Рубрика: Krisha

Часто или редко нужно монтировать стропила в односкатных навесах, чтобы получить наименьшую металлоёмкость? В этой статье я отвечу только на этот вопрос.

По сути, это один из стандартных вопросов, на который отвечает инженер-конструктор (он же инженер-проектировщик, он же расчётчик) в своей работе. Ведь в первую очередь строительные расчёты — это про экономию.

1 Вариант: монтаж стропил осуществляется с шагом около 2,3 м.

2 Вариант: монтаж стропил осуществляется с шагом около 1,54 м.

Из таблицы видно, что общая масса металла для навеса, где стропила устанавливались редко (с шагом 2,3 м), больше, чем в случае с навесом, в котором стропила устанавливались часто (с шагом 1,54 м), на 8%. В реальных единицах это около 200 кг.

Обычно на массу конструкций влияет толщина профилей, а не их размер. Поэтому, если вы стремитесь максимально сэкономить на металле, то нужно конструировать сооружение так, чтобы профили имели минимально возможную толщину, не забывая при этом про сварные швы, но об этом в другой статье. Подробнее об этом можно почитать здесь.

1. Металлоёмкость при более частой укладке стропил в случае с односкатными крышами получается меньше.

2. Металлические трубы небольшого сечения проще найти и они могут стоить дешевле, чем трубы большего сечения. Это поможет ещё больше сэкономить.

3. Если есть необходимость сделать крышу навеса тоньше, то смело можно устанавливать стропила чаще.

Более подробно о сравнении навесов в видео:

Главная задача инженера-конструктора — это подобрать такую конструкцию, чтобы она с одной стороны удовлетворяла всем требованиям строительных норм, а с другой стороны, чтобы затраты на неё были минимальны. К примеру, если вы хотите построить самостоятельно на своём участке металлический навес для автомобиля, то главной статьёй расходов у вас будет — металл. То есть затраты на его покупку.

В этой статье я сравню несколько конструкций металлических навесов с односкатной крышей. Цель сравнения — подобрать такие профили для балок, стропил и обрешётки, а также такое их расположение, которое на выходе даст наиболее лёгкую конструкцию крыши, а, следовательно, и самую дешёвую.

В данной статье будут получены ответы на следующие вопросы:

1. Какая самая выгодная конструкция односкатной крыши для навеса, если кровля создаёт жёсткий диск?
2. Из какого профиля получается самая экономичная обрешётка (прогоны)?
3. С каким шагом в зависимости от кровельного покрытия необходимо ставить обрешётку (прогоны), если есть цель добиться наибольшей экономии?

Для получения более полных ответов на поставленные вопросы, будет произведено 4 блока расчетов:

I. Стропила устанавливаются только на стойки (редко), а обрешётка устанавливается с шагом в 2 раза чаще, чем необходимо для принятого кровельного покрытия (часто).

II. Стропила устанавливаются только на стойки (редко), а обрешётка устанавливается с максимальным шагом, который может позволить кровельное покрытие (редко).

III. Стропила устанавливаются как на стойки, так и на промежуточные балки (часто), а обрешётка устанавливается с шагом в 2 раза чаще, чем необходимо для принятого кровельного покрытия (часто).

IV. Стропила устанавливаются как на стойки, так и на промежуточные балки (часто), а обрешётка устанавливается с максимальным шагом, который может позволить кровельное покрытие (редко).

1. Самая выгодная конструкция крыши навеса, если кровля создает жесткий диск, – это, когда обрешетка (прогоны) и стропила смонтированы редко, т.е. как во 2 блоке. При этом практически не важно из чего в этом случае будет сделана обрешетка (прогоны).

Такая конструкция крыши будет легче самого тяжелого варианта (в данном случае это вариант 3.3) более, чем на 36%.

Если есть желание установить стропила часто, то здесь самой легкой конструкцией крыши будет крыша по варианту 4.1, то есть с использованием квадратных труб в качестве обрешетки (прогонов). Связано это здесь в первую очередь с тем, что у труб более широкий сортамент профилей небольшого сечения, когда как ниже швеллера 5П и двутавра 10Б1 не существует.

Такая конструкция крыши будет сопоставима по массе с вариантом 2.3.

2. При редких стропилах, то есть когда стропила опираются только на стойки, профиль для обрешетки можно выбирать любой, если кровля создаёт жёсткий диск. Но из открытых профилей чуть выгоднее.

Но если кровля не создаёт жёсткий диск, то чаще всего выгоднее использовать квадратную трубу для обрешётки (прогонов).

3. Выгодно обрешетку ставить, как можно реже, на сколько это позволяет кровельное покрытие.

Более подробно о том, как проводилось сравнение и при каких условиях смотрите в видео:

Расчёт любого элемента строительной конструкции подразумевает проверку по нескольким параметрам. Об этом знают конструкторы, но далеко не каждый из обывателей об этом догадывается. Зачастую бывает так, что балки самостоятельно проверяются только на изгибаемый в одной плоскости момент и по прогибу в онлайн-калькуляторах, которых в интернете предостаточно. Но такой подход несёт под собой определённые риски. Во-первых, на сколько правильно были собраны нагрузки. А, во-вторых, перечисленных проверок недостаточно. Достоверность результатов оставим за скобками. Допустим они все считают правильно.

Для начала нужно обозначить, что прогоны работают как изгибаемые элементы, причём, в большинстве случаях в двух плоскостях, так как крыша навеса редко выполняется без уклона. То есть растягивающих или сжимающих усилий в них нет, если, конечно, не введены горизонтальные связи между ними или балка между стойками не справляется до конца со своей задачей. Но это тема другой статьи. Поэтому все нижеуказанные пункты будут относиться именно к изгибаемым элементам.

Рисунок: фрагмент обрешетки с разложенной приложенной силой в 2-х плоскостях.

Вот какие проверки выполняет программный комплекс SCAD для изгибаемых элементов.

Рисунок: двойной рисунок. Слева навес со стрелкой на обрешётку с подсвеченными коэффициентами только для обрешетки. Справа проверки.

Поперечная сила — это сила, направленная перпендикулярно оси элемента, которая приложена на опоре. К примеру, для понимания, в случае с однопролётной балкой без консолей поперечная сила, возникающая на опоре, будет равна половине суммы всех сил, приложенных к балке.

В случае с прогонами навеса, которые загружены равномерно распределённой нагрузкой,  по этому показателю никогда не будет максимальный процент использования. По крайней мере за мою многолетнюю практику такого не было ни разу. Поэтому этим расчётом даже можно пренебречь, конечно, под свою ответственность.

Но не стоит так расслабляться. Хоть поперечная сила и слабо влияет на сам профиль, но её влияние на узел опирания в определённых случаях может быть главенствующим. То есть от неё зависят какими будут сварные швы, количество и размер болтов, а также набор и размер различных опорных фасонок. Поэтому подобрав правильно профили для соей конструкции, ещё не означает, что всё будет стоять. Нужно ещё правильно сконструировать узлы. Но это тема других статей.

Это самый распространённый расчёт, который делают все, кто не догадался ещё спрашивать профиль балки у ИИ (в моей практике было и такое) или не полагается на свою интуицию или мнение соседа (друга, знакомого и т.д.). Многие калькуляторы в интернете выполняют только этот расчёт.

Изгибающий момент в сечении балки — это величина, характеризующая воздействие внешних сил, вызывающих изгиб.

Расчёт балки по изгибающему моменту — это расчёт, который определяет напряжения и деформации, возникающие в материале под действием внешних сил, вызывающих изгиб, и убеждается, что они находятся в допустимых пределах.

Что это за пределы? В случае расчёта балки, в которой не допускаются пластические деформации, — это достижение предела текучести.

Ярким примером, отражающим, что произойдёт с балкой, если не будет выполнена данная проверка, может служить арматурный прут в руках человека. Так, прикладывая определённые усилия по краям этого прута человек может немного изгибать его, но как только он убирает усилие, прут возвращается в исходное состояние. Это упругая работа данного прута. Но если человек начинает прикладывать большие усилия, то может наступить момент, когда после снятия нагрузки прут останется в этом изогнутом положении, т. е. будет напоминать подкову. Это будет означать, что металл ушёл в пластику. Помните Федю из фильма «Операция Ы», когда он доводя металлические изделия до пластических деформаций пытался произвести впечатление на Шурика?

Помимо того, что балка может сильно безвозвратно деформироваться под действием нагрузок или даже сломаться, она способна ещё и потерять устойчивость. Выражаясь более понятным языком, она просто завалится на бок под воздействием изгибающих усилий. Это очень опасное состояние, так как сечение прогона после потери устойчивости начнёт работать в другой плоскости.

Данная проверка обязательна для балок из открытых профилей: двутавр и швеллер. А вот, если прогоны планируется изготавливать из квадратной или прямоугольной труб, данным расчётом можно пренебречь.

В случае с двутавром или швеллером не редко бывают случаи, когда потеря устойчивости балки наступает быстрее, чем достигается предел текучести. Поэтому конструкторы в проектах не редко стремятся повысить устойчивость балок за счёт введения горизонтальных связей или устройства жёсткого диска, например, с использованием профнастила.

По сути дела, этот расчёт предполагает проверку на некое эквивалентное усилие, которое возникает в балке при одновременным действии изгибающего момента и поперечной силы. Также, если посмотреть на формулу 44 СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» помимо нормальных и касательных напряжений там можно обнаружить местное напряжение σ_y (оно же σ_loc), которое возникает в верхней части балки при опирании на неё сверху другой балки. Но так как у нас речь идёт о прогонах, то данное напряжение будет равно 0.

Этот расчёт нужно делать обязательно для всех профилей.

Помимо того, что балку согласно п. 8.4.1 СП 16.13330.2017 нужно проверять на общую устойчивость, он требует проверки ещё и местной устойчивости.

Расчёт предельной гибкости стенки из условия местной устойчивости заключается в оценке возможной потери устойчивости стенки балки из-за действия нормальных и касательных напряжений.

Потеря местной устойчивости стенки представляет собой выпучивание этой стенки на каком-то определённом участке балки (локально) или по всей её длине. Выпученный участок выключается из работы и тем самым снижается несущая способность элемента.

Ручная проверка здесь — это довольно трудоёмкий процесс. Поэтому, если нет времени и желания разбираться во всём этом, то для навеса лучше выбирать квадратные профили с толщиной стенки не менее 4 мм. Ну, а если очень хочется использовать двутавры, то я бы в этом случае советовал покупать двутавры, изготовленные ещё по советским ГОСТам. Так как их сечения разрабатывались так, чтобы проблемы с потерей местной устойчивости не возникало.

По сути, данная проверка относится только к двутаврам и связана с обеспечением устойчивости их полок до исчерпания её прочности в упругой стадии работы материала. Проще говоря, проверка местной устойчивости полки показывает, насколько близко она находится к тому пределу, когда начнётся её пластическое изгибание (выпучивание).

Если для изготовления прогонов (обрешётки) для навеса используются профилированная труба или швеллер, что чаще всего и бывает, то такой проверкой можно пренебречь.

Более подробнее про местную устойчивость стенок и полок поговорим в другой статье.

Также стоит отметить, что все перечисленные проверки выполняются для балок, которые работают в упругой стадии. В принципе из текста это стало уже и так понятно. Что это такое? Упругая работа балки представляет собой 100% её возвращение в исходное положение после снятия нагрузки. То есть пластики, при которой происходит безвозвратное удлинение элемента здесь не допускается.

Помимо этого, не стоит забывать про расчёт прогонов по II группе предельных состояний (по деформациям). Его необходимо производить согласно п.2 таблицы Д.1 приложения Д СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия».

Ферму можно считать правильной, если все её элементы работают на растяжение и сжатие. То есть, если ферма опирается на ригель или стойку поясом в том месте, где нет раскоса, — неправильная. В этом случае пояс будет работать ещё и изгиб. Это в свою очередь может привести к тому, что профиль для пояса фермы потребуется больше, чем в случае, если бы он только работал на растяжение и сжатие.
Этот же принцип работает и в случае опирания на ферму прогонов (обрешетки). То есть опирание должно происходить именно в том месте, куда подходят раскосы.
Также сильно влияет на несущую способность фермы решение, когда верхний пояс приваривается к нижнему.
Пример, как делать не желательно.
В крайнем случае такую ферму можно делать, если опирание производится не на край, а на место, куда подходит раскос.
Пример
Далее рассмотрим 4 примера и сравним их между собой:
1. Ферма правильной формы (по сути дела это трапецеивидная ферма) с правильным опиранием её и на неё.
2. Правильная ферма с неправильным опиранием её и на неё.
3. Неправильная ферма с правильными опираниями.
4. Неправильная ферма с неправильными опираниями.

Профнастил (также металлочерепица)

12 градусов

Поликарбонат (и другие листовые материалы)

6 градусов

Значит, ли это, что меньше уклон крыши делать нельзя? Нет. В том же СП 17 есть пункт 4.3. В нём написано, что при уменьшении уклона кровли следует предусматривать дополнительные мероприятия по обеспечению ее водонепроницаемости, например, с помощью герметизации стыков нетвердеющим
герметиком или уплотнительной лентой, применения подкровельной водонепроницаемой пленки и т.д.

То есть в случае с навесом, так как это неответственная конструкция и протечка здесь не приведёт к неприятным последствиям (например, ремонту, в случае с домом), уклон кровли можно уменьшить и до 1 градуса в случае использования герметиков и уплотнителей.

Если мы откроем нормативную литературу по кровле, например, СП 17.13330.2017, то увидим, что минимальный угол наклона крыши зависит от вида кровельного материала. Так в этом СП есть таблица 4.1. В ней приведены минимальные значения уклона кровли в зависимости от кровельного материала. Материалов в ней много, но я выпишу данные значения лишь для двух, которые наиболее распространены при возведении навесов.

Профнастил (также металлочерепица)

12 градусов

Поликарбонат (и другие листовые материалы)

6 градусов

Значит, ли это, что меньше уклон крыши делать нельзя? Нет. В том же СП 17 есть пункт 4.3. В нём написано, что при уменьшении уклона кровли следует предусматривать дополнительные мероприятия по обеспечению ее водонепроницаемости, например, с помощью герметизации стыков нетвердеющим
герметиком или уплотнительной лентой, применения подкровельной водонепроницаемой пленки и т.д.

То есть в случае с навесом, так как это неответственная конструкция и протечка здесь не приведёт к неприятным последствиям (например, ремонту, в случае с домом), уклон кровли можно уменьшить и до 1 градуса в случае использования герметиков и уплотнителей.