Konstrukce šikmých střech

Transkript

1 Konstrukce šikmých střech

2 Okrajové podmínky návrhu tvarové řešení využití podkroví rozpon konstrukce střešní krytina způsob podepření (svislá a vodorovná nosná konstrukce budovy) materiálové řešení

3 Příklady vlivu okrajových podmínek na konstrukci šikmé střechy

4 Vliv tvaru půdorysu a způsobu odvodnění na tvar střešní plochy řešení tvaru střechy je základní geometrická úloha deskriptivní geometrie řešení vychází z požadavků stejných sklonů a stejné úrovně okapů, zakázaných hran

5 Vliv střešní krytiny na návrh nosného systému tíha krytiny (vliv na dimenze a vzdálenosti vazeb) způsob podepření o bednění (prkna, OSB) - neúnosné krytiny, plech, živičné šindele, břidlice, šindele o latě (30/50, 40/60) - běžné krytiny, keramické a betonové tašky o vaznice (nebo vlašské krokve) - vlnité plechové krytiny, sendvičové panely, sláma (vodorovné krokve) latě i vaznice musí být orientovány vodorovně

6 Vliv způsobu podepření na charakter konstrukce Tvar nosné konstrukce šikmé střechy je ovlivněn charakterem podepření (rozpon konstrukce, umístění nosných konstrukcí v podlaží pod střechou)

7 Konstrukce s nevyužitelným podkrovním prostorem Střešní příhradové soustavy na bázi dřeva

8 Příklad zastřešení komplikovaného půdorysu

9 Příklad zastřešení přízemního rodinného domu Ekord (M.Groch)

10 Valbová střecha ze sedlových vazníků - patent Ing. Marian Groch

11 Konstrukce s využitelným podkrovním prostorem soustavy krokevní, vlašské a vaznicové (1-3 stupňové konstrukce) závislost na rozponu způsob ukládání krytiny

12 Použitelnost, výhody a nevýhody krokevní, vlašké a vaznicové soustavy Krokevní soustavy (prostá krokevní a hambálková soustava) Vlašská soustava (s vodorovnými vlašskými krokvemi Vaznicová soustava Vlastnosti jednoduchá konstrukce použitelné pro menší rozpony nutno zachytit vodorovné síly v podepření obtížné řešení komplikovaných tvarů (nároží, valby,..) zpravidla nevýhodná orientace krokví s ohledem na podepření krytiny problematické uložení krokví na hlavních vazbách složitější soustava vhodná pro větší rozpětí jednoduché řešení komplikovaných tvarů (nároží, valby,..) výhodná orientace krokví Použití jednoduché tvary střech s menším rozponem soustava se v současné době prakticky nepoužívá nejčastěji používaná soustava pro střešní a větší rozpony

13 Materiálové varianty Konstrukce vázané nehraněné řezivo prvky spojované vázáním (lýko, liany, provaz, drát) Tesařsky vázané konstrukce tesané, řezané hranoly a trámy a tesařské spoje (zářezy, čepy, kolíky,..) Technologicky pokročilé konstrukce lepené dřevo, materiálově kombinované, spoje NC, spoje

14 Tradiční a novodové krovy Konstrukční řešení závisí na okrajových podmínkách návrhu. Při čerpání informací ze starých podkladů to vždy musíme brát v úvahu. Co se za 100 let změnilo? využití podstřešních prostor (skladování sena -> obytné prostory) jiný sortiment řeziva (menší průřezy, lepené dřevo ruční práce je nahrazována strojním zpracováním (spojování prvků) využití kovových spojovacích prvků postupné nahrazování empirického navrhování numerickým modelováním Historické soustavy jsou ale stále dobrým zdrojem poučení a informací

15 Tradiční soustavy krovů.

16 Krokevní soustavy jedná se o jednostupňovou konstrukci tvořenou dvojicemi krokví

17 Prostá krokevní soustava dva trámy spojené ve vrcholu kloubem neposuvné podepření

18 Porovnání lomeného nosníku a krokevní soustavy ohybový moment na přímém a lomeném nosníku jsou stejné ohybový moment nezávisí na tvaru nosníku vodorovným podepřením vzniká tlakové působení krokve se ve vrcholu vzájemně podepírají a tím zmenšují rozpon na 1/2 ohybový moment se oproti lomenému nosníku sníží na 1/4

19 Prostá krokevní soustava - podíl vodorovných reakcí na přenosu svislého zatížení tlaková čára

20 Prostá krokevní soustava osová a vodorovná síla Krokve se ve vrcholu vzájemně podepírají Rozkladem svislé reakce ve vrcholu do šikmých složek vznikají v krokvích osové síly Vodorovná síla je vodorovná složka osové síly (je konstantní) Vodorovná reakce je při vertikálním zatížení rovna vodorovné síle Velikost osových a vodorovných sil závisí na sklonu krokve

21 Prostá krokevní soustava - zachycení vodorových reakcí vodorovná síla musí být zachycena o v úrovni stropnice o v úrovni půdní nadezdívky

22 Prostá krokevní soustava - zachycení vodorových reakcí uzavřené, otevřené a spojité systémy podepření (obecný systém) zachycení reakce ohýbanou konstrukcí (M), rozkladem sil (N), smykovou konstrukcí (Q)

23 Podepření krokví na půdní nadezdívce

24 Časté chyby kotvení (princip slabého článku řetezu) nedostatečné kotvení krokve k pozednici nedostatečné kotvení pozednice k věnci nedostatečné kotvení věnce ke zdivu nedostatečná únosnost zdiva, 5- pozednice, 6- stropní konstrukce, 7-kotvení

25 Využití tuhosti střešní tabule pro zachycení vodorovné síly vodorovné síly lze přenést do okrajové části tabule, kde mohou být zachyceny v rovině štítu

26 Řešení valby a nároží u krokevních soustav

27 Příklad řešení (tradiční konstrukce) 1- krokev, 2- vazný trám, 3- námětek, 4- zavětrování, 5- pozednice, 6- stropní konstrukce, 7-kotvení

28 Hambálková soustava hambálek redukuje ohybové namáhání krokve a velikost vodorovné síly

29 Hambálková soustava působení hambálku pro svislé zatížení Vložení rozpěry (hambálku) při svislém zatížení redukuje rozpon krokve Konstrukce kombinuje tlakové působení a ohyb

30 Porovnání lomeného nosníku, krokevní soustavy a hambálku Lomený nosník (1) působí podobně jako prostý nosník stejného rozpětí Vodorovné podepření vytváří uprostřed nosníku podporu a redukuje prakticky rozpětí na polovinu Vložením hambálku dále redukujeme rozpětí původního nosníku Výsledné ohybové momenty klesají úměrně druhé mocnině rozponu

31 Vliv polohy hambálku na velikost vodorovné reakce charakter síly v hambálku závisí na jeho výšce (nahoře je tlačený, dole tažený) hambálková střecha v sobě spojuje dvě tlačené konstrukce (horní a dolní) hambálek tvoří pro horní táhlo a pro spodní rozpěru (výsledné působení je součet dílčích působení)

32 Vliv tvaru a tuhosti konstrukce na velikost vodorovné síly Hambálek je 1 x staticky neurčitá konstrukce Velikost vodorovné síly závisí na tuhosti krokve, výšce hambálku a tuhosti podepření Analogie zmrzlá jitrnice vs. teplá jitrnice

33 Zachycení vodorovných sil horizontálně tuhým nosníkem pod pozednicí Vodorovná síla je zachycena horizontálně tuhým nosníkem pod pozednicí Horizontálně tuhý nosník je podepřen táhly v místěch příček nebo ve štítu

34 Hambálková soustava při horizontálně netuhém podepření Jedná se zpravidla o chybu v návrhu nebo provedení podpor Netuhé uložení omezí podíl vodorovné síly na přenosu zatížení Zatížení je přenášeno více nebo zcela rámovým působením (méně tuhé a méně únosné) Není-li zachycena vodorovná síla (např. třením), je moment stejný jako na prostém nosníku shodného rozpětí!!

35 Působení posuvného a neposuvného hambálku při vodorovném zatížení samostatné působení krokví u prosté krokevní soustavy spolupůsobení dvojic krokví u hambálku neposuvný hambálek může působit jako vodorovně tuhý nosník a přenášet zatížení do štítů,..

36 Konstrukční řešení neposuvného hambálku hambálek je vodorovný nosník přenášející zatížení větrem (tlak a sání) do podpor (štít,..) nosník musí mít pásnice a smykové spojovací prostředí (deska, diagonály) viz: principy nosníku

37 Příčná tuhost krokevních soustav

38 Obecný princip - ztužení prutové soustavy fotbalová branka ztužení tvarově neurčité soustavy tří kyvných prutů ( branky ) lze dosáhnout přidáním vnitřních nebo vnějších vazeb prutových, momentových nebo smykových soustavu lze také stabilizovat připojením k jiné tuhé konstrukci v rovině soustavy nebo i mimo rovinu Princip lze využít: tuhost střech tuhost halových objektů tuhost vícepodlažních budov tuhost střešní tabule

39 Příznivé aspekty spolupůsobení vazeb - pojišťovna Uplatnění principu - pomoc přetížené vazbě (části konstrukce apod.) - pomoc oslabené vazbě - záměrné rozložení lokálně působících zatížení do celé konstrukce = princip pojišťovny (zdravotní, sociální,..)

40 Konstrukční ( nepravá ) vaznice vložená do vrcholu hambálku vaznice nepodepírá hambálky (nemá vliv na přenos svislého zatížení) jedná se o konstrukční ztužení (zajištění spolupůsobení hambálků) viz princip pojišťovny vaznice může být použita pro řešení atypických míst (valby, rohy,..)

41 Prosté krokevní a hambálkové soustavy na velká rozpětí krokevní i hambálkové soustavy jsou konstrukčně jednoduché při využití únosných prvků (vyšší účinný průřez z lepeného dřeva, vzipnadlo, příhradová konstrukce je lze navrhovat i na větší rozpětí -> halové stavby 1- lepená plnostěnná krokev, 2- vzpinadlová krokev, 3- příhradová krokev

42 Soustava s vodorovnými krokvemi (vlašská soustava) jedná se o dvoustupňové soustavy vodorovnými vlašskými krokvemi a hlavními vazbami vzhledem k orientaci krokví je vhodná pro ukládání únosných krytin (historicky břidlice nebo došky) na střechách s menšími sklony v současné době se prakticky nepoužívá princip je uplatněn v konstrukcích vazníků halových objektů

43 Vlašský krov charekteristickým prvkem krovu jsou horizontálně orientované vlašské krokve typickou krytinou byly slaměnné došky, břidlice apod. hlavní vazba byla řešena různě

44 Poznámka k historii názvu vlašská krokev vlašská soustava krovů se k nám dostala ze severní Itálie ve středověku obdobně jako například vlašské komíny na průčelí domů, vlašské ořechy, vlašský salát, podobný původ má právní a finanční reforma, se kterou králi Václavu II pomáhali italští poradci Pražský groš (Václav II 1300)

45 Soustavy s vodorovnými krokvemi dvoustupňová soustava (pravá) jednostupňová soustava s krokvemi opřenými na štítech jednostupňová soustava s falešnými vlašskými krokvemi opřenými na běžných krokvích

46 Tradiční formy

47 Moderní formy příhradové vazníky obdobné řešení jako u halových konstrukcí vyžaduje únosnou krytinu nebo plošné bednění

48 Vaznicové soustavy krovů jedná se o třístupňovou konstrukci sestávájící z krokví, vaznic a hlavních vazeb charekteristickým prvkem jsou vodorovné vaznice

49 Optimalizace uspořádání Okrajové podmínky návrhu (tvar, rozpon, krytina, zatížení, ) Proměnné parametry (typ topologie, dílčí rozměry x1, x2, x3, typy dílčích konstrukcí 1,2,3) Multikriteriální hodnocení variant (cena, vzhled,..) Prohledávání možných variant a hledání nejlepší varianty (7-mi rozměrný prostor parametrů)

50 Optimální profil ohýbaných průřezů pro vázané krovy je nejlépe ponechat celý průřez pro tesařsky vázané krovy nutno profil ohranit optimální poměr šířka/výška...5/7 (maximální únosnost při daném průřezu) (optimalizační úloha)

51 Vaznicové soustavy krovu empirický návrh krokví krokev působí jako spojitý nosník podepřený na vaznicích v optimálně navržené krokvi jsou ohybové momenty rozděleny rovnoměrně maximální rozpon pro běžné průřezy krokví 4,5 m, maximální vzdálenost k nepodepřenému vrcholu je 2,5 m, maximální délka volného konce je 1,5 m profil krokve závisí na zatížení a rozpětí (empiricky: výška mm, šířka mm)

52 Vaznicové soustavy krovu empirická pravidla pro umístění vaznic první podporou krokve je pozednice umístěná na půdní nadezdívce (typické řešení) další vaznice je typicky 4,5 m od pozednice (vzdálenost pro běžný profil krokve) pokud vzdálenost od poslední vaznice k vrcholu střechy je menší než 2,5 m, postačí podepření krokví ve vrcholu vzájemným rozepřením v opačném případě je nutno ve vrcholu umístit vrcholovou vaznici

53 Vznik osové síly v krokvi ve vrcholu konstrukce Jsou-li krokve ve vrcholu pouze vzájemně podepřené (bez vaznice), vznikají rozkladem svislých reakcí osové síly působcí v osách krokví. Tyto síly musí být zachyceny kleštinami nebo v podepření krokví

54 Uložení krokví na vaznici Krokve na vaznicích jsou v tesařsky provedených spojích podepřeny na vodorovných plochách (čepování vaznic ve vrcholu, osedlání na vaznice či pozednice) V takto provedených spojích nevzniká v uložení rozkladem svislé reakce vodorovná síla (viz princip kočárku na schodech

55 Podepření kočárku a prkna na schodech V podepření kočárku na schodech nevzniká vodorovná síla svislá reakce kola je podepřena stupněm schodiště. Kočárek zůstane v klidu. Prkno se dotýká hrany schodu v bodě, svislá reakce se rozkládá do směru normály a tečny plochy v bodě dotyku. Tečná síla působící v rovině spojnice hran schodů směrem dolů může způsobit pohyb prkna. K pohybu dojde, je-li tečná složka reakce větší než třecí síla (závisí na normálové složce a součiniteli tření)

56 Návrh vaznic vaznicových soustav o uložena na plných vazbách nebo na štítu o běžné řešení (materiál, profil, rozpon) o varianty uložení vaznic (redukce rozponu) o možné materiálové varianty vaznic

57 Příklad uložení vaznice na sedlo a na pásky (historické krovu)

58 Hlavní vazba třístupňové konstrukce krovu

59 Varianty hlavní vazby vaznicové soustavy vazba se svislými sloupky (stojatá stolice) vazba se šikmými sloupky (ležatá stolice) vazba se vzpěradlem vazba s věšadlem

60 Převážně ohýbané hlavní vazby (stojatá stolice)

61 Ohýbaná opěrná konstrukce - vazný trám, stropní konstrukce

62 Vzpěradlo svislá reakce krovu (mostovky, ) je rozložena do tlakových sil vzpěradla vzpěradlo působí jako tlačená konstrukce s horizontálně tuhým podepřením

63 Převážně tlačené hlavní vazby (ležatá stolice)

64 Věšadlo jedná se o konstrukce vzpěradla, na které je zavěšen vazný trám (viz detaily připojení)

65 Vzpinadlo Jedná se o kombinaci nosníku s táhlem, které tvoří vnitřní podpory nosníku. Rozkladem reakcí nosníku vzniká v táhle normálová síla, která je v podporách zachycena tlakovým působením nosníku

66 Typy vzpínadel nosník je podepírán vzpěrami opřenými o táhlo síla ve vzpěře může vzniknout pouze při zalomení táhla

67 Prostorová tuhost a stabilita o prostorová tuhost konstrukce o prostorová stabilita konstrukce Zatížení konstrukce o X - příčná zatížení, tuhost, ztužení o Y - příčná zatížení, tuhost, ztužení o Z - svislé zatížení

68 Vodorovné ztužení konstrukce prostorová tuhost

69 Zajištění tuhosti soustavy normálová, ohybová a smyková vazba vnitřní a vnější vazba (uzavřený a otevřený systém) prostorový systém

70 Aplikace principu ztužení soustavy kyvných prutů

71 Aplikace obecného principu na ztužení střešní konstrukce

72 Dvojitá diagonála vs. jedostranné vazby materiály s omezeným tahovým nebo tlakovým působením možnosti předpětí

73 Prostorová tuhost vaznicových soustav příčná tuhost

74 Prostorová tuhost vaznicových soustav podélná tuhost

75 Úplné schéma vaznicové soustavy (stojatá stolice) úplné schéma soustavy se všemi prvky šikmé vzpěry (příčná tuhost) pásky (podélná tuhost) kleštiny (příčná tuhost, vodorovná reakce od pozednice, profil) půdní nadezdívka, pozednice, kotvení

76 Řešení zvláštních případů

77 Konstrukce mansardové střechy

78 Řešení střech složitějších půdorysů o vhodnější jsou krovy vaznicových soustav o uzavřený vaznicový věnec

79 Řešení střech s velkou hloubkou akustické a požární požadavky na mezistrop (požární, akustické) samostatná nosná konstrukce nesoucí krokev či celý krov

80 Problematika interakce v konstrukcích šikmých střech

81 Základní typy interakcí

82 Interakce 1. typu Tuhé připojení podhledu a příček ke konstrukci krovu nerespektující její deformace Příčiny deformací nosné konstrukce: zatížení vlastní tíhou a dotvarování nosné konstrukce teplotní objemové změny střešní krytiny a podkladní vrstvy poruchy nosné konstrukce nejčastěji nezachycení vodorovných sil

83 MŠ,ZŠ, SŠ Výmolova, Praha (2004)

84 Pohled do kopule

85 Dodatačné zateplení podkroví z vnitřního líce

86 Dodatačná pojistná hydroizolace

87 Poloha podhledu

88 Střešní krytina

89 Porucha podhledu a příčky

90 Porucha podhledu a příčky

91 Porucha podhledu

92 Správné připojení podhledu a příčky ke stropní konstrukci Rigips

93 Podkroví bytového domu Praha

94 Řez nástavbou

95 Porucha v napojení příčky a podhledu

96 Porucha v napojení podhledu ve valbě

97 Interakce 4. typu Nevhodným návrhem nebo přetížením nosné konstrukce došlo ke zvýšené deformaci s následnou aktivací částečně tuhých konstrukcí střešního pláště nebo podhledů (dřevěné podhledy)

98 Chrastava

99 Heřmanice

100 Rodinný dům Borová