Настилы и обрешетки

Настилы и обрешетки покрытий служат для поддержания кровли и утеплителя.

Конструкция настила зависит от типа кровли и теплоизоляции. Неутепленные покрытия в виде кровли из плоских или волнистых листов асбестоцемента, стеклопластика, кровельной стали и черепицы выполняют по обрешетке из брусков сечение не менее 50х50 мм с шагом, зависящим от размеров и прочности кровельных листов (рис. 4.4). При рулонной кровле настил должен иметь сплошную ровную дощатую или фанерную поверхность. Настилы, как правило, изготавливаются из древесины 3-го сорта, при этом расчетное сопротивление древесины изгибу принимается равным 13 МПа.

Настилы могут быть продольными (в этом случае доски рабочего настила располагаются перпендикулярно коньку кровли; Рис. 4.5, 4.6.).

Рис. 4.5. Продольный настил: а) схема приложения нагрузок; б) расчетная схема (1 - верхний пояс несущей конструкции; 2 – прогон; 3 – рабочий настил, защитный слой условно не показаны).

Рис. 4.6. Поперечный настил: а) схема приложения нагрузок; б) расчетная схема (1 – верхний пояс несущей конструкции; 2 – рабочий настил; 3 – защитный косой настил, кровля условно не показаны).

Поперечные настилы выполняют либо в виде однослойного, либо в виде двойного перекрестного.

Двойной перекрестный настил состоит из двух слоев: нижнего – рабочего и верхнего – защитного, защитный слой изготавливается из досок толщиной 16…20 мм шириной не менее 100 мм, укладываемых под углом 45…60 к рабочему слою и крепится к нему гвоздями. Рабочий слой для лучшего проветривания рекомендуется делать разреженным с шагом не менее 20 мм из досок толщиной 19…32 мм. Доски рабочего настила для повышения жесткости следует опирать на три или более опоры.

Для сокращения трудоемкости работ при возведении здания настилы и обрешетки изготавливают в виде щитов (Рис. 4.7, 4.8.).

Рис. 4.7. Щит разреженной брусчатой обрешетки

Рис. 4.8. Дощато-гвоздевые щиты настилов покрытий: а) щит двойного перекрестного настила; б) щит однослойного раскосного настила; 1 – доски; 2 – гвозди; 3 – косой защитный настил; 4 – разреженный рабочий настил; 5 – раскосы; 6 – поперечины.

Дощатый настил под мягкую кровлю рассчитывают как двух пролетную неразрезную шарнирно опертую балку (Рис. 4.6.).

Расчетную ширину настила условно принимают равной 1 м. В двойных настилах защитный настил не рассчитывается, его размеры назначаются по конструктивным соображениям. При незначительных уклонах кровли (до 10° ) угол наклона в расчете обычно не учитывается.

При сплошном одинарном или двойном настиле скатной составляющей нагрузки обычно пренебрегают, и настил рассчитывается только на нагрузку, перпендикулярную к плоскости настила.

При расчете обрешеток ее элементы (бруски обрешетки) рассчитываются на действие сил в двух главных плоскостях (расчет на косой изгиб).

Расчет настилов ведется на два основных сочетания нагрузок (рис. 4.6.).

1 – сочетание: постоянная (g) и временная снеговая (s). Расчетный изгибающий момент в этом случае равен

где М₁ – максимальный (расчетный) изгибающий момент;

– полная нагрузка на настил;

l – расчетный пролет настила.

Расчет ведется по формулам:

на прочность

где W – момент сопротивления поперечного сечения настила для полоски шириной 1 м;

R_u = 13 МПа – расчетное сопротивление древесины изгибу;

на жесткость

где f – максимальный прогиб настила; q^H – нормативная нагрузка; I – момент инерции сечения настила для полосы шириной 1 м; E – модуль упругости древесины; f_u = l/150 – предельно допустимый прогиб.

При втором сочетании нагрузок при расчете учитывают равномерно распределенную постоянную нагрузку gи монтажную сосредоточенную нагрузку (вес рабочего с инструментом). Нормативная монтажная нагрузка принимается равной P^H = 1 кН. С учетом коэффициента надежности по нагрузке 1,2 расчетная монтажная нагрузка P = 1,2 кН. Нагрузка от этого сосредоточенного груза при сплошном настиле передается на две доски при расстоянии между их осями S не более 15 см и на одну доску одиночного настила при расстоянии более 15 см. При двойном настиле этот груз считается распределенным на ширину 0,5 м настила.

Максимальный изгибающий момент M₂ при втором сочетании нагрузок возникает на расстоянии 0,43l от крайней опоры (см. Рис. 4.6.) и равен

Расчет выполняется только на прочность по формуле:

где m_H= 1,2 – коэффициент, учитывающий кратковременность действия монтажной нагрузки.

Прогоны

Применяемые прогоны могут быть разрезными, консольно-балочными и неразрезными.

Разрезные прогоны выполняются из бревен или брусьев. Стыкуются разрезные прогоны над опорами. Эти прогоны просты в изготовлении, но вызывают большой расход лесоматериала, рекомендуемые пролеты таких прогонов не более 4 м. Рассчитывают прогоны как балку при косом изгибе.

Консольно-балочные прогоны (рис. 4.9.) обычно используют в покрытиях и чердачных перекрытиях зданий при равномерно распределенной нагрузке на всех пролетах. Стыки с использованием косого прируба прогонов размещаются по два через пролет. Расстояние стыков от опор может быть принято в двух вариантах.

Рис. 4.9. Консольно-балочные прогоны: А) общий вид; Б) расчетная схема;

1 – сечение прогона; 2 – косой прируб.

Вариант 1. Равномоментная схема, в которой все опорные M_оп и наибольшие пролетные моменты М_пр равны: M_оп= М_пр=ql²/16. В этом случае (рис. 4.9) величина x=0,15l. Крайние пролеты сокращаются по этим соображениям до (0,8…0,85) l. Наибольший прогиб прогона возникает в пролете без шарниров, где он равен

или 40% от f_max в разрезном прогоне при одинаковых пролетах в нагрузках.

Вариант 2. При x=0,21l получаем равнопрогибную схему работы прогона, т.е. максимальные прогибы во всех пролетах практически одинаковы и равны:

При равнопрогибном решении наибольшие изгибающие моменты на опорах (M_оп) и в пролетах (М_пр) равны:

Длины крайних пролетов рекомендуется принимать равными по 0,8l.

По конструктивным соображениям рационально использовать равнопрогибное решение. Недостатком консольно-балочных прогонов является ограничение перекрываемого пролета при использовании бревен и брусьев величиной в 4,5 м. По сравнению с разрезными прогонами использование консольно-балочных прогонов приводит к экономии материала.

По такой же схеме (равнопрогибной) используются спаренные неразрезные прогоны (Рис. 4.10). Они позволяют перекрывать пролеты до 6,5 м. Эти прогоны изготавливаются из двух досок, поставленных на ребро и скрепленных между собой по длине гвоздями с шагом 40-50 см. Стыки досок полупрогонов располагаются в разбежку на расстоянии x₀=0,21l вправо и влево от опор. Наибольшие изгибающие моменты возникают: на второй опоре M’_on=ql²/10, а на последующих опорах M_on=ql²/12.

Поскольку в крайних пролетах неразрезного прогона величина расчетных моментов больше, чем в средних, то рекомендуется крайние пролеты делать укороченными, равными 0,85l, либо усиливать сечение этих пролетов дополнительной третьей доской (см. рис. 4.10). В этом случае расчет прогона ведется по изгибающему моменту, равному ql²/12.

Прогоны рассчитываются на прочность и жесткость как изгибаемые элементы. Максимальный прогиб определяется по формуле (4.8).

Рис. 4.10. Многопролетный спаренный прогон из досок: а) общий вид; б) расчетная схема; в) гвоздевой стык прогона; 1 – прогон; 2 – несущая конструкция покрытия; 3 – гвозди

Количество односрезных гвоздей с каждой стороны стыка досок на расстоянии x=0,21l от опоры определяется по формуле

где M_on=ql²/12- расчетный момент; - расчетная несущая способность одного односрезного гвоздя; - расстояние от опоры до геометрического центра размещения гвоздей, которое принимается равным:

при однорядной расстановке гвоздей

при двухрядной расстановке гвоздей

где - диаметр гвоздя.

Расчетное число гвоздей располагается с каждой стороны стыка. На остальной части прогона гвозди располагаются в шахматном порядке с шагом 40…50 см.

Плиты покрытия

В индустриальном строительстве эффективно используются плиты покрытия заводского изготовления. Плита покрытия состоит из деревянного каркаса, обшивок, утеплителя и пароизоляции (при использовании плит покрытия в отапливаемых зданиях).

В качестве обшивок могут использовать водостойкие фанеры, плоские асбестоцементные листы, плоские или волнистые стеклопластики для светопрозрачных покрытий.

В качестве утеплителей используются материалы из несгораемых или трудносгораемых материалов (минераловатные плиты, стекломаты, пенопласты и другие современные утеплители). Пароизоляция – пленочная или окрасочная.

Чаще всего используются клеефанерные плиты покрытия. Целесообразность применения этих плит определяется их малым весом при высокой несущей способности. Плиты выполняют одновременно функции прогонов и настилов с обеспечением теплозащиты здания. Клеефанерными плитами, которые опираются на верхние кромки основных несущих конструкций, можно перекрывать пролеты 3-6 м, если ребра из цельной древесины, и до 12 м при использовании клееных ребер.

Длина l_n плит покрытия соответствует шагу B основных несущих конструкций и принимается равной l_n = B-20 мм, где 20 мм – зазор между торцами стыкуемых плит. Ширина b_n плиты соответствует стандартной ширине фанерного листа (b_n = 0,7; 1,2; 1,5 м). Высота панели h равна h = (1/20-1/40) l_n.

Каркас клеефанерной плиты состоит из продольных и поперечных ребер (Рис. 4.12). Ребра изготавливают из древесины 2-го сорта или из клееной древесины. Обшивка состоит из листов фанеры повышенной водостойкости ФСФ или бакелизированной ФБС толщиной не менее 8 м. Из условия работы на изгиб верхней обшивки от сосредоточенных грузов продольные ребра ставят на расстоянии 50 см друг от друга, поперечные ребра устанавливаются с шагом не более 1,5 м, как правило, в местах расположения стыков фанеры. Волокна наружных шпонов фанеры должны быть направлены вдоль оси панели.

Одним из основных требований при длительной эксплуатации трехслойных плит покрытия с деревянным каркасом является осуществление осушающего режима работы. В плитах под рулонную кровлю вентиляция осуществляется через отверстия в торцевых и поперечных ребрах каркаса. В плитах с одной нижней обшивкой вентиляция осуществляется через волны и гофры кровельных листов – от карниза к коньку кровли.

Плиты покрытий могут выполняться с двумя или с одной фанерными обшивками (Рис. 4.11). Для плоских покрытий с уклонами 1/10-1/12 и криволинейных покрытий с кровлей из рулонных материалов рекомендуются клеефанерные плиты с двухсторонними обшивками. Для плоских покрытий с уклонами 1/3-1/4 рекомендуется использовать клеефанерные плиты с нижней обшивкой. После монтажа плит кровельное покрытие (волнистые асбестоцементные листы, профилированный настил, металлочерепица или другие аналогичные материалы) укладывается на деревянный каркас плиты.

Рис. 4.11. Клеефанерные ребристые плиты покрытия: а) план плиты 1,5х6 м; б) поперечное и расчетное сечения плит коробчатого типа; в) то же, с одной нижней обшивкой; 1 – фанерная обшивка; 2 – продольные несущие ребра; 3 – поперечные ребра; 4 – утеплитель; 5 – пароизоляция; 6 – вентиляционный продух в торцах.

Для защиты от загнивания древесина ребер панелей пропитывается антисептиком. Фанерные листы окрашиваются водостойкими эмалями.

Клеефанерные плиты рассчитываются как шарнирно опертые однопролетные балки с пролетом равным расчетной длине плиты покрытия. Поперечные сечения плит с двумя обшивками благодаря жесткости клеевых соединений рассматриваются как двутавр, а плит с одной обшивкой – как тавр (рис. 4.11). Расчетная ширина обшивок принимается равной 0,9 всей ширины плиты.

Поскольку панели выполнены из двух материалов (древесины и фанеры), обладающих различными механическими свойствами, то они (панели) рассчитываются по приведенным геометрическим характеристикам.

Поперечные сечения клеефанерных плит подбирают из расчета на изгиб по следующим приведенным к фанере характеристикам:

F_пр=F_ф+ F_дE/E_ф;

S_пр=S_ф+ S_дE/E_ф;

I_пр=I_ф+ I_дE/E_ф;

W_пр=I_пр /y₀.

В этих формулах F_ф, S_ф, J_ф– соответственно площадь, статический момент и момент инерции поперечного сечения фанерных обшивок; F_д, S_д, I_д – площадь, статический момент и момент инерции поперечного сечения продольных ребер каркаса; E_ф и E – соответственно модули упругости фанеры и древесины; W_пр – приведенный момент сопротивления поперечного сечения плиты; y₀ – расстояние от центра тяжести приведенного до внешней грани обшивок (нижней или верхней).

Прочность нижней растянутой фанерной обшивки проверяют по формуле:

где – расчетный изгибающий момент;

– приведенный момент сопротивления сечения;

- расчетное сопротивление фанеры растяжению;

- коэффициент, учитывающий снижения расчетного сопротивления в стыках фанерной обшивки: =1 – при отсутствии стыков, =0,6 – для фанеры марки ФСФ, =0,8 – для фанеры марки ФБС.

Верхняя сжатая фанерная обшивка рассчитывается на устойчивость:

где - коэффициент продольного изгиба фанеры;

- расчетное сопротивление фанеры сжатию.

При

При

где δ – толщина верхней обшивки, с – расстояние между продольными ребрами в свету.

Верхняя обшивка дополнительно проверяется на местный изгиб от действия монтажной сосредоточенной нагрузки P=1,2 кН по формуле

где - максимальный изгибающий момент. Принимается, что обшивка при местном изгибе работает как балка, защемленная по концам отсека c₁ (рис. 4.11);

- момент сопротивления сечения фанеры с шириной b=100 см и толщиной δ, т.е. ;

- расчетное сопротивление фанеры изгибу;

= 1,2 – коэффициент условий работы, учитывающий кратковременность действия монтажной нагрузки.

Клеевые швы между слоями фанеры в пределах ширины продольных ребер проверяют на скалывание по формуле Журавского:

где - расчетная поперечная сила;

– статический момент верхней или нижней обшивки относительно нейтральной оси сечения;

- суммарная ширина ребер;

- расчетное сопротивление фанеры скалыванию;

I_прф – момент инерции сечения, приведенный к фанере.

Проверку плит на жесткость производят по формуле определения прогиба шарнирно опертой балки с учетом модуля упругости фанеры и пониженной жесткости сечения плиты путем введения в знаменатель коэффициента 0,7:

где = l/250 – предельный допускаемый прогиб.

Контрольные вопросы к главе 4:

4.1.Основные типы покрытий зданий.

4.2. Основные виды несущих конструкций покрытий зданий.

4.3. Основные конструктивные схемы утеплённых и холодных покрытий зданий.

4.4. Типы настилов и обрешёток.

4.5. Расчёт и конструирование настилов.

4.6. Расчёт и конструирование обрешёток.

4.7. Основные виды прогонов. Разрезные прогоны и их расчёт.

4.8. Консольно-балочные прогоны.

4.9. Неразрезные спаренные прогоны.

4.10. Плиты покрытий. Особенности работы и конструирования.

4.11. Особенности работы и проектирования клеефанерных плит.

4.12. Расчёт клеефанерных плит с одной и двями фанерными обшивками.