Mājas neatņemama sastāvdaļa ir jumts, kas iedzīvotājus pasargās no laikapstākļu ietekmes jebkurā gadalaikā. Tikpat svarīga ir jumta konstrukcijas izveide, kuras laikā nākas izšķirties par labāko risinājumu savai mājai – sijām un spārēm vai rūpnieciski ražotām koka kopnēm. Mājas īpašnieki un apsaimniekotāji bieži vien uzskata, ka koka kopnes ir tieši tāds pats jumta konstrukcijas risinājums, kā jumta spāres. Taisnība – abi jumtu konstrukciju veidi kalpo vienam mērķim, tomēr katrai no konstrukcijām ir savas priekšrocības un trūkumi.

Jumta spāres un sijas ir jumtu konstrukcijas elementi, kas ražoti no kokmateriāla vai metāla un savienojot veido jumta konstrukciju. Izvēloties tās aizklāt vai eksponēt, jumta spāres var būt viens no galvenajiem elementiem jumta izstrādes dizainā. Savukārt, koka kopnes ir iepriekš rūpnieciski sagatavotas jumta konstrukcijas, kuras, simetriski izvietojot, nosedz ēku no viena gala līdz otram. Būtiskākā atšķirība starp koka kopņu un jumta spāru konstrukcijām slēpjas sagatavošanas un uzstādīšanas aspektos.

Lai samazinātu ēkas būvniecības izmaksas, ļoti lielā daļā būvniecības projektu tiek izmantotas jumta koka kopnes. Lai izgatavotu un uzstādītu jumtu spāru risinājumu, ir jāpatērē ļoti daudz darba stundu, salīdzinot ar koka kopņu risinājumu, un, zinot to, ka darba izmaksas ar katru gadu paaugstinās, izdevīgāk ir izmantot iepriekš sagatavotus koka kopņu risinājumus, ietaupot gan laiku, gan finansiālos resursus.

Jumta spāru un koka kopņu konstrukciju salīdzinājums

Jumta spāru konstrukcija

Konstrukcijas tiek montētas uz vietas būvlaukumā – aizņem vairāk laika un cilvēkresursu. Ieteicams neliela apjoma būvniecības projektos. Lai uzstādītu jumta spāres objektiem virs sešiem metriem, nepieciešama nesošā starpsiena. Ir iespējams veikt izmaiņas uz vietas būvobjektā, pielāgot katru spāri atsevišķi. Jumta spāres pieprasa ēkas nesošās sienas, kur tās tiks stiprinātas, bet pašas jumta spāres var būt pielāgotas uz vietas celtnes specifikai.

Koka kopņu konstrukcija

Konstrukcijas tiek projektētas ar specifiskas programmatūras palīdzību. Neierobežotas plānojuma un pārplānošanas iespējas. Lai uzstādītu, nav nepieciešamas nesošās starpsienas laidumam līdz 35 metriem. Vienkāršāka uzstādīšana, kas neprasa specifiskas zināšanas – tiek ražotas individuāli katram projektam, uzstādīšanai neprasot profesionāļus. Montāžas process ir ātrs, aizņemot vidēji 1 līdz 2 dienas, atkarībā no jumta konfigurācijas.

Koka kopnes izceļas ar to kvalitāti tādēļ, ka ražošanas procesā tiek izmantota īpaša programmatūra, taču pašu kopņu izveidē tiek izmantots automatizēts darbību komplekss, kurš izslēdz jebkādas kļūdas. Objekts var būt arī bez nesošām sienām, kas nodrošina izdevīgumu visam projektam. Jumta kopnes sniedz iespēju bez ierobežojumiem plānot vai arī pārplānot projektu jebkurā brīdī, savukārt pati jumta uzstādīšana ir vienkārša un skaidra.

Koka kopņu vispārīgais raksturojums

Kopnes ir viens no izplatītākajiem nesošo koka pārseguma konstrukciju veidiem. Parasti tās ir siju tipa kopnes, kas konstruētas un atbalstītas tā, ka vertikālās slodzes neizraisa balstbīdi. Koka kopņu konstruktīvie risinājumi ir būtiski atšķirīgi dažādiem laidumiem (7…36 m). Lai atrastu piemērotu kopnes risinājumu lieliem laidumiem vai smagiem slogojumā apstākļiem, lietderīgi apskatīt vairākus variantus tehniskā projekta līmenī, no kuriem izvēlas piemērotāko, ņemot vērā svarīgākos kritērijus konkrētam projekta risinājumam, piemēram, drošums ekspluatācijā, arhitektoniskās prasības, ilgtspējīga funkcionālā atbilstība, materiālu patēriņš, izgatavošanas iespējas un darbietilpība, montāžas elementu transportēšanas ierobežojumi, izmaksas, ugunsizturība un citi faktori.

Lai noteiktu labāko variantu koka kopnei, jāņem vērā galvenos faktorus:

• jumta seguma galvenais materiāls;
• jumta slīpums;
• griestu klātbūtne;
• saimniecības elementu savienojumu veidu iezīmes.

Aprēķinot koka kopnes augstumu, tiek izmantota formula, kas atbilst izvēlētajai formai:

• trīsstūra forma – 1/5 · L;
• taisnstūra forma ir 1/6 · L, kur L ir laidums.

Visbiežāk sastopamie koka kopņu veidi:

Koka jumtu kopņu priekšrocības:

• Elastība un daudzpusība. Koka kopnes ir ļoti daudzveidīgas un viegli savienojamas ar citām konstrukcijām, piemēram, tērauda sijām. Lielo laidumu iespējamība rada plašākas iespējas, kuras labprāt izmanto arhitekti un dizaineri.
• Ekoloģiski draudzīgs materiāls. Koksne savāc oglekli, bet dabā izdala skābekli. Salīdzinot ar citiem materiāliem, koks patērē mazāk enerģijas, kas samazina gaisa un ūdens piesārņojumu. Turklāt kokmateriāls ir vienīgais atjaunojamais celtniecības materiāls, kas palīdz nodrošināt ilgtspējīgu attīstību.
• Ekonomija. Vairumā gadījumu koka kopnes iespējams uzstādīt bez smagās būvniecības mašīnu palīdzības. Arī laiks, kas tiek patērēts koka jumta konstrukciju izgatavošanā, ir pārsteidzoši zems, tādējādi saīsinot būvniecības projekta termiņus. Runājot par darbu būvlaukumā – koka kopnes neveicina tik lielu atkritumu rašanos, kas būvniecības vietas uzkopšanu padara daudz ērtāku.
• Izturība un ilgtspēja. Precīza izgatavošana un nepārtraukta kvalitātes kontrole nodrošina, ka kopņu izmērs un forma atbilst projekta standartiem, nodrošinot ēkas strukturālo integritāti.
• Energoefektivitāte. Koka jumta konstrukcijām ir lieliskas siltuma īpašības, salīdzinot ar citiem materiāliem, piemēram, alumīniju vai tēraudu. Koks arī ir blīvs materiāls, kas rada labu izolāciju.
• Estētiskā brīvība. Koka kopņu risinājums sniedz neierobežotas dažādības iespējas, nodrošinot pasūtītājam rīcības brīvību, lai eksperimentētu ar platību, plānojumu un būves estētiskajām īpašībām.
• Ražošanas vienkāršība un automatizācija.
• Optimālais projektēšanas darba ātrums.
• Svara relatīvais vieglums (salīdzinot ar metāla konstrukcijām).
• Spēja izmantot lieliem laidumiem.
• Augsti tehnoloģiskie raksturlielumi un darbības rādītāji.
• I ugunsdrošības grupa (atbilstoša apstrāde rūpnīcā).

Kopnes konfigurācija

Kopnes shēmas un galveno ģeometrisko parametru izvēlē ir svarīgi apsvērt kopnes konfigurācijas atbilstību arhitektoniskām prasībām un tās izdevīgumu statiskā ziņā, izvēlēties pietiekamu kopnes augstumu un optimālu mezglu izvietojumu.

Biežāk pielietotā ir trijstūrveida kopne, kas atbilst tradicionālajam ēkas profilam. Bet statiskā ziņā tā nav izdevīga, jo piepūles elementos pie balsta ir ievērojami lielākas, kā pārējos joslu stieņos, un lielākas par analoga laiduma un slogojuma trapecveida vai poligonālās kopnes elementos. Tādējādi trijstūrveida kopne ieteicama līdz 18-20 m liela laiduma pārsegšanai. Laidums var būt arī lielāks pie nelielām slodzēm un/vai pielietojot līmēto koksni.

Divslīpņu jumtiem ieteicams veidot kopnes ar konsolēm, kas ir izdevīgākas gan no statikas apsvērumiem (palielinās leņķis a), gan konstruktīvā ziņā (vienkāršāk atrisināms balstmezgls), pie tam ir izveidota jumta pārkare.

Liela laiduma pārsegšanai pielieto trapecveida, paralēlo joslu, poligonālās un segmenttipa kopnes. Poligonālās kopnes augšjoslas mezgli ir izvietoti uz aploces vai parabolas ass, tādējādi pie vienmērīgi sadalītas vertikālās slodzes tiek panākts piepūļu vienmērīgs sadalījums pa joslas elementiem, arī piepūles atgāžņos ir nelielas un līdzīgas pēc absolūtām vērtībām. Segmenttipa kopnes izliektajiem augšjoslas elementiem ir ievērojami lielāka nestspēja liecē pie starpmezglu slodzes iedarbības.

Kopnes augstums un sagaidāmās deformācijas

Maksimālais attālums starp augšjoslas un apakšjoslas asīm jeb kopnes augstums ir galvenais ģeometriskais parametrs, kas nodrošina konstrukcijas stingumu, t.i., lai kopnes izliece paliktu pieļaujamās robežās. Tehniskā projekta līmenī kopnes augstumu h pieņem daļās no laiduma L: L/5…L/4 kopnēm ar padevīgiem mezglu savienojumiem un L/6…L/7 kopnēm ar stingākiem mezglu savienojumiem.

Var projektēt un būvēt arī mazāka augstuma kopnes, bet tādā gadījumā jāaprēķina kopnes galīgā izliece (jeb apakšjoslas punktu sagaidāmais pārvietojums), ko sastāda trīs komponentes:

• pārvietojums, ko izraisa kopnes elementu materiāla elastīgā darbība iekšējo spēku ietekmē;
• pārvietojums, ko izraisa savienotājlīdzekļu elastīgā darbība mezglos;
• pārvietojuma pieaugums šļūdes rezultātā ilgstošā slogojumā.

Kopnes pārvietojuma (izlieces) galīgo lielumu aprēķina no pastāvīgās un mainīgās (sniega) slodzes raksturvērtībām, ņemot vērā šļūdes efektus ekspluatācijas laikā ilgstošā slogojumā, saskaņā ar 5. Eirokodeksu:

kur

u_inst,g – elastīgais pārvietojums no pastāvīgās slodzes raksturvērtības;

u_inst.s – elastīgais pārvietojums no sniega slodzes raksturvērtības;

ψ₂ – mainīgās slodzes šķietami pastāvīgās vērtības koeficients;

k_def– šļūdes faktors.

Kopnes raksturīgā punkta pārvietojuma elastīgās komponentes (u_inst) tuvinātu vērtību aprēķina, izmantojot pārvietojumu teoriju. Kopnes elastīgo izlieci var aprēķināt ar jebkuru datorprogrammu, kas paredzēta stieņu sistēmu analīzei, ieejas datos faktiskos stieņu šķērsgriezuma laukumus aizvietojot ar to reducētajiem (jeb efektīvajiem) lielumiem (A_ef.i), ko aprēķina pēc formulas:

kur

n_si – kopējais nobīdes plakņu skaits elementa galos (visiem savienotājlīdzekļiem).

Lai nodrošinātu pārseguma kopnes funkcionālo atbilstību normālai ekspluatācijai, tās izliece jeb apakšjoslas pārvietojums vertikālā virzienā nedrīkst pārsniegt normatīvos noteikto lielumu:

kur

L – kopnes laidums,

n₀ – pārseguma konstrukcijas funkcionālais parametrs. Ja nav citu norādījumu var pieņemt n₀ = 300…350.

Pielietojamie materiāli un savienojumu veidi

Maza laiduma kopnēm izmanto skujkoku zāģmateriālus – dēļus vai brusas. Augšjoslām piemērota stiprības klase C22 un C24, stieptām apakšjoslām – C30, līmēto kopņu elementiem – Gl24h un G128h, kā arī smalkslāņu līmētā koksne LVL. Kopņu režģa stieņiem var izmantot zemākas stiprības klases materiālus. Elementu šķērsgriezuma forma un komplektācija (no viena, diviem vai trim dēļiem) atkarīga no izvēlētā savienojumu veida mezglos un iekšējo spēku lielumiem.

Neliela laiduma dēļu kopņu mezglos veido naglotos savienojumus vai zobotās perforētās plāksnes, bet trijstūrveida brusu kopnēm var veidot mezglus ar iecirtumiem, stieptajiem režģa statiem izmantojot tēraudu. Liela laiduma kopnēs elementu savienošanai mezglos parasti izmanto tapveida (skrūves, tapas) vai pretbīdņu tipa savienotājlīdzekļus.

Izvēloties savienotājlīdzekļus mezglos, jāņem vērā vairāki apsvērumi:

• izgatavošanas veids – specializētā cehā ar atbilstošu tehnoloģisko aprīkojumu, piemēram, perforēto zoboto plākšņu konstrukciju ražošana vai, piemēram, nagloto kopņu izgatavošana lokālā kokapstrādes cehā;
• savienotājlīdzekļu nestspējas atbilstība mezglā pārnesamo spēku lielumiem;
• savienotājlīdzekļu stingums – pretestība deformācijai slodzes ietekmē, par ko liecina nobīdes moduļa lielums;
• ekonomiskā efektivitāte pēc materiālu patēriņa;
• savienojuma ugunsdrošība – ieteicamāki savienojumi, kur tērauda savienotājlīdzekļi ir apslēpti, līdz ar to palielināsies konstrukcijas ugunsizturības robeža;
• savienojuma drošums un ilgizturība ekspluatācijā.

Joslas paneļa garums

Joslas posmu starp mezgliem sauc par paneli. Jo mazāk mezglu, jo efektīvāka kopne no izgatavošanas darbietilpības viedokļa, bet palielinās joslas paneļa garums. Uz koka kopņu augšjoslām slodze tiek pārnesta gan mezglu punktos, gan starp tiem. Līdz ar to augšjoslas elementu šķēlumos rodas gan ass spēki, gan lieces momenti un šķērspēki. Palielinoties paneļa garumam, pieaug lieces moments. Šai sakarā kopnēm no parastiem zāģmateriāliem ieteicams pieņemt paneļa garumu 1.5…2.5 m robežās.

Pielietojot līmēto koksni vai LVL materiālus, augšjoslas paneļa garumu var pieņemt lielāku – 5…6 m. Stieptās apakšjoslas paneļa garums var būt lielāks. Ja nav speciālu apsvērumu vai prasību, kopnes konstruēšanas laikā joslas sadala vienāda garuma posmos. Nereti samazina augšjoslas paneļa garumu pie balsta, lai samazinātu aksiālspēku balstatgāznī un atvieglotu mezgla risinājumu.

Kopņu solis

Kopņu skaits sistēmā lielā mērā nosaka kopējās izmaksas. No šī viedokļa – jo lielāks atstatums starp kopnēm jeb solis, jo mazākas izmaksas. Bet pie lielāka soļa palielinās arī slodzes uz katru kopni un to var pieļaut tikai zināmās robežās, atbilstoši kopnes tipam. Piemēram, kopnes ar perforētām zobotām plāksnēm projektē ar nelielu soli – 1.2…2 m, lai slodze uz katru kopni būtu mazāka un līdz ar to nelieli mezglos pārnesamie bīdes spēki. Naglotām dēļu un brusu kopnēm soli pieņem 2.5…3 m. Lielas nestspējas kopnēm no līmētiem elementiem soli pieņem 5…6 m.

Solis var būt arī lielāks, ja tiek pielietoti efektīvi kopturu vai pārseguma paneļu risinājumi (piemēram, ar šprengeli). Ja kopņu solis mazāks par atstatumu starp kolonnām, nepieciešamas nesošās konstrukcijas – sijas vai paralēlo joslu kopnes, uz ko atbalstīt jumta kopnes. Tādējādi, dažādu koka karkasu tehniski ekonomiskais novērtējums ir visai komplicēts un darbietilpīgs process, jo objektīvai salīdzināšanai nepieciešami dati par detāliem risinājumiem.

Montāžas elementi

Projektējot konstrukciju, jāņem vērā pieejamie ražoto būvproduktu izmēri un pieļaujamie transportējamo kravu gabarīti. Brusu un dēļu kopņu joslu elementu garums nedrīkst pārsniegt tirdzniecībā pieejamo zāģmateriālu garumu 6-6.5 m. Garākus kopņu joslu elementus veido ar šuvēm. Nepārtraukto joslu šuves parasti izvieto mezgla tuvumā (attālumā 0.2d₀ no mezgla).

Spiestās joslas elementu sadursavienojumā pieņem, ka aksiālspēks tiek pārnests elementu kontaktvirsmā (caur pieres plaknēm), un šuvi nosedz tikai ar fiksācijas uzliku, kas piestiprināta ar 3-4 skrūvēm katrā pusē. Stieptās joslas sadursavienojumā aksiālspēku pārnes savienotājlīdzekļi (skrūves, pretbīdņi utml.). Šāda savienojuma efektīvā nestspēja jāaprēķina un savienojums rūpīgi jāuzkonstruē, ievērojot pieļaujamos minimālos attālumus starp savienotājlīdzekļiem un līdz elementu galiem un malām. Sevišķi svarīgi pēc sadursavienojumā konstruēšanas pārbaudīt atlikušā (vājinātā) šķēluma stiprību.

Līmēto koka elementu standartgarums ir 12 m, bet ir iespējams izgatavot līdz 40 m garus no dēļiem līmētus elementus. Tāpēc līmētā koka kopņu joslās parasti šuves nav nepieciešamas. Šo kopņu montāžas elementu gabarītizmērus ierobežo transportēšanas nosacījumi. Šeit netiek minēti konkrēti lielumi, jo transportēšanas ceļi un nosacījumi var būt dažādi. Saskaņojot ar ceļu uzraudzības dienestiem, var organizēt arī speciālu nestandarta kravu transportēšanu ceļu atslodzes stundās. Projektējot liela laiduma kopnes, šie jautājumi jāapspriež un jāizpēta pirmsprojekta stadijā. Tad atbilstoši projektē kopni, kā vienu veselu vai sastāvošu no vairākiem montāžas elementiem.

Izmantotie informācijas avoti:

• Delfi Māja un dārzs. 25.03.2019. Koka kopnes pret jumta spārēm: kādas ir būtiskākās konstrukciju atšķirības. Interneta vietne Delfi. Iegūts no: https://www.delfi.lv/majadarzs/remonts/koka-kopnes-pret-jumta-sparem-kadas-ir-butiskakas-konstrukciju-atskiribas.d?id=50934711
• Freimanis. Kāpēc būvniecībā labāk izvēlēties koka kopnes? Interneta vietne Ekonomika. Iegūts no: https://www.ekonomika.lv/kapec-buvnieciba-labak-izveleties-koka-kopnes/
• Gamucci. 23.04.2020. Koka kopnes un pārējās jumta konstrukcijas Jūsu mājoklim. Iegūts no: http://gamucci.lv/2020/04/23/koka-kopnes-un-parejas-jumta-konstrukcijas-jusu-majoklim/
• Ozola, L. 2011. Koka būvkonstrukciju aplēse un konstruēšana. 2. daļa. Jelgava: LLU.
• Roof Designus Pro. Kopņu kopne – uzticams mājas jumta dizains. Iegūts no: https://roof.designuspro.com/lv/ustroistvo/stropila/fermy-stropilnye/
• Timber frame engineering council. 2020. Design Guide for Timber Roof Trusses. 72 pp.