В процессе проектирования и строительства жилого дома обязательно возникает вопрос о конфигурации и конструкции крыши. От конструкции крыши зависит не только набор материалов для ее монтажа, но и конструкция несущих стен, на которые эта крыша опирается. Поэтому расчет конструкции крыши является одним из самых важных при проектировании дома. Стропильные конструкции, несущие крыши совместно с обрешеткой, служат основным предметом расчета.
Можно отметить, исторически сложилось так, что конструкция стропил крыш была деревянной, вся терминология современных конструкций заимствована с того времени. В настоящее время, помимо деревянных, применяются металлические и железобетонные стропила, используемые, в большей степени, в строительстве промышленных зданий. В жилищном малоэтажном строительстве основным материалом остаются пиломатериалы.
Но и им присущ недостаток, заключающийся в ослаблении элементов конструкции в результате их сверления. В последнее время стала известной американская технология соединения элементов стропильных конструкций с помощью фасонных крепежных элементов и саморезов, выбор которых в магазинах, предлагающих строительные материалы, существенно расширился.
Обычно при строительстве жилого дома стропильные системы собираются на месте. В этом случае, несмотря на кажущуюся легкость работы с деревом, проведение этих работ сопряжено со многими трудностями. Поэтому к сборке и установке стропильных конструкций желательно привлечь бригаду опытных кровельщиков, имеющих большой опыт этой работы.
Железобетонные конструкции в жилищном строительстве широкого применения не имели в силу большого веса, сложности монтажа из-за необходимости применения грузоподъемной техники и отсутствия возможности применения индивидуальных строительных решений.
Появление новых технологий строительства повлекло за собой и изменения в подходе к изготовлению стропильных конструкций. В последнее время широко распространилась технология монтажа стропил из легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК), благодаря которой значительно снижаются затраты и сроки монтажа. Эта технология применима практически при всех видах строительства зданий любого назначения.
Преимущества стропильных систем
Несущими элементами в этом случае выступают конструкции из Z и С-образных стальных оцинкованных балок с перфорационными просечками, позволяющими уменьшить теплопроводность элемента почти вдвое. Стропильная конструкция изготавливается по разработанному проекту в заводских условиях и поставляется потребителю. К преимуществам подобных конструкций можно отнести такие качества, как:
- небольшой вес конструкции, что позволяет использовать в конструкции здания несущие стены с меньшей расчетной нагрузкой и меньшей материалоемкостью;
- сокращенные сроки возведения конструкций;
- точность изготовления и, соответственно, геометрических размеров стропильной конструкции;
- возможность монтажа в зимних условиях;
- отсутствие отходов и необходимости их утилизации;
- надежность и долговечность конструкции из ЛСТК;
- экологичность материала;
- низкие эксплуатационные расходы на содержание стропильных конструкций;
- эффективное теплосбережение благодаря применению в стропильной конструкции современных тепло- и гидроизоляционных материалов.
Крыша, а особенно ее каркас, во многом определяют как внешний вид самого дома, так и его жизненный срок, и состояние атмосферы внутренних помещений. Никому не доставит удовлетворения смотреть на крышу дома, прогнувшуюся в результате неправильного расчета нагрузок или покрытые грибком стены из-за постоянных протечек.
Поэтому, независимо от материала стропильной конструкции, деревянной или металлической, схема несущих конструкций требует тщательного подхода в их проектировании и не менее тщательного в монтаже.
Для строительства крыши сегодня используются самые разные варианты стропильных систем. Но, невзирая на все многообразие их видов, в основе каждой лежат одинаковые требования, которые необходимо соблюдать для того, чтобы крыша получилась прочной. При самостоятельном создании кровли не помешает знать особенности конструкции самых популярных систем.
Общие сведения о стропильных системах
Стропильная система является каркасом кровли, опирающимся на несущие конструкции строения и служащим основой для утеплительных, гидроизоляционных и кровельных материалов.
Тип конструкции и размеры стропильных систем зависят от:
- размеров здания;
- материала стропильной фермы;
- кровельного материала (главным образом, от его удельного веса);
- нагрузок на кровлю в виде снега и ветра, характерных для региона;
- предпочтений, касающихся формы кровли.
Каждый из данных факторов имеет значение для решения того, какие виды стропильной системы лучше всего подходят для конкретной ситуации.
Материалы для стропильных систем
Самым распространенным материалом для создания стропильных систем является дерево. Обычно используют брус 150 на150 миллиметров или доски 50 на150 миллиметров. Но если необходимо усилить конструкцию, используют более толстый брус, а доски соединяют друг с другом. Разумеется, все это относится только к частным домам, при строительстве многоэтажек и промышленных зданий применяют другие технологии.
Стропила 150х150 делают из бруса, обычно соснового. Лучше всего использовать вылежавшийся брус, который не изменяет своей формы после создания кровли, и тогда конструкция получится более устойчивой.
Также применяются стропила 50х150 – их производят из досок. используются только для создания крыш частных зданий, в случае с многоэтажными зданиями и промышленными зданиями используют металлические элементы.
Стропила 50 150 приходится сшивать, чтобы придать им нужную прочность.
Перед установкой стропила из дерева обязательно обрабатывают антибактериальными и противопожарными средствами. Антибактериальная пропитка предотвращает гниение, если элементы будут находиться во влажной среде (к примеру, под влиянием внутри кровельного конденсата). Противопожарная обработка уменьшает горючесть древесины.
Никаких трудностей с обработкой стропил в настоящее время не возникает. На рынке представлен большой выбор антипиретиков и антисептиков. Также можно использовать препараты для комплексной защиты древесины. Дерево лучше обрабатывать кистью – распыление средства не позволяет добиться хорошей степени пропитки. Независимо от того, какие будут использоваться виды стропил, их можно усилить дополнительными металлическими элементами.
Стойки из металлического профиля чаще всего устанавливают под коньковыми прогонами для создания опоры – именно они наиболее подвержены нагрузкам. Однако стальные стропила нуждаются в более серьезном утеплении кровли, поскольку металл хорошо проводит холод.
Независимо от материала, из которого произведены стропила, систему собирают таким образом, чтобы ее конструкция была достаточно жесткой. По этой причине большинство видов имеют треугольную форму – именно такая геометрическая фигура позволяет создавать наибольшую жесткость.
Стропильные системы могут быть наслонными (наклонными) или висячими.
Висячая стропильная система
Выносные стропила (висячие) обладают лишь двумя точками опоры для каждой из пар стропильных ног. Такими точками опоры обычно являются несущие стены дома. В данном случае стропильные ноги работают и на изгиб, и на сжатие. Они должны опираться не непосредственно на стены, а на мауэрлат - это толстый опорный брус из дерева или конструкция из скрепленных между собой досок, крепко закрепленный на торце несущих стен.
Стропильные ноги крепят к мауэрлату при помощи врубки. Стропило также фиксируется дополнительно – кронштейном или скобой. Конструкция системы обеспечивает распирающее усилие, передающееся стеновому ограждению. Самым распространенным способом компенсации распирания является создание затяжки, соединяющей каждую пару стропил в нижней части. Обычно затяжку ставят в самом низу, в этом случае она является еще и перекрытием. Если же затяжка расположена выше, она должна быть более мощной, поскольку нагрузка на нее значительно возрастает. Помимо того, что этот элемент компенсирует распирающее усилие, она еще и не позволяет разъезжаться стропильным ногам.
Процесс крепления стропил на односкатной крыше:
Наслонная стропильная система
Наклонные стропила (наслонные) требуют наличия средней несущей стены в строении.
Наслонные стропила имеют такие характерные признаки:
- Опорой для наслонных стропил служат стены строений, а их средняя часть удерживается внутренними столбчатыми опорами или средней несущей стеной.
- Элементы наслонной системы могут работать исключительно на изгиб, нагрузке на сжатие они не подвергаются. Благодаря этому для стропил подобного типа можно применять более тонкие детали, и система получается легкой. Таким образом, наслонная система позволяет неплохо сэкономить на пиломатериалах.
- Если здание имеет сложную конструкцию, при создании кровли можно чередовать типы стропильных систем. Там, где нет опоры, устанавливают , а там, где имеется опора или средняя несущая стена – наклонные.
Вальмовая стропильная система
Четырехскатная вальмовая кровля требует создания особой системы стропил. Из-за сложной геометрии такой кровли стропила должны выполнять различное предназначение, поэтому они бывают следующих видов.
Диагональные стропила (накосные) формируют ребра крыши, соединяя углы постройки с торцами конькового бруса. Накосные стропила самые длинные, и должны обладать большой прочностью, поскольку они подвергаются основной нагрузке.
Центральные (рядовые) стропила соединяют мауэрлат с коньковым брусом по бокам скатов. Такие стропила устанавливаются параллельно.
Качество крыши зависит вовсе не от выбора кровельного материала. Главное в ней находится под красивой черепицей или практичным профлистом. Это основа основ, скелет крыши и узел проблемы – система стропил и обрешетка. Именно стропильная система крыши служит основой для кровли и определяет срок ее службы. А от качества исполнения стропильной конструкции зависит благополучие хозяев дома. Поэтому при строительстве крыши особое внимание должно уделяться операции возведения стропил. И чтобы эта операция прошла успешно, придется некоторое время уделить изучению принципов «работы» стропильной системы.
Итак, стропилами называют конструктивные элементы, передающие нагрузки от атмосферных воздействий и веса крыши на стены и внутренние подпорки (если таковые имеются).
Стропила бывают:
- деревянные;
- стальные;
- смешанные.
Чаще всего используются деревянные стропила. Соединение стропил выполняют встык или внахлест.
Главное требование, которое предъявляется к стропильным конструкциям, – способность выдерживать определенные нагрузки.
Нагрузки и воздействия на крышу бывают следующими:
- атмосферные осадки;
- ветер;
- колебания температуры;
- водяной пар;
- насекомые и микроорганизмы.
Что касается атмосферных нагрузок, то дождь и сосульки – проблема не несущих конструкций, а кровли. А вот выдерживать тяжесть снега должна в первую очередь стропильная система. Поэтому в районах, где зимой бывают обильные снегопады, уменьшают расстояние между стропилами и делают крыши с крутыми – более 30 градусов – скатами.
Серьезный враг крыши – ветер. Встречая на своем пути здание, ветер обходит его, образуя тем самым участки положительного и отрицательного давления вблизи стен постройки. Отрывающей силы ветра может хватить для отрыва части кровли, образования вздутий и т.п. Чтобы минимизировать риск повреждения, основание крыши делают герметичным, а кровлю дополнительно крепят к основанию.
Могут повредить крышу и температурные колебания. Как известно, все стройматериалы подвержены растяжению и сжатию. Чтобы избежать деформаций и разрушения крыши, все материалы, входящие в ее конструкцию, должны иметь примерно равные коэффициенты температурного расширения.
Внутри любого здания скапливается водяной пар. Он оказывает крайне отрицательное влияние и на деревянные, и на металлические элементы крыши. Для частичного решения проблемы используют специальную пароизоляционную пленку.
Чтобы защитить деревянные конструкции от насекомых и микроорганизмов, применяют специальные пропитки.
Вывод: стропильная система должна обеспечивать сопротивление определенным механическим нагрузкам. Исходя из этого требования подбирают шаг стропил или расстояние между стропильными ногами. Обычно это расстояние составляет 0,3-1 м.
Виды стропильных систем
Существуют следующие виды стропильных систем:
- с висячими стропилами;
- с наклонными стропилами.
Два вида стропильных систем
Стропильная система с висячими стропилами
Висячие стропила имеют две точки опоры, расположенные на стенах здания. Стропильные ноги такой конструкции подвергаются сжатию и изгибу, стенам же передается горизонтальное распирающее усилие. Для уменьшения этого усилия выполняют деревянную или металлическую затяжку, соединяющую стропильные ноги. Ее располагают у основания стропил или немного выше. Первый вариант используют в основном при строительстве мансард – затяжкой в данном случае служит балка перекрытия.
Стропильная система с наслонными стропилами
Наслонные стропила используются при строительстве крыш зданий с центральной несущей стеной или столбчатыми опорами. Стропильные ноги такой системы опираются на стены здания, а средняя ее часть – на несущую стену или опоры.
Важно: чем круче наклон крыши, тем меньшим должен быть шаг стропильных ног при устройстве кровли.
Стропильные конструкции скатных крыш
Крыши бывают:
- односкатные;
- двухскатные;
- четырехскатные или вальмовые;
- полувальмовые;
- шатровые;
- многощипцовые.
Виды крыш
Односкатные крыши в строительстве жилых домов применяются крайне редко. Такую форму чаще всего имеют крыши хозпостроек, веранд, террас и т.п. Односкатную кровлю монтируют на стенах различной высоты. При этом скат делают с наветренной стороны. Такая кровля может покрывать все здание целиком, а может входить в состав сложной крыши. Например, с одной из сторон дома расположен гараж, который накрывают односкатной крышей. При устройстве односкатной кровли используют систему с наслонными стропилами.
Самая распространенная форма крыш дачных домов и небольших коттеджей, размеры которых не превышают 6×6 м, – двухскатная. Скаты в этом случае образуют две наклонные плоскости и два фронтона. Такая конструкция стропильной системы позволяет использовать легкие кровельные материалы. Еще одно ее преимущество – простота монтажа. В основе двухскатной кровли может лежать как система с наслонными стропилами, так и с висячими.
Крыши, состоящие из двух трапециевидных и соединенных с ними двух треугольных скатов (вальм), называются четырехскатными или вальмовыми. Такие крыши наряду с шатровыми считаются самыми сложными вариантами. Их целесообразно использовать в местностях, где ветровая нагрузка очень высока.
У полувальмовых крыш (их еще называют датскими) вальмы занимают неполную высоту. Полувальмовая крыша – по сути модифицированная двухскатная.
Если крыша образована из нескольких сходящихся в одной точке треугольников, ее называют шатровой. Такие конструкции крыш стропильные системы имеют весьма замысловатые, но количество используемых материалов в них невелико.
Многощипцовые крыши имеют довольно сложную конфигурацию. Их образуют множество ребер и примыканий. Под кровлей многощипцовых крыш обычно устраивают жилые мансарды. А поскольку любой мансарде требуется дополнительное утепление, данный пункт учитывают в расчетах. Стропила либо закрывают отделочными материалами, либо оставляют на виду. В последнем случае они несут еще и декоративную нагрузку, а потому требуют выбора материала с хорошими интерьерными качествами.
Достоинства многощипцовых конструкций:
- красивый внешний вид;
- возможность покрыть сразу несколько помещений.
Недостаток: высокая трудоемкость работ.
Узлы стропильной системы
Тип, конструкцию и узлы стропильной системы определяют исходя из следующих факторов:
- форма кровли;
- площадь, которую требуется перекрыть;
- наличие несущих стен и внутренних опор, а также их расположение.
Рассмотрим ряд схем стандартных двухскатных крыш зданий с различным расстоянием между несущими стенами.
Узлы крепления стропил
Если это расстояние не превышает 6 м, рекомендуется выполнить систему с наслонными стропилами. При этом стропильные ноги должны опираться на мауэрлат (опорный брус), расположенный по всему периметру здания. Такие стропильные конструкции скатных крыш позволяют намного снизить расход пиломатериалов.
Если расстояние между несущими стенами составляет от 6 до 8 м, следует связать ригелем противоположные стропила.
Еще один вариант использования системы с наслонными стропилами – применение промежуточных стоек, опирающихся на несущие стены или столбы. Применение такой конструкции позволяет перекрывать до 12 м при установке одной опоры и до 16 м при установке двух опор.
Если внутренние опоры отсутствуют, и расстояние между несущими составляет до 12 метров, следует использовать систему с висячими стропилами.
В стропильную систему входят следующие узлы:
- конька;
- опоры стропил;
- «стойка-подкос-стропило»;
- «подкосы-стойка-балка».
После выбора конструктивного решения и расчета основных узлов составляют план стропил – систему обозначений элементов крыши.
Крыша является важнейшей частью дома. Она определяет как его внешний (архитектурный) облик, так и эксплуатационные качества. Различные виды стропильной системы позволяют реализовать практически любой вариант конструктивного исполнения крыши, наиболее полно удовлетворяющий требованиям застройщика.
Требования, предъявляемые к стропильной системе
В течение срока эксплуатации на крышу воздействуют различные факторы, наиболее значимыми из которых являются:
- снеговые осадки;
- ветер;
- сезонные колебания температуры.
Наиболее распространенным материалом для изготовления деталей и узлов стропильных конструкций является дерево. При проектировании необходимо учитывать возможность поражения строительного материала насекомыми и микроорганизмами в процессе эксплуатации. Устранить влияние биоповреждений помогут пропитка деревянных деталей растворами антисептиков и использование конструктивных мер для создания благоприятных условий эксплуатации.
К конструктивным мерам можно отнести:
- использование пароизоляции со стороны чердачного пространства;
- недопустимость прямого контакта деревянных деталей с каменной кладкой или массивными металлическими элементами;
- обеспечение качественного гидроизоляционного кровельного ковра.
Воздействие снеговой нагрузки компенсируется на этапе проектирования путем подбора требуемых сечений конструктивных элементов. В климатических районах со значительным уровнем снегового покрова рекомендуется уменьшать расстояние между стропильными балками и увеличивать угол наклона крыши.
Увеличение угла наклона, в свою очередь, может привести к увеличению парусности крыши. В местностях, характеризующихся наличием сильных и продолжительных ветров, этот фактор может привести как к локальным разрушениям кровельного ковра, так и к более масштабным разрушениям.
Под воздействием сезонных колебаний температуры строительные материалы, из которых выполнены крыша и поддерживающая конструкция, будут расширяться или сжиматься. Степень температурных деформаций характеризуется коэффициентом температурного расширения. Соответственно, различные материалы под воздействием сезонных колебаний температуры будут деформироваться в разной степени.
При неблагоприятном стечении обстоятельств возможно нарушение целостности кровельного покрытия или даже возникновение трещин в несущих элементах стропильной конструкции. Оптимальным вариантом является подбор материалов, обладающих приблизительно одинаковым значением температурных деформаций.
Элементы стропильной конструкции
Стропильная система, поддерживающая крышу, состоит из нескольких элементов:
- стропильная балка;
- мауэрлат;
- затяжка;
- ригель;
- коньковый брус;
- подкос;
- стойка;
- лежни.
Стропильная балка является основным элементом системы. На нее производится крепление обрешетки для устройства кровли. Чаще всего в качестве стропил используются деревянные брусья или толстые доски.
Мауэрлат представляет собой брус, закрепленный по верхнему краю стены и служащий для закрепления нижнего края стропил и передачи нагрузки на стены. При строительстве каркасного дома или сруба роль мауэрлата будет исполнять верхняя обвязка или верхний венец, соответственно.
Дополнительно для компенсации распирающей нагрузки, передающейся на стены, используются стягивающие балки. Они могут быть верхнего расположения (ригель) и нижнего (затяжки). Очень часто затяжки одновременно выполняют функцию межэтажного перекрытия.
При значительных нагрузках на крышу для придания ей дополнительной несущей способности верхние концы стропильных ног дополнительно усиливаются коньковым брусом.
Значительные размеры перекрываемого пролета приводят к необходимости использования дополнительных подпорок. Под коньковый брус устанавливаются вертикальные стойки. Для усиления стропильных ног могут быть использованы подкосы, которые врубаются одним концом в стойку или затяжку, другим – в стропило. Врубка подкоса допускается под любым углом, однако наиболее часто используемым является угол в 90°.
Перпендикулярно к затяжкам могут быть установлены лежни – балки, служащие опорой для вертикальных стоек. В некоторых случаях лежни могут быть использованы в качестве основания для подкосов.
На практике при проектировании и строительстве зданий используется два основных вида стропильных систем: висячие и наслонные.
Висячие стропила: особенности
Конструкция кровли, использующая , применяется для перекрытия пролетов длиной до 6 м. При такой конструкции нижняя часть стропил опирается только на внешние стены, верхние же части опираются друг на друга.
В самом простом случае такая система представляет собой две балки, скрепленные верхними концами. В нижней своей части балки опираются на мауэрлат. За такую простоту конструкции приходится платить большими величинами распирающих нагрузок, которые стропила будут оказывать на стены. Компенсировать нагрузки можно за счет установки ригелей и затяжек.
Для перекрытия пролетов, длина которых превышает 6 м, необходима установка дополнительных вертикальных стоек и подкосов, опирающихся на лежни. Длина участка стропил между мауэрлатом и врубкой подкоса в этом случае не должна превышать 4-4,5м.
Дополнительные подстропильные конструкции неизбежно приведут к увеличению веса всей стропильной системы. При значительном увеличении веса могут возникнуть проблемы, связанные с несущей способностью фундамента или конструктивной прочностью отдельных элементов здания. В результате придется использовать более легкие кровельные материалы, чем предполагалось ранее. Это может быть весьма затруднительно.
Наслонные стропила: характеристики
Наслонные стропильные системы отличаются от висячих наличием промежуточных точек опор, в качестве которых могут использоваться внутренние капитальные стены или колонны. Таким образом, имеют место как минимум три точки опоры – две внешние стены и одна внутренняя стена или колонна.
Применение промежуточных точек опор позволяет уменьшить фактическую длину перекрываемого пролета и уменьшить сечение конструкционных балок.
Важным моментом, который необходимо учитывать при проектировании наслонной системы, является обратная зависимость угла ската крыши и шага стропильных ног. Другими словами, чем больше крутизна крыши, тем чаще необходимо устанавливать стропильные балки.
Комбинированная стропильная система
Перекрытие значительных по длине пролетов требует использования стропильных ферм.
Схема монтажа стропильной системы: А – узел крепления стропил к мауэрлату; крепления кобылок; Б – общий вид правильно выполненных стропил; В – растяжка и подкос; Г – правильное крепление конька; Д – крепление к подкосу; Е – стропила в сборке.
Такие фермы используют в своей конструкции характерные элементы обеих систем и являются комбинированной стропильной системой.
Наиболее часто такая система используется для изготовления крыш так называемого мансардного типа. Стены помещения на втором этаже будут образовываться вертикальными стойками, одновременно являющимися промежуточными точками опоры для стропильных балок.
Горизонтальные брусья, пущенные по верху стоек (прогоны), будут одновременно выполнять функции конькового бруса для боковых скатов кровли и мауэрлата для верхних скатов.
Часть стропильной фермы, соединяющая верхние концы стоек, выполняет функцию ригеля для боковых скатов и одновременно является затяжкой для верхней части фермы.
Дополнительно для усиления прочности конструкции могут устанавливаться подкосы, скрепляющие вертикальные стойки и стропила боковых скатов кровли.
Комбинированная стропильная ферма несколько сложнее в изготовлении, чем традиционные виды стропильных систем. Однако трудоемкость и сложность изготовления с лихвой компенсируются отсутствием необходимости в дополнительных опорах при перекрытии больших пролетов и увеличении несущей способности кровли.
