует к себе особого внимания в расчетах. Рассчитать одному — очень сложно, лучше довериться конструктору, чтобы избежать разрушения крыши.
Сечение составляющих арки по несущим способностям можно рассчитать и самому. Стропила рассчитывают на сжимающее и изгибающее напряжения. Ригель в мансардных помещениях с дополнительной нагрузкой подвесного потолка рассчитывают на сжатие и изгиб, а в чердачных – на сжатие. Затяжки рассчитываются как растянутый или растянутоизогнутый элемент, так как все зависит от присутствия или отсутствия на ней изгибающей нагрузки. Расчет стропильных балок на прогиб делается по схеме однопролетной балки на наибольшем пролете.
Описание в данном разделе дополняет схему трехшарнирной треугольной арки с подвеской или бабкой. Увеличивая длину стропил, увеличивается прогибающее напряжение, чтобы его нейтрализовать, стропильные ноги подпирают подкосами (рис.). Поскольку в висячих стропильных системах отсутствует внутренняя несущая стена и низ подкоса упереть не во что, упирают их в бабку. Таким образом, получаем жесткую конструкцию, потому что стропила прогибаясь, воздействуют на подкосы, которые врублены в подвеску, подвеска растягивается и тянет на себя коньковый брус и верхние концы стропил, а стропила сжимают подкосы. Данная схема по своей сути идентична обычной трехшарнирной треугольной арке, так как подвеска и подкосы, добавленные в этой схеме, не меняют меры воздействия сжимающих сил в стропилах. Сжимающие силы, что идут по стропилу от конька раздваиваются, частично уходя в подкос, но подкос передает их в подвеску, та в свою очередь, растягивается и отдает напряжение в стропило, происходит замкнутый цикл. Данное устройство крыши стабильно, потому что основное напряжение находится в верхней части и не передается в низы стропил. Подкосы податливые опоры, поэтому расчет стропильных ног на жесткость и прочность совершают как для двух однопролетных балок.
В рассматриваемой схеме длина стропил не маленькая, соответственно затяжка длинная и состоит из двух элементов, соединенных прямым или косым прирубом. Затяжка опирается на хомут бабки, которая в свою очередь от увеличившихся усилий, тянет коньковый узел вниз. Коньковый узел под воздействием бабки сжимает стропила и подкосы. В случае применения одноэлементной затяжки, чтобы избежать провисания или выхода бабки и подкосов из плоскости арки, все равно необходимо крепить ее хомутом или врубкой к бабке.
По своей сути, все схематические конструкции, которые рассматривались, являются треугольной простой аркой. Дополняя простую арку элементами в виде ригеля, бабки или подкоса, приходили к тому, что увеличивается жесткость стропил, но несущая способность при этом практически не меняется. Расчет висячих стропил под равномерно распределенные нагрузки будет претерпевать поправок, поскольку равномерными нагрузки на скаты крыши не бывают. Расчеты меняются и дополняются элементами бабкой, ригелем или подкосами.
Материал, применяемый для висячих стропильных систем, всегда большего сечения и размера, чем для наслонных стропильных систем, так как такую конструкцию используют для перекрытия домов, в которых отсутствует внутренняя несущая стена.
В этой статье мы рассмотрели один из видов стропильной системы применяемой в срубе. Теперь вам должно быть понятно, как она конструируется и сооружается. Кстати, тот тип, что рассмотрен в статье выше, очень часто используется в строительстве деревянных домов из сруба, может быть ваша дача или баня будет строиться именно с такой крышей? Дополнительно можете почитать про виды наслонных стропильных систем.
