Konstrukce šikmých střech
Okrajové podmínky návrhu tvarové řešení využití podkroví rozpon konstrukce střešní krytina způsob podepření (svislá a vodorovná nosná konstrukce budovy) materiálové řešení
Příklady vlivu okrajových podmínek na konstrukci šikmé střechy
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
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
Vliv způsobu podepření na charakter konstrukce Tvar nosné konstrukce šikmé střechy je ovlivněn charakterem podepření (rozpon konstrukce, umístění nosných konstrukcí v podlaží pod střechou)
Konstrukce s nevyužitelným podkrovním prostorem Střešní příhradové soustavy na bázi dřeva
Příklad zastřešení komplikovaného půdorysu
Příklad zastřešení přízemního rodinného domu Ekord (M.Groch)
Valbová střecha ze sedlových vazníků - patent Ing. Marian Groch
Konstrukce s využitelným podkrovním prostorem soustavy krokevní, vlašské a vaznicové (1-3 stupňové konstrukce) závislost na rozponu způsob ukládání krytiny
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
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
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
Tradiční soustavy krovů.
Krokevní soustavy jedná se o jednostupňovou konstrukci tvořenou dvojicemi krokví
Prostá krokevní soustava dva trámy spojené ve vrcholu kloubem neposuvné podepření
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
Prostá krokevní soustava - podíl vodorovných reakcí na přenosu svislého zatížení tlaková čára
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
Prostá krokevní soustava - zachycení vodorových reakcí vodorovná síla musí být zachycena o v úrovni stropnice o v úrovni půdní nadezdívky
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)
Podepření krokví na půdní nadezdívce
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
Využití tuhosti střešní tabule pro zachycení vodorovné síly vodorovné síly lze přenést do okrajové části tabule, kde mohou být zachyceny v rovině štítu
Řešení valby a nároží u krokevních soustav
Příklad řešení (tradiční konstrukce) 1- krokev, 2- vazný trám, 3- námětek, 4- zavětrování, 5- pozednice, 6- stropní konstrukce, 7-kotvení
Hambálková soustava hambálek redukuje ohybové namáhání krokve a velikost vodorovné síly
Hambálková soustava působení hambálku pro svislé zatížení Vložení rozpěry (hambálku) při svislém zatížení redukuje rozpon krokve Konstrukce kombinuje tlakové působení a ohyb
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
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)
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
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
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!!
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,..
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
Příčná tuhost krokevních soustav
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
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,..)
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,..)
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
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
Vlašský krov charekteristickým prvkem krovu jsou horizontálně orientované vlašské krokve typickou krytinou byly slaměnné došky, břidlice apod. hlavní vazba byla řešena různě
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)
Soustavy s vodorovnými krokvemi dvoustupňová soustava (pravá) jednostupňová soustava s krokvemi opřenými na štítech jednostupňová soustava s falešnými vlašskými krokvemi opřenými na běžných krokvích
Tradiční formy
Moderní formy příhradové vazníky obdobné řešení jako u halových konstrukcí vyžaduje únosnou krytinu nebo plošné bednění
Vaznicové soustavy krovů jedná se o třístupňovou konstrukci sestávájící z krokví, vaznic a hlavních vazeb charekteristickým prvkem jsou vodorovné vaznice
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)
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)
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 160-180 mm, šířka 120-140 mm)
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
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
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
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)
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
Příklad uložení vaznice na sedlo a na pásky (historické krovu)
Hlavní vazba třístupňové konstrukce krovu
Varianty hlavní vazby vaznicové soustavy vazba se svislými sloupky (stojatá stolice) vazba se šikmými sloupky (ležatá stolice) vazba se vzpěradlem vazba s věšadlem
Převážně ohýbané hlavní vazby (stojatá stolice)
Ohýbaná opěrná konstrukce - vazný trám, stropní konstrukce
Vzpěradlo svislá reakce krovu (mostovky, ) je rozložena do tlakových sil vzpěradla vzpěradlo působí jako tlačená konstrukce s horizontálně tuhým podepřením
Převážně tlačené hlavní vazby (ležatá stolice)
Věšadlo jedná se o konstrukce vzpěradla, na které je zavěšen vazný trám (viz detaily připojení)
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
Typy vzpínadel nosník je podepírán vzpěrami opřenými o táhlo síla ve vzpěře může vzniknout pouze při zalomení táhla
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
Vodorovné ztužení konstrukce prostorová tuhost
Zajištění tuhosti soustavy normálová, ohybová a smyková vazba vnitřní a vnější vazba (uzavřený a otevřený systém) prostorový systém
Aplikace principu ztužení soustavy kyvných prutů
Aplikace obecného principu na ztužení střešní konstrukce
Dvojitá diagonála vs. jedostranné vazby materiály s omezeným tahovým nebo tlakovým působením možnosti předpětí
Prostorová tuhost vaznicových soustav příčná tuhost
Prostorová tuhost vaznicových soustav podélná tuhost
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
Řešení zvláštních případů
Konstrukce mansardové střechy
Řešení střech složitějších půdorysů o vhodnější jsou krovy vaznicových soustav o uzavřený vaznicový věnec
Řešení střech s velkou hloubkou akustické a požární požadavky na mezistrop (požární, akustické) samostatná nosná konstrukce nesoucí krokev či celý krov
Problematika interakce v konstrukcích šikmých střech
Základní typy interakcí
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
MŠ,ZŠ, SŠ Výmolova, Praha (2004)
Pohled do kopule
Dodatačné zateplení podkroví z vnitřního líce
Dodatačná pojistná hydroizolace
Poloha podhledu
Střešní krytina
Porucha podhledu a příčky
Porucha podhledu a příčky
Porucha podhledu
Správné připojení podhledu a příčky ke stropní konstrukci Rigips
Podkroví bytového domu Praha
Řez nástavbou
Porucha v napojení příčky a podhledu
Porucha v napojení podhledu ve valbě
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)
Chrastava
Heřmanice
Rodinný dům Borová