Nosné konstrukce šikmých střech

Nosné konstrukce šikmých střech

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

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

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

Příklad

Příklad

Příklad

Příklad

Příklad

Příklad

Příklad

Příklad

Příklad

Příklad

Příklad

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

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.

Historické soustavy krovů

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

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

Jednostupňová konstrukce

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 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 - podíl vodorovných reakcí na přenosu svislého zatížení tlaková čára

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

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

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)

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

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)

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

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 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,..

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

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

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

Podélná tuhost krokevních soustav

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,..)

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

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

Příklad tradiční řešení http://www.chatar-chalupar.cz/

Příklad stavba.tzb-info.cz

Dvoustupňová konstrukce krovu vlašská soustava

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

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

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

Příklad: Konstrukce na bázi oceli

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

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

Třístupňová konstrukce krovu vaznicová soustava

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

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

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

Podepření krokve na vaznici (princip kočárku)

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

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

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

Uložení vaznic a krokví

Hlavní vazba krovu vaznicové soustavy

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

Převážně ohýbané hlavní vazby (stojatá stolice)

Ohýbaná opěrná konstrukce - vazný trám, stropní konstrukce

Vzpěradlo

Převážně tlačené hlavní vazby (ležatá stolice)

Věšadlo Foto: A. Lokaj

Věšadlo staticky neurčitá konstrukce nosník a dvojice táhel se stejnou deformací

Prostorová tuhost vaznicových soustav příčná tuhost

Prostorová tuhost vaznicových soustav podélná tuhost

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

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

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

Vazba se svislými sloupky (stojatá stolice)

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

Uložení vzpěry na vazném trámu a detaily

Vazba se zavěšeným vazným trámem (věšadlo)

Podrobnosti uložení vaznic a krokví konstrukce věšadla

Řešení nároží a valby vaznicové soustavy uzavřený vaznicový věnec

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

Konstrukce mansardové střechy

Materiály a spoje krovových konstrukcí

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,..)

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

Tradiční tesařské spoje

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

Plátování podélný spoj i v místě bez podepření lap = přeplátování

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

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

Čepování čep a dlab přenos tlakových sil, částečně i smyk

Spojení krokví na ostřih

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

Kampování podobné jako přeplátování

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

Hmoždíkové spoje Krov Bufet na rozcestí - Krkonoše

Novodobé spojovací prostředky

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

Ocelové vložené plechy Foto: A. Lokaj

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

Kovové zalisované styčníkové desky (Gang-nail)

Kovové přípojné prvky

Ztužení krovu pomocí kovových táhel

Krovy na bázi betonu a oceli

Železobetonové prefabrikované konstrukce

Krovy na bázi oceli

Materiálové kombinované konstrukce

Historické soustavy krovů

Ránkova soustava

Italský středověký krov soustava s vlašskými krokvemi

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

1550 L Orme (Francie) Philibert de l Orme (1514-1570) vyřezávané skruže z nastojato postavených a do oblouku tvarovaných fošen spojovaly se kolíky, hřebíky, svorníky nebo kolíky. průběžně se zabezpečovaly ocelovými objímkami.

1830 Skružová soustava Emy Colonel Emy (1771-1851) tvořena více vrstvami ohýbaných prken 18-40 mm, spáry musí být vystřídány prkna se nehoblovala, aby se uplatnilo tření

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

Příklady použití jiných materiálů

Indonesie tržnice využití bambusů a jejich spoje

Jihoafrická republika o příhradové působení hlavní bazby

Jihoafrická republika kombinace vzpěradla a příhradového nosníku

Mozambic vaznicová soustava krovu, řešení hlavní vazby

Mexiko vaznicová soustava na velké rozpětí

Mexiko řešení taženého prstence ze svázaných ohnutých větví

Belize vaznicová soustava, příhradová vazba

Guatemala krov vázaný liánami

Guatemala vázaný krov na velké rozpětí, použití tropických dřevin