Nosné konstrukce šikmých střech

Transkript

1 Nosné konstrukce šikmých střech

2 Okrajové podmínky návrhu Půdorys a rozpon střechy Střešní krytina (podklad) Podmínky podepření Požadovaný vnitřní prostor Tvar střechy a způsob odvodnění Dílčí úpravy (okna, vikýře, komíny, schodiště) Sklon střechy Rozmanitost konstrukcí je důsledkem rozmanitých okrajových podmínek

3 Řešení geometrie šikmých střech řešení tvaru střechy je základní geometrická úloha deskriptivní geometrie řešení vychází z požadavků stejných sklonů a stejné úrovně okapů, zakázaných hran

4 Příklady konstrukcí šikmých střech Následující příklady ukazují rozmanitost střešních konstrukcí vyplývající z různých okrajových podmínek návrhu

5 Příklad

6 Příklad

7 Příklad

8 Příklad

9 Příklad

10 Příklad

11 Příklad

12 Příklad

13 Příklad

14 Příklad

15 Příklad

16 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

17 Poznámka ke starším učebním podkladům 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.

18 Historické soustavy krovů

19 Základní typy konstrukcí jedno, dvou a třístupňové konstrukce krokevní, vlašské a vaznicové závislost na rozponu způsob ukládání krytiny

20 Vliv střešní krytiny na výběr 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

21 Jednostupňová konstrukce

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

23 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

24 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

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

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

27 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)

28 Podepření krokví na půdní nadezdívce

29 Časté chyby kotvení nedostatečné kotvení krokve k pozednici nedostatečné kotvení pozednice k věnci nedostatečné kotvení věnce ke zdivu nedostatečná únosnost zdiva

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

31 Řešení valby a nároží u krokevních soustav

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

33 Hambálková soustava hambálek redukuje ohybové namáhání krokve

34 Hambálková soustava působení hambálku pro svislé zatížení Konstrukce kombinuje tlakové působení a ohyb Tlačená konstrukce tvořená spodní částí krokví a hambálkem tvoří pro svislé zatížení podporu krokve (a tím redukuje moment)

35 Porovnání lomeného nosníku, krokevní soustavy a hambálku prostý nosník, resp. lomený rám nosník o dvou polích, resp. prosté krokve spojitý nosník o čtyřech polích, resp. hambálková soustava

36 Vliv polohy na charakter namáhání hambálku 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)

37 Vliv hambálku 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

38 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!!

39 Působení krokevní a hambálkové soustavy při vodorovném zatížení samostatné působení krokví u prosté krokevní soustavy omezené spolupůsobení dvojic krokví u posuvného hambálku (příliš si nepomáhají) neposuvný hambálek může působit jako vodorovně tuhý nosník a přenášet zatížení do štítů,..

40 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

41 Prostorová tuhost a stabilita krokevních soustavy prostorová tuhost příčná - y prostorová tuhost podélná x prostorová stabilita tlačených konstrukcí

42 Příčná tuhost krokevních soustav

43 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

44 Podélná tuhost krokevních soustav

45 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,..)

46 Příznivé aspekty spolupůsobení vazeb Uplatnění principu - pomoc přetížené vazbě (části konstrukce apod.) - pomoc oslabené vazbě - záměrné rozložení lokálně působících zatížení do celé konstrukce

47 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

48 Příklad tradiční řešení

49 Příklad stavba.tzb-info.cz

50 Dvoustupňová konstrukce krovu vlašská soustava

51 Vlašské krokve, salát, ořechy, Pražský groš (Václav II 1300)

52 Vlašský krov vlašská krokev = horizontálně orientovaná nosná vazba může být řešena libovolně

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

54 Tradiční formy

55 Příklad: Konstrukce na bázi oceli

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

57 Poznámka k terminologii u krovu je krytina (resp. její podkladní vrstva) nesena krokvemi u halové konstrukce je krytina nesena vaznicemi

58 Třístupňová konstrukce krovu vaznicová soustava

59 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)

60 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)

61 Vaznicové soustavy krovu návrh krokví princip spojitého podepření maximální rozpon pro běžné průřezy krokví 4,5 m (empirická hodnota)

62 Vaznicové soustavy krovu návrh krokví pro běžné profily a vzdálenosti krokví je mezní vzdálenost krokví 4,5m mezní přesah krokve u okapu je 1,5 m maximální vzdálenost od poslední vaznice nepodepřenému vrcholu krokve je 2,5 m rozměry závisí na zatížením a profilu krokve

63 Vznik osové síly v krokvi ve vrcholu konstrukce osová síla v vzniká, není-li vrchol podepřen vaznicí krokve se vzájemně podepírají a svislé reakce se rozkládají do osových sil dtto jako u prosté krokevní soustavy vodorovné síly lze zachytit kleštinou nebo v podpoře

64 Podepření krokve na vaznici (princip kočárku)

65 Uložení krokví na vaznici čepování vaznic ve vrcholu osedlání vaznic na krokve uložení na pozednici

66 Návrh vaznic 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

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

68 Uložení vaznic a krokví

69 Hlavní vazba krovu vaznicové soustavy

70 Varianty hlavní vazby vaznicové soustavy vazba se svislými sloupky (stojatá stolice) ohýbaný systém vazba se šikmými sloupky (ležatá stolice) ohýbaný a tlačený systém vazba se vzpěradlem tlačený systém vazba s věšadlem tlačeny systém

71 Převážně ohýbané hlavní vazby (stojatá stolice)

72 Ohýbaná opěrná konstrukce - vazný trám, stropní konstrukce

73 Vzpěradlo

74 Převážně tlačené hlavní vazby (ležatá stolice)

75 Věšadlo Foto: A. Lokaj

76 Věšadlo staticky neurčitá konstrukce nosník a dvojice táhel se stejnou deformací

77 Prostorová tuhost vaznicových soustav příčná tuhost

78 Prostorová tuhost vaznicových soustav podélná tuhost

79 Stromové vs. nestromové uspořádání stromové vs. nestromové uspořádání konstrukční systém budovy životní cyklus budovy (výstavba, údržba, rekonstrukce)

80 Příklady řešení plných vazeb Podle: Kupilík, V.: Střechy. SIA Praha 1997

81 Soustava s vazným trámem (stojatá stolice) úplné schéma soustavy se všemi prvky uložení vazného trámu (tradiční řešení), střední podpora šikmé vzpěry (příčná tuhost) pásky (podélná tuhost) kleštiny (příčná tuhost, vodorovná reakce od pozednice, profil) půdní nadezdívka, pozednice, kotvení nahrazení vazného trámu stropní konstrukcí

82 Vazba se svislými sloupky (stojatá stolice)

83 Vazba se šikmými vzpěrami a rozpěrou (ležatá stolice) o úplné schéma soustavy se všemi prvky o vzpěra a rozpěra namáhání profil o spojení s krokví barokní krovy o detaily spojů

84 Uložení vzpěry na vazném trámu a detaily

85 Vazba se zavěšeným vazným trámem (věšadlo)

86 Podrobnosti uložení vaznic a krokví konstrukce věšadla

87 Řešení nároží a valby vaznicové soustavy uzavřený vaznicový věnec

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

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

90 Konstrukce mansardové střechy

91 Materiály a spoje krovových konstrukcí

92 Materiálové varianty dřevo (zdravé, suché, odkorněné, impregnované, chráněné proti vlhkosti) lepené dřevo (dražší varianta, únosnější průřezy) materiály na bázi dřevní hmoty (OSB desky,...) beton kovové profily kombinace materiálů (dřevo kov,..)

93 Spoje tesařských konstrukcí o Vázané spoje prehistorických krovů podle: Hradil,P.; Vaněrek, J.: Spoje šikmých střech. ASB 2008 o Tesařské spoje historických krovů (tesařské spoje, dřevěné kolíky a klíny, hmoždíky) o Spoje moderních krovů (ocelové spojovací prostředky, lepené spoje) vyšší produktivita, nižší životnost a spolehlivost (koroze, požár, cena, životnost) o Spoje postmoderních krovů (budoucnost) návrat k tvarovaným tesařským spojům, použití CNC automatů

94 Tradiční tesařské spoje

95 Spoje na sraz podélný spoj tupý, šikmý, klínovitý, spoj možno zajistit příložkami (a hřeby nebo svorníky) spoje se provádí nad podporou

96 Plátování podélný spoj i v místě bez podepření lap = přeplátování

97 Lípnutí spoje kolmých prvků působí jako kloub zabezpečení skobami a příložkami působí jenom v tlaku

98 Zapuštění a zadrápnutí jeden prvek je oslaben, druhý zapuštěn oproti lípnutí má i smykovou pevnost kotvení vzpěr a pásků

99 Čepování čep a dlab přenos tlakových sil, částečně i smyk

100 Spojení krokví na ostřih

101 Přeplátování o spoje navzájem kolmých prvků o spoje vaznic, zavětrovacích ztužidel, pásků a hambalků

102 Kampování podobné jako přeplátování

103 Osedlání spoj prvků ležících v různých rovinách jeden prvkem má zářez (sedlo) spoje krokví a pozednic

104 Hmoždíkové spoje Krov Bufet na rozcestí - Krkonoše

105 Novodobé spojovací prostředky

106 Hřebíkové s svorníkové spoje připojování slabších a složených průřezů spojení kleštin a sloupků, kleštin a krokve, apod. hřebíkové spoje nad 5,6 mm se předvrtávají kombinace hřebíkových spojů se svorníky

107 Ocelové vložené plechy Foto: A. Lokaj

108 Hřebíkové příložky spojení stejně tlustých prvků krovu ležících v jedné rovině spojení hambálkových krovů příložky z různých materiálů (dřevěné desky, překližky, OSB, ocelové děrované plechy) vzniká neoslabený spoj

109 Kovové zalisované styčníkové desky (Gang-nail)

110 Kovové přípojné prvky

111 Ztužení krovu pomocí kovových táhel

112 Krovy na bázi betonu a oceli

113 Železobetonové prefabrikované konstrukce

114 Krovy na bázi oceli

115 Materiálové kombinované konstrukce

116 Historické soustavy krovů

117 Ránkova soustava

118 Italský středověký krov soustava s vlašskými krokvemi

119 Ardantova soustava soustava halového charakteru použití délkově omezených prvků pro velké rozpětí 20 a více metrů zachycení horizontálních sil táhlem

120 1550 L Orme (Francie) Philibert de l Orme ( ) vyřezávané skruže z nastojato postavených a do oblouku tvarovaných fošen spojovaly se kolíky, hřebíky, svorníky nebo kolíky. průběžně se zabezpečovaly ocelovými objímkami.

121 1830 Skružová soustava Emy Colonel Emy ( ) tvořena více vrstvami ohýbaných prken mm, spáry musí být vystřídány prkna se nehoblovala, aby se uplatnilo tření

122 Stephanova soustava příhradová oblouková konstrukce z latí, pásnice jsou ohýbané nebo skládané Obrázek převzat z Mikeš: Statika historických dřevěných konstrukcí. e-architekt 2006

123 Příklady použití jiných materiálů