Расчет деревянных балок перекрытия

См. также

Формулы и элементы расчета

Калькулятор при расчетах использует следующие исходные данные:

• длина балки – это параметр, который закладывается проектом и зависит от расстояния между несущими стенами;
• сечение бруса – его ширина и высота, причем высота всегда должна быть больше для лучшего сопротивления специфическим изгибающим нагрузкам;
• порода дерева – от нее зависит пластичность и глубина прогиба балки, а соответственно, и максимально возможная нагрузка;
• предполагаемая нагрузка – берется из стандартов и зависит от типа помещения и количества жильцов.

Кроме исходных данных в калькуляторе заложена переменная – шаг бруса. Меняя его значение, можно подобрать оптимальный вариант размещения балок. В калькуляторе заложены справочные значения, характерные для каждого из выбранных параметров:

• разрушающее усилие – это величина постоянной нагрузки на балку, при достижении которой произойдет обрушение, зависит от габаритов бруса;
• распределенное усилие – зависит от величины предполагаемой нагрузки;
• прогиб в миллиметрах – максимально допустимая величина деформации, зависит от длины балки, величина приведена для сравнения, она не должна превышать расчетный прогиб;
• расчетный прогиб в миллиметрах – зависит от породы дерева.

В итоге после введения всех данных калькулятор сообщает о том, существует ли запас по прогибу и прочности при заданных пользователем параметрам. Если запас есть, балку можно использовать, если нагрузка превышена, следует откорректировать один из параметров. Для справки в калькуляторе приведены такие величины, как крутящий момент и масса самой балки. Первый параметр интересен для общего развития, а вот вес полезно знать, так как от него зависит стоимость доставки леса на стройплощадку.

Балки металлические: традиционная надёжность

Когда у застройщика возникает возможность и запрос на более амбициозное и габаритное строительство, он применяет металлические балки перекрытия различного сечения: уголок с разными размерами полок, швеллер, тавр, двутавр. Если исключить возможность коррозии металла, то по прочности таким балкам нет замены. Но применение металла в индивидуальном жилищном строительстве ограничено и ещё рядом показателей:

• с металлом тяжело работать на высоте;
• необходимы специальные механизмы для монтажа;
• сварка, резка металла и защита его от коррозии – это дополнительные расходы;
• высокая стоимость материала;
• балки металлические подлежат утеплению со стороны чердака.

Есть у металлических балок и положительные моменты:

• они не горят;
• долговечнее;
• металлические пролёты можно устраивать длиннее и расстояние между балками перекрытия делать больше;
• виды балок металлических отличаются большим разнообразием и позволяют создавать практически любые по сложности конструкции.

Расчет металлической балки в любом случае лучше доверить профессионалам.

Металлические балки перекрытияИсточник kamtehnopark.ru

«Малой кровью»

Большинство домовладельцев предпочтут провести усиление перекрытий таким образом, чтобы сохранялась возможность проживания в стенах здания. В большинстве случае это действительно реально. Если древесина несущей балки повреждена, но в труху она еще не рассыпалась и основные характеристики сохраняет, на элемент можно установить своего рода протезы. Причем из разных материалов.

Прогиб балок может быть устранен наложением деревянных протезов. Накладки максимально плотно фиксируются с двух сторон от поврежденного элемента, либо с двух боков, либо сверху и снизу. Максимальное усиление балок перекрытия достигается креплением накладки по всей ее длине

При этом важно и протез, и укрепляемый элемент обработать противогрибковым составом

Протезы прутковые

Надежное усиление перекрытия может быть достигнуто при использовании металлических накладок либо прутковых протезов. Пластины из стали используются по тому же принципу, что и накладки из древесины, только обрабатываются не противобактериальными, а антикоррозийными препаратами.

Усиление углепластиком

Усиление балок перекрытия углепластиком в последнее время гораздо популярнее деревянных накладок и металлических протезов. Углеволокно выпускается в виде лент, тканей, пластин и жгутов, так что нетрудно выбрать вариант, с которым удобнее всего работать в конкретных условиях. Материал наклеивается в несколько слоев, пока не будет достигнута нужная степень усиления. Работать с углепластиком просто: он легок, пластичен, крепится на клей, что значительно облегчает монтаж, негорюч, что повышает противопожарные характеристики деревянных балок и прочих элементов конструкции из древесины. Особенно актуальным углеволокно становится в условиях стесненности помещений, где особой свободы движений не наблюдается.

Отметим, что усиление балок перекрытия перечисленными способами имеет смысл только в том случае, если прогиб элементов конструкции не сопровождается ее значительными деформациями. Укрепление таким образом балок, имеющих существенные механические повреждения, годится только как временная мера.

Конструкция и расчет балок перекрытия

Если сравнивать с железобетоном, покрытие из дерева уступает ему прочностью. Именно из-за этого такой материал используют в домах до 4-х эт. Балки производят из хвойной древесины, а длина их в основном до шести с половиной метров. Если сооружения из камня, в них кладут балки на том расстоянии, которое кратно кирпичам и блокам (их размерам).

Если стены из камня наружные, балки следует заделать либо открытым, либо глухим способом. В этих случаях нужно предусматривать меры, чтобы предотвратить в стеновых гнездах появление конденсатов, паров. Такое вполне возможно, если толщина меньше двух кирпичей. Если же стены толще, конденсат не должен появляться.

Чтобы балки упирались, в каменных строениях гнезда для них обычно глубиной 0.6-0.8 h. Самый наименьший размер, который допустим для опор – 15 см. Как правило, его обычно берут за 18-20 см. Балка до стены не доходит пять-шесть сантиметров, этим обеспечивается поступление воздуха в торец стены.

Произведя расчет балок перекрытия из дерева, их необходимо пропитать антисептическим средством, а на концах сделать гидроизоляцию при помощи двух слоев. Появившееся пространство, между боковушкой балки и стеной следует заполнить при помощи раствора.

Каждая 3-тья балка соединяется с наружной частью стены при помощи анкеров, одни конец которых заделывают в стену, а другим крепят балку. Кроме того, анкера соединяются еще и между собой, опираясь на внутренние части стен.

Черновые полы устилают любым из двух вариантов:

• Используя накладные планки на черепные брусья, укладывают доски.
• Прямо на черепные брусья сплошным способом укладывают доски.

Балки снизу подбивают любыми видами материалов в листах, стелют изоляцию, поверх ее кладут слои теплоизоляции и звукоизоляции. Сверху обустраивают и пароизоляцию. После этого делают чистые полы.

В зависимости от дизайнерских оформлений помещений, а также показателей эксплуатации, производится потолков и полов.

Сделав расчет балок перекрытий дома, после чего их обустройство, крепить их следует между собой специальными изделиями из металла.

Расчёт нагрузки и размеров деревянных балок

Перед возведением здания необходимо рассчитать нагрузку и длину балочных перекрытий. Для лучшей прочности перекрытия при строительстве нужно использовать деревянные балки с немного большим, чем расчётный, запасом прочности.

Выбор ширины или толщины балки в зависимости от длины

Чтобы правильно произвести расчёт нагрузки на балку перекрытия, нужно:

1. Знать расстояние между стенами и шаг между балками.

2. Вычислить постоянную нагрузку, складывающуюся из массы балок, утеплителя и материалов, из которых изготовлен пол и потолок.

3. Временную нагрузку. К ней относятся масса мебели и находящихся в здании людей. Как правило, её считают равной 150 кг/м2.
4. Высчитать предполагаемую нагрузку на 1 м2 перекрытия (сумма временных и постоянных показателей).

Так как для расчёта требуется знать нагрузку на погонный метр, нужно предполагаемую нагрузку на 1 м2 умножить на расстояние между балками. Далее, полученную цифру умножают на квадрат расстояния между несущими стенами и делят на 8. Так проводят расчёт нагрузки балочного перекрытия.

Mmax = (q*L2)/8

Где:

• q — полная нагрузка на кв. м;
• L2 — квадрат расстояния между стенами.

При проектировании каркаса перекрытия нужно уделить внимание пространственной жёсткости, которая во многом зависит от показателей прогиба балочного перекрытия. Расчёт деревянной балки на прогиб проводят по формуле: W = Mmax / R, где M – максимальная нагрузка, а R – сопротивление древесины из СП 64.13330.2017 от 2017 г

(актуальная редакция СНиП II-25-80). Для древесины 2 сорта её принято считать равной 130 кг/см2

Расчёт деревянной балки на прогиб проводят по формуле: W = Mmax / R, где M – максимальная нагрузка, а R – сопротивление древесины из СП 64.13330.2017 от 2017 г. (актуальная редакция СНиП II-25-80). Для древесины 2 сорта её принято считать равной 130 кг/см2.

Из формулы W = b*h2/6, зная показатель W, вычисляем сечение перекрытия. Достаточно задать одну геометрическую характеристику b (ширину сечения) или h (его высоту).

Прогиб деревянного перекрытия при вычисленной нагрузке не должен быть больше соотношения к длине балки 1:350 для подвальных и межэтажных перекрытий, а для чердачных и мансардных – 1:250.

Размер балок зависит от расстояния между несущими стенами. Для определения необходимой длины балки к этой величине прибавляют 40 см, примерно по 15–20 см с каждой стороны. Профессиональные строители рекомендуют для устройства перекрытия использовать балки с сечением равным 4–5% длины пролёта.

Монтаж перекрытия

Чтобы здание долго прослужило, балочные перекрытия должны соответствовать высокому уровню прочности. Иметь хорошую звуковую и теплоизоляцию, а также хорошо вентилироваться.

При установке деревянных балок чаще всего используют маячный способ монтажа. Вначале монтируют крайние балки, а затем промежуточные. Чтобы не допускать ошибок во время работы, используют уровень. В случае перепадов высоты, балки можно выровнять подложив под торцевые концы пропитанные битумным праймером обрезки.

Перед началом установки проводят сращивание или обрезку балок до нужных размеров. Сращивание балок из бруса по длине обычно проводят способом «замочный паз». Для этого концы брусьев спиливают на 1\2 толщины и заглубляют один торец в толщу другого. Затем места соединений фиксируют.

Сращивание двух балок

Расстояние между деревянными балками не должно быть меньше 60 см и превышать 1 метр. В конструкции из брёвен или клеёного бруса шаг делают больше, чем в дощатых перекрытиях. При монтаже чердачного перекрытия расстояние между дымоходом и балками должно быть не менее 40 сантиметров.

Для прочности каркаса торцы балок заглубляют в несущую стену минимум на 15 см. У двутавровых балок это значение разрешено уменьшить до 7 см. Заделывают углубления раствором или монтажной пеной. Возможно закрепление концов на стенах с помощью стальных связей. В местах опор на балках делается гидроизоляция.

Гидроизоляция балок в местах опор обязательна

Нагрузки действующие на деревянные балки перекрытия

Нагрузка, оказываемая на балки перекрытия, складывается из нагрузки от собственного веса элементов перекрытия (балки, заполнитель, обшивка, крепежные элементы) и эксплуатационной нагрузки (постоянной и временной). Эксплуатационная нагрузка – это вес различных бытовых предметов, мебели, людей в совокупности.

Обычно, при расчете деревянных балок для чердачного перекрытия, используют значение – 150 кг/м2.  50 кг/м2 – нагрузка собственного веса, 100 кг/м2 – нормативная нагрузка для чердачных помещений (СНиП 2.01.07-85) с учетом коэффициента запаса по прочности.

Если предполагается активно использовать чердачное помещение для хранения вещей и материалов, тогда общая нагрузка, принимаемая в расчет, берётся равной – 250 кг/м2.

При расчетах сечения деревянной балки для межэтажного перекрытия или перекрытия мансардного этажа, общую нагрузку принимают равной – 350 — 400 кг/м2.

Составление расчетной схемы балки

Для того чтобы составить расчетную схему, не требуется больших знаний. Для этого достаточно знать размер и форму поперечного сечения элемента, пролет между опорами и способ опирания. Пролетом является расстояние между двумя опорами. К примеру, вы используете балки как опорные брусья перекрытия для несущих стен дома, между которыми 4 м, то величина пролета будет равна 4 м.

Вычисляя прогиб деревянной балки, их считают свободно опертыми элементами конструкции. В случае для расчета принимается схема с нагрузкой, которая распределена равномерно. Обозначается она символом q. Если же нагрузка несет сосредоточенный характер, то берется схема с сосредоточенной нагрузкой, обозначаемой F. Величина этой нагрузки равна весу, который будет оказывать давление на конструкцию.

Достоинства и недостатки балок из дерева

Использование в строительстве зданий деревянных балок в отличие от других видов характеризуется следующими достоинствами:

• доступная цена;
• простота доставки на строительную площадку;
• возможность установки без применения спецтехники;
• экологическая безопасность;
• ремонтопригодность.

Однако, несмотря на многие достоинства, такие перекрытия менее прочны, чем металлические и железобетонные. Требуют обработки антипиренами, а также средствами против гнили и плесени. Монтаж деревянных балок возможен только после тщательных расчётов.

В заключение статьи нужно добавить, что применение дерева в строительстве значительно сокращает расходы. Чтобы не нарушить конструкцию всего здания и установить прочные перекрытия, их проектирование и монтаж лучше доверить профессиональным строителям.

Устройство

По назначению данные конструкции разделяются на следующие виды:

• цокольные,
• межэтажные,
• чердачные.

Цокольные и чердачные перекрытия требуют усиленной теплозащиты в силу высоких перепадов температур. Для межэтажных оборудуется качественная шумоизоляция, если на верхнем этаже будут находиться жилые комнаты. Конструктивно они состоят из следующих элементов:

• балки,
• подшивное перекрытие,
• изоляционные слои,
• накат,

Второй способ устройства деревянных перекрытий: между брусьями укладываются плиты минеральной ваты. Затем поперек них прикрепляются лаги, которые обшиваются накатом. Третий способ выполняют, как 2-ой, но добавляют еще 1 слой лаг и утеплитель между ними. Таким способом осуществляется усиление несущей способности всей конструкции.

Если устанавливаются балки перекрытия в деревянном доме, следует учитывать его усадку в течение года после возведения. Избежать деформации вследствие этого можно следующим способом: сочленения брусьев с наружными стенами закрепляются не жестко, а концы брусьев обрезают под 60º. В кирпичных стенах делают по-другому: в процессе возведения предусматривают специальные гнезда для закладки бруса. Между его концом и кирпичом должна находиться пропитанная битумом подкладка.

При монтаже деревянных перекрытий допускается наращивать балки. Для этого в месте соединения двух брусьев запиливают замок длиной 0,5-1 м. Элементы скрепляют между собой болтами. Конструкция будет более надежной, если концы наращенного бруса расположить на стене фасада. Кроме этого их надо пропитать битумом, а практически незаметное свободное пространство заложить утеплителем.

В целом конструкция перекрытия выглядит следующим образом:

• крайние балки располагаются на опорном брусе (мауэрлате) или на верхней металлической обвязке;
• следующие укладываются с шагом минимум 0,5 м (шаг тем меньше, чем больше длина пролета);
• крепление к срубу осуществляется при помощи надставок, прикрепленных болтами;
• между надставками при помощи длинных гвоздей закрепляются вкладыши.

Надставки применяются в случаях, когда уже уложена теплоизоляция, например, плиты минеральной ваты. Монтаж утеплителя снизу вверх осуществить легче и быстрее, поэтому часто используется такой прием. Для надставок берут брус 100 мм.

Разновидности деревянных перекрытий

Классический способ монтажа основан на устройстве несущей части из балок и заполнения пустого пространства. Для этого сбивают накат, состоящий из прилегающих плотно друг к другу щитов или досок. Следует отметить, что для работ часто используется не цельный или клееный брус, а деревянная двутавровая балка для перекрытий, отличающаяся легким весом и высокой прочностью. При помощи такой балки можно осуществить быстрый монтаж перекрытий.

Сама конструкция двутавровой балки делает ее отличным материалом для возведения каркасных домов. Таким образом, весь каркас и перекрытия собираются из одного материала, при этом монтаж не требует применения тяжелой техники. Конструкция двутавровой балки состоит из следующих элементов:

• доски-полки из прочной древесины обеспечивают хорошие несущие характеристики;
• пространство между ними занимает плита OSB; она удешевляет себестоимость изделия, уменьшает вес, что благоприятно сказывается на общем весе дома и его давлении на фундамент.

В заключение следует отметить преимущества деревянных перекрытий для частного домостроения. Домовладельцу не надо нанимать тяжелую технику вследствие небольшого веса бруса. Затраты на строительство минимальные, так как брус и доску можно приобрести из хвойных пород. Материал обладает высокими звукоизолирующими и теплосберегающими свойствами. Крепления осуществляются болтами или длинными гвоздями, что также является легким, быстрым и удобным способом монтажа.

Чтобы перекрытие было максимально надежным, следует подбирать точные размеры балок, используемых для работы. Так, например, расчет деревянных балок – неизменная часть работы перед их изготовлением, в расчет при этом берут длину балок и их сечение. Длина как деревянных, так и металлических балочных конструкций, зависит от ширины планируемого перекрытия, а сечение нужно просчитывать в зависимости от шага, нагрузки и длины пролета.

В Интернете можно найти специальные онлайн калькуляторы, помогающие выполнить расчеты онлайн, но далеко не все доверяют калькулятору, поэтому мы расскажем, по каким формулам и как именно производится расчет балок перекрытия.

Виды балок перекрытия – преимущества и недостатки

Деревянные балки

Их чаще всего выбирают в качестве перекрытий в домах из дерева, бруса, в кирпичных домах и домах, построенных из газосиликатных блоков для мансардных перекрытий, а также в случаях, если хотят сэкономить на материалах, либо если мощность фундамента не рассчитана на тяжелые перекрытия между этажами, а также при нестабильных грунтах на участке.

Основной материал, используемый для балок подобной вариации – древесина лиственной и хвойной породы, тщательно просушенная и прошедшая специальную обработку, что позволяет улучшить её эксплуатационные и технические параметры. Подобное балочное перекрытие включает в себя непосредственно сами балки, утеплитель, накат и пол.

Преимущества:

• удобство и простота монтажа;
• приемлемая стоимость;
• незначительный вес изделия.

Недостатки:

• высокий уровень огнеопасности;
• подверженность поражению жуком-короедом;
• возможное гниение конструкции с течением времени;
• конструкция перекрытия по деревянным балкам применяется только до четвертого этажа.

С целью упрощения расчета деревянной балки и выбора для нее сечений и шага мы приводим таблицу, которая поможет определиться с предварительным выбором сечений для однопролетных деревянных балок. Вам остается только собрать нормативные нагрузки:

При монтаже деревянные балки перекрытия укладываются на поперечные опоры, которыми может служить дополнительный брус, либо армопояс, залитый по периметру кладки стены. Поперечные опоры служат для равномерного распределения нагрузки на стены, и далее на фундамент дома. Части балок, укладываемые на стены, оборачиваются гидроизоляционным материалом. Обычно используют рубероид, при этом торцы не изолируют, что позволяет балке «дышать».

Самое главное при выборе материала для перекрытий по деревянным балкам — внимательно подбирать качественную древесину без трещин, повреждений, хорошо высушенную, с пропиткой от возгорания и гнили, а также с подходящим для постройки расчетным сечением балок.

В частном строительстве частая практика — использование монолитных бетонных перекрытий, либо других видов наиболее прочных перекрытий на нижних этажах постройки, и одновременное использование балочных перекрытий на более высоких этажах — например, мансарде. Делается это с целью облегчения общих нагрузок на фундамент.

Стальные балки

Металлические балки перекрытия выполнены из высокопрочного стального сплава по технологии горячего или холодного катания. Конструктивно представлены в виде двутавра, швеллера или уголка, при этом двутавровые балки имеют наибольшую востребованность и популярность. Укладка возможна, как «плашмя», так и на ребро.

Преимущества:

• допустимы пролеты большей длины, нежели при использовании балок из дерева;
• стойкость к воздействиям биологического характера и гниению;
• огнеустойчивость.

Недостатки:

• высокая цена;
• возможно образование коррозии;
• низкие звуко- и теплоизоляционные параметры;
• для монтажа требуется специальная техника.

Железобетонные балки

Железобетонные балки перекрытия – оптимальный вариант для крупномасштабного строительства, способный выдержать даже существенные внешние нагрузки при большой длине обустраиваемого пролёта. Нагрузочные параметры представлены на очень высоком уровне.

Преимущества:

• отсутствие прогибов;
• повышенная несущая способность;
• формирование длинных пролётов с различными формами.

Недостатки:

• сложность монтажа;
• потребность задействования специализированной техники.

Комбинированные балки

Комбинированная балка выполнена на основе сразу нескольких материалов, например, дерева и ОСП. Их использование распространено в частном строительстве при создании каркасных домов. Изделия могут иметь различную форму, но наибольшую распространённость имеет комбинированная двутавровая балка, способная эффективно сопротивляться разного рода внешним нагрузкам, выдерживая даже значительные напряжения.

Преимущества:

• отличные прочностные данные;
• стойкость к деформированию;
• незначительный вес.

Недостатки:

• высокая цена;
• неудобство утепления плитным материалом.

Как рассчитать нагрузку на балку перекрытия

Общая нагрузка на элементы перекрытия складывается из собственного веса конструкции, веса от внутренних строительных изделий, опирающихся на балки, а также массы людей, мебели, бытовой техники и прочей хозяйственной утвари.

Полный расчёт, учитывающий все технические нюансы, достаточно сложен и выполняется специалистами при проектировании жилого дома. Для граждан, возводящих жильё по принципу «самостроя», более удобна упрощённая схема, в которую заложены требования СНиП, оговаривающие условия и технические характеристики деревянных материалов:

• длина опорной части балки, контактирующей с фундаментом или стеной, не должна быть меньше 12 см;
• рекомендуемое соотношение сторон прямоугольника 5/7, — ширина меньше высоты;
• допустимый прогиб для чердачного помещения составляет не более 1/200, межэтажные перекрытия – 1/350.

По СНиП 2.01.07–85 эксплуатационная нагрузка на чердачную конструкцию с лёгким утеплителем из минеральной ваты составит:

G = Q + Gn * k, где:

• k – коэффициент запаса прочности, обычно для строений малой этажности принимают значение 1,3;
• Gn – норматив для подобного чердака, равный 70 кг/м²; при интенсивном использовании чердачного пространства значение составит не менее 150 кг/м²;
• Q – нагрузка от самого чердачного перекрытия, равная 50 кг/м².

Пример расчёта

Дано:

• чердак в жилом доме, использующийся для хранения различного хозяйственного инвентаря;
• для утепления применён керамзит с лёгкой бетонной стяжкой.

Общая нагрузка составит G = 50 кг/м² + 150 кг/м² * 1,3 = 245 кг/м².

Исходя из практики, средние усилия на мансардном этаже не превышают значений в 300–350 кг/м². 

Для межэтажных перекрытий величины находятся в диапазоне 400–450 кг/м², причём большее значение следует принимать при расчётах первого этажа.

Совет. При выполнении перекрытий целесообразно принимать значения нагрузок, превышающие расчётные на 30–50%. Это повысит надёжность конструкции в целом и увеличит общий срок эксплуатации.

Расчет перекрытия по деревянным балкам на допустимый изгиб

Из таблицы 1.4 видно, что максимальный допустимый изгиб балки должен составлять

f=(ql^4)/384EI

Поскольку Е в этой формуле, как уже говорилось, это модуль упругости древесины, а I – это осевой момент инерции балки, необходимо найти модуль для конкретного вида древесины и рассчитать осевой момент по формуле c учетом того, что осевой эта величина измеряется в см4, то есть ширину балки b необходимо вставлять именно в сантиметрах.

I=(ba^3)/12=(5×18^3)/12=2430

Подставляя полученное значение в формулу расчета прогиба, получаем величину прогиба в метрах.

f= (45×10^3×3^4)/(384×100×2430)=0,039

С учетом того, что для пролета 3 м максимально допустимый прогиб составляет одну трехсотую длины пролета, то есть 10 см, расчетное значение 3,9 см более чем удовлетворяет условиям задачи.