Калькулятор расчета деревянной фермы. Деревянные фермы перекрытия: особенности изготовления и использования

В современном промышленном и гражданском строительстве применяют деревянные фермы – однопролетные балочные. В отдельных случаях находят применение также трехшарнирные арки, составленные из балочных ферм или клееных блоков. Деревянные фермы изготовляют из круглого леса или пиломатериалов - брусьев и досок. Фермы имеют следующие элементы: верхний пояс, нижний пояс, решетку (стойки и раскосы).

Взаимное сопряжение указанных элементов в узлах осуществляют при помощи различных соединений (врубки, нагели, хомуты, шпонки).

Верхний пояс балочных ферм при вертикальной нагрузке, направленной сверху вниз, работает на сжатие, а нижний - на растяжение. Усилия в стойках и раскосах зависят как от направления этих стержней, так и от расположения нагрузок.

Самыми ответственными элементами деревянных ферм являются стержни нижнего растянутого пояса, на работе которых в большой мере сказывается вредное влияние неизбежных в строительной древесине пороков (сучков, косослоя, трещин), поэтому при конструировании, отборе лесоматериалов, изготовлении и наблюдении за фермами во время их эксплуатации, стержням нижнего пояса нужно уделять особое внимание.

С целью наиболее рационального использования достоинств конструктивных материалов, растянутые элементы деревянных ферм часто выполняют из стали. Такие фермы называют металлодеревянными.

По очертанию наружного контура фермы подразделяют на: треугольные, прямоугольные (с параллельными поясами), трапецивидные или полигональные с наклонным (двускатным или односкатным) прямолинейным верхним поясом 1 , сегментные и многоугольные (рис.1).

При равномерной загрузке всей фермы вертикальной нагрузкой, усилия в стержнях решетки прямоугольных и пологих (уклон ~1/10) полигональных ферм возрастают от середины пролета к опорам, а в треугольных от опор к середине. Характер изменения усилий в поясах и решетке треугольных, прямоугольных и полигональных ферм представлен на рис.2.

Экономичность ферм определяется прежде всего расходом древесины и металла, а также трудоемкостью изготовления и монтажа конструкции.

При оценке типов деревянных ферм в отношении расхода древесины необходимо иметь в виду, что стоимость древесины в большой мере зависит от степени обработки и сортамента применяемых лесоматериалов. Так стоимость окантованных брусьев почти в полтора раза, досок в 2 раза и чистообрезных брусьев примерно в 2,5–3 раза выше стоимости круглых лесоматериалов.

Существенное влияние на расход древесины и металла может оказать очертание наружного контура фермы. Теоретически наивыгоднейшим очертанием контура является такое, при котором контур фермы приближается к очертанию эпюры моментов.

При одних и тех же нагрузках, качестве лесоматериалов, пролетах и высотах ферм наиболее легкими, а следовательно, и требующими наименьшего расхода древесины, будут сегментные фермы и трехшарнирные арки из них. Простота конструкции и экономичность, обусловленные статическими свойствами сегментных ферм, обеспечивают широкое распространение этих ферм в строительстве.

Многоугольные фермы с ломаным очертанием верхнего пояса также имеют относительно небольшой вес и отличаются простотой узловых сопряжений и экономичностью.

Полигональные фермы с наклоном верхнего пояса в 1/10-1/5 получаются более тяжелыми, чем сегментные фермы, но все же значительно более экономичными, чем фермы прямоугольного и треугольного очертания.

Наиболее тяжелыми из всех типов ферм оказываются треугольные фермы. Их применяют, как правило, для кровель из материалов, требующих значительного уклона (черепица, шифер и т.д.).

Надежность крыши очень важна для дома: это прописная истина. В основе крыши лежат несущие конструкции – стропильные фермы. Их монтаж – работа трудоемкая и ответственная, требующая точного расчета. Следует иметь в виду, что стропильная система должна выдерживать вес не только кровельных материалов, но также утеплителя, обрешетки и атмосферных осадков в виде снега и льда. Учитывая это, в конструкцию стропил закладывается максимально возможная прочность.

Стропильная конструкция собирается из следующих элементов: висячих стропил и наслонных, мауэрлата (продольного бруса), коньковых прогонов, боковых, подкосов, раскосов, диагональных связей. Соединенные друг с другом детали образуют стропильную ферму, представляющую собой треугольник, часто собранный из нескольких треугольников.

Стропильная ферма представляет собой треугольник: это самая жесткая фигура

Несущую часть крыши образует система стропил (так называемые стропильные ноги). Угол, под которым они устанавливаются, соответствует углу наклона кровли. Стропильные ноги опираются на мауэрлат, который уложен на стену: это необходимо для равномерного распределения нагрузки. В вершине соединяются другие концы стропил и подконьковый брус (прогон). Именно здесь будет находиться конек кровли. Интервал между стропилами выбирается в зависимости от материала кровли, от сечения стропил и прочего, обычно это расстояние – от 0,8 до 2 м.

Стропила висячие или наслонные: какие лучше

Висячие опираются лишь на наружные стены здания и лишены промежуточных опор. Стропильные ноги этой конструкции испытывают нагрузку на изгиб и сжатие. Стенам передается распирающее усилие, а чтобы его уменьшить, стропильные ноги соединяют деревянной или металлической затяжкой. Располагаться затяжка может у основания стропил и на некотором от него расстоянии. В первом случае она будет являться балкой перекрытия, что часто применяется для сооружения мансардных крыш. Увеличение высоты установки затяжки требует применения более прочного и толстого материала, а также усиления его крепления к стропилам.

Стропильная система состоит из нескольких деталей, надежно соединенных вместе

Наслонные стропила применяются реже: они используются для домов, имеющих в своей конструкции среднюю несущую стену или промежуточные опоры в виде колонн. Крайние их концы опираются на мауэрлат, закрепленный на наружных стенах, а средние – на внутри расположенную опору. Такие стропила испытывают нагрузки только на изгиб. Есть еще одно преимущество такой конструкции: она получается более легкой и дешевой, так как для ее сооружения требуется меньше материалов.

Архитектура дома часто допускает сочетание разных стропильных ферм: в части здания с промежуточными опорами применяются наслонные, а там, где таких опор нет – висячие стропила.

Материалы для изготовления стропил

Стропильные фермы по материалу, примененному для их изготовления, делятся на:

• деревянные;
• металлические сварные или собранные с помощью болтовых соединений;
• монолитные железобетонные.

При выборе материала для изготовления стропил учитывают и назначение постройки, и нагрузки, которые будет должна выдерживать кровля. Кроме вышеуказанных нагрузок, это также может быть следующее оборудование: солнечные батареи, водяные баки, вентиляционные камеры.

Деревянная ферма для крыши – самый распространенный вариант. В домах, построенных из брусьев или бревен, мауэрлатом может являться верхний венец. Если стены дома возведены из кирпича, пенобетонных блоков – деревянные стропильные фермы опирают на брус, установленный с внутренней поверхностью стены заподлицо. Снаружи его ограждают дополнительными рядами кирпичной кладки. Под брус подкладывают гидроизоляционный материал, которым может служить вдвое сложенный рубероид.

Деревянные стропильные фермы могут изготавливаться из кругляка, брусьев или досок

Стропильные системы из дерева просты в изготовлении и монтаже, они легко поддаются подгонке на месте установки: при необходимости их несложно укоротить, нарастить или подтесать. Изготовить их можно на строительной площадке или на деревообрабатывающем предприятии. В последнем случае для производства используют МЗП – металлические зубчатые пластины. Для защиты древесины стропила обрабатывают антисептическими препаратами и антипиренами, что значительно продлевает срок службы всей конструкции кровли.

Другой способ изготовления предполагает соединение деталей методом «шип-паз», а также с помощью скоб, гвоздей, хомутов и болтов. По мере высыхания древесины такие крепления ослабевают, поэтому необходимо периодически осуществлять проверку состояния стропильной системы и ее укрепление.

Третий способ – соединение деревянных элементов с помощью саморезов и стальных фасонных деталей. С помощью угловых соединительных элементов можно в короткие сроки и без особых усилий изготовить любую конструкцию.

Монолитные стропильные системы из железобетона используются при сооружении крупных объектов

Железобетонные стропильные балки вообще не подлежат обработке. Кроме того, монтаж кровли на таких материалах выполнить гораздо сложнее, чем на деревянных стропилах. В связи с этим, железобетонные стропильные фермы и стальные стропильные фермы используют при возведении крупных строительных сооружений: больших кирпичных или монолитных железобетонных домов. Положительным свойством такой кровли является ее высокая прочность и долговечность.

Металлические стропильные фермы, в отличие от изготовленных из дерева, достаточно сложно «подогнать» по месту: необходимо применение металлорежущего инструмента, сварки.

Стропильные системы из оцинкованного профиля собираются в заводских условиях

Для изготовления стальных конструкций существует два способа. Первый – заводской: специализированные фирмы изготавливают их из оцинкованного тонкостенного проката, имеющего С и Z-образное сечение. По сравнению с черным прокатом такие профили гораздо более легкие, что дает возможность выполнить монтаж с помощью маломощной грузоподъемной техники, а порой даже ручным способом. Детали таких стропильных ферм соединяются при помощи саморезов, так как сварка может привести к порче защитного слоя из цинка. Сборку можно осуществлять в заводских условиях, после чего необходимо доставить конструкцию на участок и установить с помощью грузоподъемной техники или специальных механизмов.

При помощи сварки можно изготавливать конструкции из обычного черного проката. Для защиты от коррозии его необходимо обработать ортофосфорной кислотой и покрыть атмосферостойкой эмалью. Для изготовления металлических стропильных систем применяются двутавровые балки, уголки и швеллеры.

Комбинированные системы

В некоторых случаях для повышения жесткости и стабилизации геометрических параметров стропильных конструкций из дерева на определенных участках используют элементы из металла. Это важно, например, для изготовления опор под коньковые прогоны, испытывающие наибольшие нагрузки. Пролеты между деталями из металла также часто заменяют на деревянные детали. Такие комбинации позволяют получить конструкцию, прочность которой гораздо выше деревянной, кроме того, это дает возможность использовать деревянные стропила для создания безраспорно-наслонной системы.

Однако, в данном случае необходимо либо хорошо изолировать металл от дерева, либо периодически обрабатывать деревянные детали противогнилостными средствами. На поверхности металлических деталей при отрицательной температуре воздуха появляется конденсат, который является причиной порчи древесины.

При использовании комбинированных систем необходимо изолировать древесину от металла при помощи рубероида

Качественное изготовление стропил имеет очень большое значение для безопасности дома и его надежной защиты от непогоды. Эта работа требует теоретической подготовки и серьезных практических навыков. Кроме того, это тяжелая, ответственная и опасная работа, связанная с подъемом и монтажом тяжелых грузов на высоте. Правильным решением будет привлечение для установки стропильных ферм специалистов, обладающих достаточным опытом.

Стропильные фермы деревянные, через жесткие конструкции которых нагрузка передается на несущие стены строения, пришли к нам из Европы. Расчет и конструирование под каждое здание производится индивидуально. Это не только упрощает устройство крыши и значительно ускоряет процесс, но обеспечивает также отличное качество и прочность.

Решетчатые деревянные фермы сегодня нередко изготавливаются в заводских условиях на деревообрабатывающих предприятиях. Материалом для них служит древесина, соответствующим образом высушенная и заранее обработанная специальными средствами.

Стропильные фермы и балки: что лучше

Основой крыши любой конфигурации является опорная конструкция, состоящая из прямых сплошных балок, стропил либо стропильных ферм. Первыми можно перекрывать лишь ограниченное по величине пространство, примером могут послужить наслонные стропила в малых постройках. Если же необходимо перекрыть большие пролеты, то приходится использовать либо составные балки, либо различного типа. Обыкновенные фермы образуют размещенные с расчетным шагом (1,5–3,5 м) ребра, поддерживающие обрешетку, поверх которой настилают кровлю. Подъем стропил, равный отношению высоты фермы к ее длине, зависит от таких параметров, как материал покрытия и условия устройства сооружения. Из дерева обыкновенно устраивают для пролетов малых и средних размеров. Их устройство с увеличением пролета значительно усложняется и в подобных случаях более предпочтительны стальные.

Преимущества использования

• их расчет и проектирование сложнее стропильных или балочных опор, однако они предполагают рациональный расход стройматериалов, поэтому экономически выгодны;
• использование клееного бруса, обеспечивающий им небольшой вес, позволяет применять конструкции в строениях с легким фундаментом, что приводит к снижению затрат и существенному сокращению сроков возведения дома;
• в отличие от балочных опорных систем, которые можно использовать на пролетах до 4,5 м, фермы приемлемы для перекрытия пролетов до 30 м;
• они универсальны и подходят для любого типа крыши, бесчердачного или с чердаком.

Виды стропильных ферм

Визуально они похожи на решетку, в которой основная часть в разы больше высоты. По форме это многоугольники, чаще треугольник, или полусфера. Выбор треугольной формы не случаен – она обеспечивает необходимую для конструкции жесткость и неизменяемость. Выполненные в виде набора стержневых треугольников в решетчатой связке они особо эффективны для перекрытия пролетов с большой шириной.

Стропильная имеет только две, без промежуточных, точки упора, расположенных по краям на стенах. Верхние концы при этом сходятся на коньке кровли. Все концы, и верхние, и нижние работают на сжатие и изгиб. Они практически рассчитаны на пролет между внешними стенами без дополнительных опор на внутренние стены. Это дает возможность после их монтажа использовать пространство под крышей в качестве одной большой сборочной площадки.

Таким образом, внутренние перегородки можно устанавливать, не учитывая местонахождение несущих стен, то есть появляется полная свобода в планировке внутренней части дома. Однако горизонтальное распирающее усиление, которое передается стенам, получается в итоге достаточно большим. Для устранения прогибов и облегчения пояса (перекрытие в 6–9 м) дополнительно используют ригель. Для больших пролетов обычно оснащают бабкой и подкосами.

Параметры расчета

Ни один из элементов такой конструкции не являются случайным. Каждый из них определяется точными инженерными расчетами с учетом всевозможных нагрузок, постоянных, временных и особых.

К первым относят вес самой кровли, обрешетки, к временным, соответственно, нагрузку на стропила от снега, ветра и полезную, если есть таковая. В СниП оговорены определенные положения, касающиеся временных нагрузок:

– ее величину принимают из расчета 180 кг/кв.м в горизонтальной проекции. Снеговой мешок, образовавшийся на крыше, может увеличить снеговую нагрузку до 400-500 кг/кв.м. Для кровель с уклоном больше 60° при расчетах во внимание не принимают. – нормативно ее величина определена как 35 кг/кв. м. Рассчитывают ее для кровель с уклоном больше 30°.

Все указанные величины подлежат корректировке с поправкой на климатические условия местности.

Что же касается полезной нагрузки на стропила, ее учитывают, если установлены баки, вентиляционные камеры, подвешены потолки и т. д.

Особенности крепления узлов

Несущую способность конструкций во многом определяют узлы, их надежность. Рассмотрим варианты креплений некоторых узлов в треугольных фермах пролетом:

• до 6 м

Коньковый узел . Стропильные ноги скрепляют скобами или накладками при помощи гвоздей, в половину дерева.

Соединение ноги и ригеля. Ригель ставят на высоте, равной половине высоты фермы и скрепляют с ногами при помощи болтов и гвоздей.

Опорный узел . Строительные ноги опираются прямо на стены.

Подобная конструкция больше подходит для малых строений с достаточно прочными стенами.

• 6–12 м

Коньковый узел . Крепление ног проводят аналогично, только между ними по середине дополнительно врезают бабку.

Срединный стык. Лучший вариант – закрепление за нижний пояс.

Оси элементов должны пересечься точно над центром подкладки.

Узел необходимо укрепить с помощью стяжного болта.

• 10–16 м

Должна быть усилена стойками и откосами.

Коньковый узел выполняют аналогично, а стык нижнего пояса перекрывают при помощи двух накладок на болтах.

Монтаж под- и стропильных каркасов

Эти элементы стропильной системы обычно укладывают на весь пролет. Чаще всего их собирают либо на складе, либо прямо у места подъема. В любом случае к подъему их необходимо подготовить, в частности, потребуется временное усиление на время подъема. Дело в том, что элементы конструкции в нормальных условиях и при подъеме или кантовке испытывают противоположные нагрузки. Например, обычно нижний пояс бывает растянут, а при подъеме он сжимается. Чтобы этого избежать проводят усиление при помощи пластин и деревянных бревен, и выполнить его можно двумя способами.

• Защита от деформации и излома. Поперек к поясам крепят несколько бревен. Рекомендуется устанавливать их в плоскости подвесок и стоек. Подняв ферму из горизонтального в вертикальное положение,усиление снимают.
• Защита поясов от выпучивания в сторону . Усиление выполняют из горизонтальных труб или бревен. Их попарно прикрепляют к обоим поясам при помощи скруток из отожженной мягкой проволоки или специальных стяжных хомутов. Такое усиление оставляют пока ферма не будет установлена в проектное положение и закреплена прогонами и связями.

Непосредственно монтаж проводят в следующей последовательности.

Первыми ставят фронтонные. Их фиксируют при помощи крепежей или гвоздей. Для облегчения выравнивания промежуточных конструкций между торцевыми натягивают веревку.

После установки, каждую промежуточную конструкцию фиксируют к предыдущей ферме при помощи наклонных временных связок, которые необходимы для стабилизации и сохранения интервала между ними. Для этих целей подойдут доски 20х100 мм.

Для большей устойчивости по диагонали скрепляют металлической лентой, соединяя нижний край свеса первой и конек последней.

Данное техническое руководство описывает выбор сечения элементов простых треугольных ферм, а также их последующую сборку по месту строительства.
Такие деревянные фермы наиболее актуальны при возведении гаражей, приусадебных построек и дач.

Данное техническое руководство описывает принципы соединения деталей, приводит иллюстрации основных конструкционных узлов и рекомендации по выбору сечений элементов деревянных ферм.

Более сложные типы деревянных ферм должны рассчитываться и собираться на заводе изготовителя, более подробно об этом написано в техническом руководстве №525.831

• Данная запись является лишь анонсом к техническому руководству №525.835 разработанному норвежским научно-исследовательским институтом SINTEF Byggforsk. Полный текст в настоящий момент не переведён.

Рис. 11 a и b. Монтаж самодельных деревянных ферм. Стыки нижнего пояса должны в середине пролёта опираться на несущие стены.
1. Верхний и нижний пояса ферм находятся в одной плоскости.
2. Стальные перфорированные пластины располагаются с двух сторон.
3. Нижний пояс фермы присоединяется к верхнему внакладку.
4. Деревянные накладки допускается прибивать только с одной стороны.
5. Болтовое соединение с использованием стопорных шайб с наружными зубьями, зажимаемых между соединяемыми деталями, а также с использованием подкладных шайб.

Рис. 12. Пролёт, угол кровли, расположение несущей стены.
1. Нижний пояс самодельных деревянных ферм, рассчитанных на пролёт >4,2м, должен посередине опираться на несущую стену.

Рис. 22. Пример стальной перфорированной пластины с расположением отверстий гарантирующих оптимальное расстояние между гвоздями.

Таблица 31. Выбор сечения элементов деревянных ферм, необходимое кол-во гвоздей для соединений на стальных перфорированных пластинах. Выбор диаметра стопорных шайб для болтовых соединений.

Рис. 34. Основные параметры самодельных деревянных ферм.
1. Верхний пояс самодельной деревянной треугольной фермы.
2. Нижний пояс.
3. Пролёт.
4. Свес.
5. Угол кровли.
6. Обвязка несущей стены должна доходить вплоть до внешнего края стыка верхнего и нижнего поясов фермы.
7. Свес кровли не должен превышать 500 мм.

Рис. 41. Соединение верхнего и нижнего поясов ферм при помощи стальных перфорированных пластин и гвоздей.
1. Для самодельных деревянных ферм в данном случае с двух сторон применяют пластины:
100х240х1,5мм, если пролёт <4,2м
100х300х1,5мм, если пролёт >4,2м
При этом расчётная снеговая нагрузка должна быть < 4,5 кН/кв.м

3. Минимальное расстояние от торца деревянного элемента должно быть >60мм.
4. Минимальное расстояние от кромки деревянного элемента должно быть >28мм.
5. В данном случае нужно использовать рифлёные гвозди 4,0х40 мм равномерно распределяя их по пластине, соблюдая минимальные отступы. См. п. 3 и 4. Кол-во гвоздей на соединение выбирается по таблице 31.

Таблица 42. Минимальные расстояния от торца и кромок деревянных элементов ферм до болтов со стопорными шайбами.



Рис. 42. Соединение верхнего и нижнего поясов ферм при помощи болта и двух односторонних стопорных шайб с наружными зубьями, зажимаемых между соединяемыми деталями, а также с использованием подкладных шайб.
1. Стопорные шайбы с наружными зубьями - 2 шт. Диаметр стопорных шайб выбирается по таблице 31.
2. Болт, 20 мм. Минимальные расстояния от торца и кромок деревянных элементов см. в таблице 42.
3. Подкладная шайба, 60х60х5 мм.

Рис. 51. Соединение верхних поясов ферм в коньке при помощи стальных перфорированных пластин и гвоздей.
1. С двух сторон применяют стальные перфорированные пластины 80х140х1,5 мм.
2. С каждой стороны по внешнему краю пластины забивают по 2 рифлёных гвоздя 4,0х40 мм.
3. Область пластины, которую разрешается использовать для забивания гвоздей.
4. Минимальное расстояние от торца деревянного элемента должно быть >40мм.
5. Минимальное расстояние от кромки деревянного элемента должно быть >28мм.



Рис. 52. Соединение верхних поясов ферм в коньке при помощи накладок из досок или фанеры.
1. Накладка 148х300 мм из доски толщиной >30 мм или из фанеры толщиной >15 мм.
2. Область пластины, которую разрешается использовать для забивания гвоздей.
3. Гвозди 3,5х90 мм, 8 шт. с каждой стороны.

Рис. 61. Стык нижнего пояса самодельной деревянной фермы всегда должен располагаться над опорой. Если нет опоры, то разрывы в нижнем поясе недопустимы, а макс. длина нижнего пояса должна быть <4,2 м.

Рис. 62. Соединение элементов нижнего пояса фермы при помощи стальных перфорированных пластин и гвоздей.
1. Стальные перфорированные пластины 100х300х1,5 мм монтируются с каждой стороны и центрируются относительно стыка.
2. Область пластины, которую разрешается использовать для забивания гвоздей.
3. Рифлёные гвозди 4,0х40 мм должны размещаться как можно более равномерно по внешним отверстиям пластины.



Рис. 63. Соединение элементов нижнего пояса ферм при помощи болтов и односторонних стопорных шайб с наружными зубьями, зажимаемых между соединяемыми деталями, а также с использованием подкладных шайб.
1. Стык элементов нижнего пояса фермы.
2. Минимальные расстояния приведены в таблице 42.
3. Толщина накладки и толщина элементов нижнего пояса фермы должны быть одинаковыми.
4. Стопорные шайбы с наружными зубьями - 2 шт. на соединение. Диаметр стопорных шайб выбирается по таблице 31.
5. Болт, 20 мм.
6. Подкладная шайба, 60х60х5 мм.



Рис. 72а. Диагональные ветровые связи 23х98 крепятся к каждой ферме.
1. Диагональная ветровая связь.



Рис. 72b. Диагональные ветровые связи крепятся к нижней кромке верхних поясов ферм 3-мя гвоздями 2,8х75 или 3,4х95.
1. Крепление диагональной ветровой связи к верхнему поясу фермы.

Рис. 73. Анкеровка деревянных ферм стальными перфорированными лентами.

Рис. 74. Если на пути установки ферм попадаются дымовые трубы или другие препятствия, то ферму смещают в сторону. С другой стороны от препятствия устанавливают дополнительную ферму.
1. Ферма, которую следует сместить в сторону.
2. Дополнительная ферма.

Над данным техническим руководством работали:
Уле Мортен Бротен, Брит Руалд и др. специалисты СИНТЕФ.
Составил аннотацию и перевёл иллюстрации конструктор