Смещение ферм крыши – крайне опасное явление. Недостаточные меры в проектировании или исполнении, не предусмотренные для предотвращения этого, могут привести к серьезным последствиям. Разрушение крыши вследствие сползания под действием нагрузок подкосов – это не редкость. Проблема прорыва крыши усугубляется, если речь идет о деревянных каркасных зданиях.

Много статей было написано о проблеме распорки крыши и решениях по борьбе с ней. Очень хорошо, потому что проблема, хотя и простая, но, несомненно, очень серьезная. К сожалению, до сих пор случаются неудачи, вызванные этим явлением.

Пролет в здании из каменной кладки

Для здания из каменной кладки проблема решается довольно просто. Во-первых, необходимо обеспечить несущую способность соединения стропила с кладкой. Как правило, решением является использование столярных соединений с несущей способностью, превышающей значение силы распорки. Далее необходимо обеспечить достаточную несущую способность между кладкой и железобетонной обвязочной балкой. Для этого используются стальные штыри, вбитые в свежую бетонную смесь обода. Может потребоваться уплотнение расстояния между шпильками. На этом этапе столярные работы заканчиваются. Кроме того, чтобы избежать раскачивания и вращения коленных стен, они усилены бетонными ядрами (рис. 2).

Рис. 2. Бетонные сердечники в кладке коленной стены

Бетонные сердечники предназначены для использования в строительстве. Возможность установки бетонных сердечников в коленной стене является простым и очень эффективным способом защиты стены от разрушения. По моему опыту, чаще происходит разрушение соединения стропила с воротником или стропила с воротником, чем разрушение самой коленной стены.

Пролет в платформенном каркасном здании

Если вы имеете дело со стеновой конструкцией каркасного здания, вам необходимо дополнительно обратить внимание на такое явление, как пролеты ферм. Большинство деревянно-каркасных зданий возводятся с использованием метода платформы. Это означает, что верхние этажи собираются только после того, как полностью возведены перекрытия и стены нижнего этажа, так же, как строятся каменные здания (рис. 3).

Рис. 3. Каркасное здание с платформенной конструкцией

Разница в том, что при построении При строительстве каркасной конструкции на платформе у нас нет такой возможности. В результате, коленная стена, закрепленная только в нижней части к потолку, подвержена вращению, в результате действия горизонтальной силы — распорки (рис. 1).

Рис. 1. Поворот коленной стены в платформенной конструкции

Очень трудно реализовать эффективное соединение коленной стены с потолком, чтобы предотвратить ее поворот. Даже если конкретное решение кажется подходящим на стадии проектирования, его часто трудно реализовать на месте или на заводе по производству сборных конструкций. Если это осуществимо, то может оказаться неэффективным в эксплуатации в результате проскальзывания соединительных элементов и пластификации древесины в зонах давления.

Единственное надежное и простое решение этой проблемы в платформенном строительстве, которое мне известно, — это использование колена стены в качестве балки для придания жесткости верхнему краю стены. Эта идея основана на предположении, что колпак коленной стенки будет обеспечивать дополнительную опору для раздвижной стенки (рис. 2).

Рисунок 2. Схема конструкции платформы с выступом, придающим жесткость стенке колена

Выступ рассматривается как балка, изогнутая под действием сил раскоса и поддерживаемая стенами, перпендикулярными стенке колена. Чтобы сделать такое предположение, необходимо выполнить несколько условий. Сечение подкоса должно быть способно выдерживать большой изгиб от сил, действующих на раскосы. Это может потребовать увеличения поперечного сечения используемой ботвы. Кроме того, для восприятия сил, действующих на стойки, необходимо обеспечить опору для передачи сил на опоры.

В этом случае опорами для крышки будут стены, перпендикулярные крышке. При крайне неблагоприятной планировке чердака (отсутствие внутренних стен) единственными стенами, которые могут поддерживать крышу, являются фронтонные стены. Кроме того, если здание имеет значительную длину, колпак может оказаться не в состоянии передавать усилия на раскосы, поскольку он поддерживается только в двух точках. В случае длинных зданий необходимо использовать внутренние стены в качестве промежуточных опор для шапки (рис. 3).

Рис. 3. Схема опирания цоколя на стены мансарды

Еще одним вопросом, который необходимо проанализировать, является вопрос передачи усилий от цоколя на несущие стены. Следует проверить, какая часть усилий от раскосов передается на отдельные несущие стены через крышку. Затем необходимо спроектировать и построить соединение между крышкой и стеной, способное передавать возникающее усилие.

Кроме того, необходимо проверить жесткость несущей стены, чтобы убедиться в том, что стена способна передавать усилие, которое передает на нее подпорка. Это можно проверить, выполнив простой расчет в соответствии с Еврокодом 5 параграф. 9.2.4 — Диафрагмы стен (см. статью "Жесткость каркасных зданий" FD&C 2016-5 для получения дополнительной информации). К сожалению, метод усиления жесткости с помощью сетки не может быть применен к каждому зданию. Он требует достаточно благоприятного расположения стен чердака.

Балочное строительство

Еще одним методом возведения каркасных зданий является балочное строительство. Идея состоит в том, чтобы использовать непрерывные стойки стен между этажами. В случае одноэтажного здания с полезным чердаком и коленными стенами, стена возводится с непрерывными стойками — от фундамента до колена стены (рис. 4). Это решение более проблематично для строительства по ряду причин, однако, оно имеет одно главное преимущество — оно способно нести стойки от ферм. Используя конструкцию стены из воздушных шаров, можно принять статическую схему, которая будет способна воспринимать некоторые усилия от распорок (рис. 4).

Рис. 4. Схема стены воздушного шара, нагруженной силой раскоса

Необходимо также помнить, что в конструкции воздушного шара потолок выступает в качестве связующей балки. Это приведет к возникновению осевой силы относительно пола в соединении. Это необходимо учитывать при определении размеров соединения. Основной проблемой, возникающей при использовании шаровых конструкций, является вопрос поддержки пола. Несколько способов реализации такого соединения показаны на рис. 5.

Рис. 5 Способы соединения пола с шаровой стеной

На рисунках 5a и 5b показаны решения с балками пола, проходящими через участок стены. В решении 5a балки перекрытия опираются на периметральную балку. Эта балка, чтобы не мешать внутренней отделке, врезается в стойки каркаса. Кроме того, балки перекрытия соединены с колоннами. Недостатком такого соединения является то, что периметральная балка врезается в стойки стены.

Это трудоемкое решение. Ослабление поперечного сечения колонн также является конструктивно невыгодным. Максимальные изгибающие напряжения от сил, действующих на раскосы, возникают именно в точке, где сечение ослаблено. Решение 5b не ослабляет поперечное сечение колонн, но требует большей прочности соединения балки с колонной. В показанном решении для повышения прочности болтового соединения используются болты с двухсторонними кольцами типа "бульдог".

В решениях 5c и 5d балки перекрытия не проходят через участок стены. Это позволяет сохранить непрерывность изоляции стен. Раствор 5d имеет те же недостатки, что и раствор 5a, описанный выше. В решении 5c используется периметральная балка, полностью выдвинутая за контур стены, это решение требует большей несущей способности соединений балки перекрытия — периметральной балки и периметральной балки — колонны. Поэтому в соединениях используются балочные подвесы и угловые соединения.

Рисунок 4. Каркасное здание с конструкцией из воздушных шаров

По возможности откажитесь от ферм с подкосами и попробуйте разработать схемы без подкосов. В экстремальных ситуациях использование баллонной конструкции может оказаться единственным эффективным решением. При выборе этого решения необходимо детально рассмотреть соединение пола с балочной стеной.