Самостоятельное усиление стропил. Усиление и ремонт существующих стропильных конструкций Как усилить балку конька крыши от прогибания
Довольно часто домовладельцы сталкиваются с проблемой прогиба стропил. Это происходит вследствие излишней экономии либо неправильного проектирования. Если своевременно не произвести укрепление стропил, то они могут сломаться, что приведёт в итоге к дорогостоящему ремонту кровли.
Понятие усиление стропил подразумевает комплекс работ по исправлению прогиба и их укрепление для дальнейшей беспроблемной эксплуатации. Также необходимо обработать узел прихода "ног" к коньку, что дополнительно снимет нагрузку с их средней части.
Укрепление стропил – выбираем стратегию, готовимся к работе
Есть два способа укрепления конструкции . Первый заключается в увеличении толщины брусьев, а второй – в увеличении их ширины. Первый вариант используется лишь тогда, когда нельзя по каким-либо причинам увеличивать ширину брусьев, так как при одинаковом количестве использованного материала конструкции, усиленные по второму способу, обладают гораздо большим сопротивлением изгибающим нагрузкам.
Также существуют и различные способы крепления усиливающих брусьев к стропилам: проволокой, гвоздями, саморезами, при помощи резьбовых шпилек. Наиболее надёжен способ увеличения ширины брусьев, именно его мы и рассмотрим.
Для подготовки к работе освобождаем всю рабочую поверхность от обшивки, открываем узлы крепления стропил и собираем следующий инструмент : набор гаечных ключей, набор торцовочных головок с трещоткой, дрель, шуруповёрт, гидроцилиндр, болгарка. Так как данные работы очень ответственны и трудоёмки, их нельзя выполнять одному человеку.
В первую очередь обращаем внимание на крепление стропил к коньку. Если они там разошлись, то сперва усилиями нескольких человек, при необходимости пользуясь домкратом, стыкуем верхние концы.
Затем с помощью перфорированных металлических полос, фанеры или, в крайнем случае, двухсантиметровой доски, используя саморезы, укрепляем место стыка балок с обеих сторон. Если же стропила стыкуются на коньке, то укрепляем соединения под ним.
Далее нам необходимо убрать прогиб стропил. Для этого воспользуемся гидроцилиндром. Перед началом этих работ необходимо упрочнить места стыковки конструкции к мауэрлату, для чего снизу к стропильному брусу (при наращивании толщины) или сбоку (при наращивании ширины) прикручиваем доску, которая будет упираться в мауэрлатный брус и не даст разъехаться ногам при работе гидроцилиндром.
Для хорошего упора гидроцилиндра изнутри в торцы противоположных стропильных брусьев в местах наибольшего прогиба прикручиваем саморезами самодельные треугольные деревянные упоры.
Далее, аккуратно работая гидравликой, выпрямляем стропила и фиксируем их в этом положении любой подручной доской толщиной не менее 3 см с помощью саморезов. То есть, если посмотреть сбоку, получается что-то наподобие большой буквы “А”.
Как укрепить стропила – наращиваем брус
Для того чтобы нарастить стропила, поступаем следующим образом. В первую очередь подготавливаем брус, идентичный существующему по габаритам (ширина может немного отличаться). Для удобства последующей работы фиксируем его к уже имеющемуся брусу несколькими саморезами.
Затем с помощью дрели просверливаем через 30-50 см сквозные отверстия сразу через два скреплённых друг с другом бруса. Отверстия располагаются не на одной линии, а идут в виде “змейки” для улучшения сопротивления изгибу данной конструкции.
Далее вставляем в отверстия шпильки, предварительно нарезанные под размер, на концы которых наживляем самоконтрящиеся гайки, предварительно подложив под них шайбы. Затяжка стропил производится до характерного потрескивания дерева.
Для усиления стропил по второму способу производим те же работы и в таком же порядке за исключением того, что укрепляющий брусок должен фиксироваться к внутреннему торцу бруса и отверстия располагаются на одной линии.
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 подмогой
Как 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 стропила
При 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 фермы
Иногда 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 подкосов
При 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).
рис. 72. Ремонт узла опирания стропил на мауэрлат накладками и протезами
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 мауэрлата
При 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 крыше
Усиления других деревянных конструкций, стен, перекрытий и фундаментов можно посмотреть в специальном разделе сайта.
В принципе я могу предложить один метод, предусматривающий усиление без изменения сечения стропил, а вот понравится он вам или нет - это уже не мне решать.
Итак рассмотрим следующую ситуацию: висячие стропила, представляющие собой треугольную арку с затяжкой или простейшую треугольную ферму (это кому как больше нравится), были выполнены из бруса сечением 15х5 см с шагом 1 м. При этом расстояние между мауэрлатами - пролет арки l = 6 м. Угол уклона кровли - 30°. Впрочем, не будем дальше пересказывать ситуацию, достаточно подробно рассмотренную в различных статьях, например , а просто скажем, что по расчету требуется сечение стропил 15х10 или 20х5 см, т.е. имеющийся момент сопротивления W z = 187.5 см 3 чуть ли не в 2 раза меньше требуемого.
На первый взгляд самым логичным выходом из ситуации будет усиление существующих стропил точно таким же брусом 15х5 см или устройство дополнительных пар стропил, чтобы уменьшить шаг стропил. Но и в первом и во втором случае расходы на усиление будут близки к начальным расходам на устройство стропильной системы.
А между тем есть и другой способ уменьшить значение требуемого момента сопротивления, никогда правда мне не встречавшийся в литературе, посвященной расчету стропильных систем, тем не менее вполне законный с точки зрения теоретической механики.
Всего-то и нужно: изменить расчетную схему.
Как мы знаем, в поперечном сечении посредине однопролетной балки с шарнирными опорами при действии равномерно распределенной нагрузки возникает изгибающий момент, равный М = ql 2 /8. А у такой же балки, но с жестким защемлением на опорах максимальный момент возникает на опорах и составляет M = ql 2 /12, т.е. в 1.5 раза меньше.
Таким образом, если для стропильной системы, показанной на рисунке 462.1.а) (принимаемая расчетная схема показана на рисунке 462.1.б)), мы поставим схватки между стропилами в коньке и между стропилами и затяжкой примерно так, как это показано на рисунке 462.1.в), то полученную систему мы можем рассматривать, как арку из одного стержня с жестким защемлением на опорах (хотя это будет и не совсем правильно).
Рисунок 462.1 . Трехшарнирная арка и одностержневая арка с жестким защемлением на опорах
Такая арка является статически неопределимой, но мы можем упростить задачу, если будем рассматривать стропила как жестко защемленные наклонные балки или как двухпролетные балки на 2 шарнирных и одной жестко защемленной опорах. Только не будем при этом забывать, что на стержни арки действуют нормальные силы, определенные нами ранее.
Сначала рассмотрим наиболее простой вариант:
стропила - наклонная однопролетная балка с жестким защемлением
Как видно из расчетной схемы, приведенной на рисунке 462.1.г), дополнительные стержни не только создают условия, при которых стропила можно рассматривать как защемленную балку, но еще и уменьшают расчетную длину пролета. Так наклонная проекция стропил - трехшарнирной арки с затяжкой, составляла 3 м. Если же мы разместим вертикальные захватки так, что в горизонтальной проекции это составит по 0.5 м с каждой стороны, то только уменьшение расчетного пролета на а = 0.5 м или на (1/6) приведет к уменьшению момента в 1.44 раза, так как
(l - l/6) 2 /l 2 = (25l 2 /36)/l 2 = 25/36 ≈ 0.7 .
Примечание : горизонтальную схватку между стропилами нельзя рассматривать как дополнительную вертикальную опору.
Таким образом общее уменьшение максимального момента составит 1.5·1.44 = 2.16 раз, чего в данном случае вполне достаточно. В численном выражении максимальные изгибающие моменты на опорах защемленной наклонной балки составят:
M c max = ql 2 /12 = 326.1·2.5 2 /12 = 169.844 кгс·м или 16984.4 кгс·см
Такой же момент будет создавать сила, приложенная вертикально на расстоянии 0.5 м от основной опоры и составляющая:
Р = 169.844/05 = 339.7 кг
А значит для крепления вертикальной схватки достаточно:
Такое же количество гвоздей можно принять и для крепления горизонтальной схватки, если узел крепления находится на расстоянии о.5 м от стрелы арки в горизонтальной проекции.
Теперь осталось проверить, выдержит ли затяжка дополнительную нагрузку - две сосредоточенные силы Р, приложенные на расстоянии 0.5 м от каждой опоры. Согласно расчетной схемы 1.3 из таблицы 1 . максимальный момент в поперечных сечениях затяжки составит:
M з = Ра = 339.7·0.5 = 169.844 кгс·м = М c max
Тогда требуемый момент сопротивления для затяжки:
W z тр = M/R = 16984.4/140 = 121.32 см 3
Между тем у нас затяжка имеет сечение 10х5 см и соответственно момент сопротивления W = bh 2 /6 = 5·10 2 /6 = 83.33 см 3 , т.е. в 1.45 раза меньше требуемого и это еще без учета растягивающих напряжений, действующих в поперечных сечениях затяжки.
Если уменьшать расстояние от опоры до вертикальной схватки, то это будет только увеличивать значение изгибающего момента в стяжке, да и количество гвоздей придется увеличивать. А если увеличивать расстояние от опоры до вертикальной схватки, то такую конструкцию уже вряд ли можно рассматривать как жестко закрепленную балку.
И тут вроде бы другого выхода нет, как усиливать затяжку, но если сделать схватки не вертикальные, а под некоторым углом к вертикали, например 35-40°, то такая схватка превратится с одной стороны в вертикальную опору, а с другой в горизонтальную, увеличивающую растяжение в затяжке, оставаясь при этом элементом, обеспечивающим жесткое защемление стропил.
Проверяем. Расчетная длина вертикальной схватки равна:
l в cx = tg30°a = 0.5773·0.5 = 0.2887 м
При угле наклона 35° расстояние а" от наклонной схватки до места, где была бы вертикальная схватка составит:
a" = tg35°l в сх = 0.7·0.2887 = 0.2 м
Тогда изгибающий момент, действующий на затяжку, составит:
М з = Р(a - a") = 339.7(0.5 - 0.2) = 101.18 кгс·м
Увеличение нормальной силы, действующей на затяжку составит:
N" = Psina/cosa = 339.7·0.573/0.819 = 237.86 кг
Тогда максимальные нормальные напряжения, возникающие в поперечных сечениях затяжки, с учетом разности расчетных сопротивлений растяжению и изгибу древесины составят:
(N + N")/F + M з R p /W z R и = (692.927+ 237.86)/50 + 10180·101.9/(83.33·142.7)= 18.61 + 87.26 = 105.9 кг/см 2 > R р = 101.9 кг/см 2
Необходимые условия по прочности нами не соблюдены. Впрочем превышение напряжений составляет менее 4%. С учетом принятых коэффициентов надежности по нагрузке такое превышение можно считать допустимым, а можно еще немного увеличить угол наклона. Это уже на ваш выбор.
Кроме того в действительности значение изгибающего момента будет немного больше, особенно если на участок стропила между наклонной схваткой и мауэрлатом будут опираться доски обрешетки.
При наклонных захватках количество гвоздей также следует увеличить:
n = P/(Tcos35°) = 3.88/0.819 = 4.7 точнее 5 гвоздей .
Если рассматривать стропила, как двухпролетную балку с двумя шарнирными и одной жестко защемленной опорой, то момент на опоре - вертикальной (или наклонной) схватке будет немного меньше, а на жесткой опоре - стреле арки - немного больше. Впрочем и такая расчетная схема не является точно отображающей реальную работу конструкции.
Тем не менее подобный расчет можно произвести, например с использованием метода трех моментов . Ну а для всех остальных совет: добавьте по 1-2 гвоздя в узлах крепления стропил и стяжки со схватками.