Как рассчитать стропильную систему крыши

Скатная система кровли является наиболее популярной среди частных застройщиков. Наклонная поверхность обеспечивает эффективный отвод воды и снега, на ней не задерживается грязь и мусор. Вместе с тем эта конструкция имеет довольно сложное устройство. Главным условием ее устойчивости, прочности и долговечности является правильный расчет стропильной системы. Это процедура, для осуществления которой нужно иметь множество различных данных, касающихся свойств материала изготовления, формы крыши и климатических условий. Провести расчет стропил можно и самостоятельно. Для этого нет необходимости обращаться в проектную фирму, но времени потратить придется немало. Ошибки в ту или иную сторону чреваты катастрофическими последствиями для здания и риском для здоровья его жильцов.

Классификация нагрузок на стропильную систему

Самый простой по устройству двускатный каркас состоит из таких деталей:

• стропило — является основным элементом, на котором устанавливается утепление, гидроизоляция и обрешетка;
• мауэрлат — мощный брус, укладываемый на внешние стены в качестве упора для стропил;
• обрешетка — рейки, на которые укладывается кровельное покрытие;
• прогон — брус, обеспечивающий продольную устойчивость несущих фрагментов;
• лежень — принимает часть нагрузки от стоек на мауэрлат;
• стойка — вертикальные опоры перераспределяющие давление от стропил между лежнем и мауэрлатом;
• подкос — предназначен для подпорки стропильной ноги и предотвращения ее провисания под вертикальным давлением.

Чтобы правильно рассчитать стропила, необходимо ознакомиться с составляющими нагрузки, которая воздействует на любую крышу.

Классификация внешних факторов, влияющих на стропильные конструкции:

• Основные. Подразделяются на постоянные и длительные. К постоянным относится вес самого каркаса, утеплителя, гидроизолятора, мембраной пленки и крепежных приспособлений. Длительные — вес снега, который лежит на поверхностях более одного часа. Также, скаты испытывают нагрузки от стекающей по ней воды во время интенсивного ливня.
• Дополнительные. Здесь подразумевается влияние на конструкцию значительного объема льда, сильных порывов ветра и веса мастеров в процессе проведения монтажных и ремонтных работ.
• Форс-мажорные. Принимаются во внимание экстремальные факторы, длящиеся в течение краткого отрезка времени. К ним относится взрыв, ураган, землетрясение или оползень, возникновение пожара.

Для расчета стропильной системы двухскатной крыши берутся величины, максимально приближенные к предельным. Исходя из сопоставления полученных данных вычисляется сечение стропил, расчет шага стропил, устанавливается высота и наклон крыши.

Дом своими руками

Крыша, расчет и проект, часть 1

На дворе 2008 год, год когда я будто уже «научился кое-чему, что непременно должен был знать прежде чем начинать постройку», эти слова принадлежат Фридриху Ницше из замечательной книжки «По ту сторону добра и зла». Помятуя слова одного человека, менее известного чем наш друг Фридрих, но тем не менее точно подметившего про таких самостройщиков как я «…обычно делают мощный фундамент, на котором можно возвести многоэтажку, затем на этом фундаменте воздвигают дом со стенами «как у соседа», а венчает дом такая хлипкая крыша, что того и гляди, как бы не унесло ее ветром….», это слова запали в душу, и ведь правда, делают именно так, по многим причинам, но основных два, это исход энтузиазма и источение финансовой составляющей.

Ну, тогда давайте подробнее остановимся на типе крыши, что должна быть смонтирована, так вот крыша стропильная двускатная, с «висячими стропилами», они называются так потому что опора стропильных ног осуществляется только на боковые стены мансардного этажа. Как уже упоминал в этапе проекта мансардных стен, такие типы крыш характеризуют себя распирающими нагрузками на боковые стены мансарды, так как стропила упираются друг в друга в коньке, а нижними концами опираются на стену, вследствие этого выходит рычаг, что может легко опрокинуть навзничь стены дома, для того чтобы этого не происходило, устанавливается затяжка.

Читайте также:  Как сделать на даче своими руками крыльцо из металла

Расчетные силы висячих стропил

Если затяжка находится в самой нижней точке стопильной ноги, то распирающее усилие «ж» (рисунок выше) равно нулю. Но данный вид стропил не подходит нам так как он не сочетается со стенами мансардного этажа а подходит для полноразмерного этажа.

Наш вариант предусматривает установку затяжки выше по стропильной ноге, что обеспечивает совбодное пространство на мансардном этаже, но за это необходимо платить возникающими распорными усилиями, и чем выше находится затяжка, тем эти силы больше.

В нашем случае нормальная эксплуатация крыши предусматривает такую конструкцию, при которой…

…конструкция стропильной системы рассчитана на компенсацию сил «Е» воздействия на кровлю от снега, веса кровли, ветра, затяжкой, и упругостью стропил, недопускающих появления сил «Ж» до предельного состояния сопротивления боковых стен. В случае небольшой строительной высоты стропилы, затяжки, установленной излишне высоко, хлипких боковых стен, возможна (и нередка) ситуация когда боковые стены опрокидываются данным распирающим усилием.

В этом случае налицо неграмотный монтаж и расчет стропильной системы, спасти дом может только установка подпорки в коньковую балку, воспринимающую на себя силы «Е». При обдумаваниии данного, автор исходил и из худшей ситуации, он смонтировал коньковую балку, чтобы в случае проблем в нее можно было упереть подпорку.

План монтажа крыши начал серьезный и детальный, прежде всего, во времена фундамента, получил несколько советов от человека, если не изменяет память Александр Соломенник, от него я получил азы того что нужно знать и понимать при строительстве подобной крыши. Возможно читатель непосвященный уже не недоумевает, зачем такие трудности и выкрутасы с армопоясом и анкерами для крыши и консолей, прочев вышеизложенный материал.

Общее видение крыши у меня уже было в голове, но, этого мало, необходимо было все четко посчитать, до мелочей, чтобы не бегать и не искать в дальнейшем то что забыл на этапе планирования. Нужны были чертежи узлов и четкие размеры. Все это начиналось прорисоваться в автокаде. Вроде все хорошо, пока я не открыл один важный момент, считать виртуально гораздо сложнее чем по месту, чем нашел один замечательный выход из такой ситуации что практически намного упростил мою работу в дальнейшем так как ничего не было упущено. А дело вот в чем, прикидывая как то типа «…. доску тут приколотили, струбциной зажали, сверлим…..», и закрыв глаза, попытался представить как я это сделаю, и с ужасом понял что стоять то мне не на чем, я же не карлсон, тут леса нужны, тут ключ нужен, тут еще кое чего. Т.е. метод представления работ с репетицией оказался действительным (для меня по крайней мере), в смету сразу добавились пункты, (зато как я вспоминал потом это дело, когда все шло очень хорошо и гладко!).

жмем Далее….

• Назад
• Далее

Нагрузки, действующие на крышу и формулы их расчета

Сбор нагрузок на кровлю представляет собой процесс, в котором для получения условий задачи, необходим ряд исходных данных. Они рассчитываются экспериментально или берутся из статистики.

За основу берутся такие виды нагрузок:

Читайте также:  Энергосбережение в жилых многоквартирных домах

• Снеговые. Получаются из приложений к картам. Информация в таблицы вносится по усредненным результатам многолетних наблюдений. Для крыш с наклоном до 25º нагрузка составляет в пределах 80-560 кг/м² для снеговых районов I-VIII категорий с шагом 80. При крутизне скатов 30-55º вводится понижающий коэффициент 0,5-0,7.
• Ветровые. Эти данные также получают по справочным таблицам, заполненным по статистической информации. Расчет проводится в кгс/м² по климатическим зонам и типам местности. Нагрузка составляет 17-85 кгс/м² для местности типов I-VIII. Оказывает влияние на результат и высота здания. Чем больше оно возвышается над землей, тем больше коэффициент, который составляет 0,75-1,25 для домов 5-15 м.
• Вес кровли является одним из определяющих факторов и определяется в весе одного квадратного метра покрытия с учетом технологических накладок и швов. Удельный вес, а равно и давление материала составляет в кг/м²: мягкая черепица — 12, профнастил — 5, керамическая черепица — 50, шифер — 13, битум — 6, сланец — 45, фальц — 6. Общий вес определяется путем умножения удельного веса на общую площадь.
• Вес чернового настила и обрешётки. Основание для кровли особо не влияет на прочность каркаса и делается максимально легким, чтобы снизить расходы на материал и вес каркаса. В среднем вес обрешетки составляет 15-25 кг/м². Данный показатель определяется углом крыши и видом конструкции. В случае с решетчатой схемой он минимальный, а при сплошной основе — максимальный.
• Вес утеплителя. Наиболее распространенные сегодня пенопласт и пенополиуретан настолько легки, что принимаются в расчет, когда проектируются сложные конструкции для эксплуатации в сложных условиях, где имеет значение буквально каждый килограмм. Утепление весит в среднем 10-20 кг/м². Самым тяжелым, но и эффективным является базальтовая вата.
• Вес стропильной системы. Альтернативы древесине не существует, поэтому для сборки каркаса используется легкий и прочный брус из сосны и ели. Применение ценных пород древесины оправдывается только в условиях влажного климата, особенно в приморских районах страны. В зависимости от выбранного материала вес стропильной системы рассчитывается по нормативу 10-20 кг/м².
• Вес проводящих ремонт рабочих. Учитывая специфику монтажа или ремонта кровельного покрытия, одновременно на крыше может находиться не более четырех человек с каждого ската. При этом давление оказывается не только на всю поверхность, но и точечно — по отдельности на каждую опорную деталь. Поэтому нагрузка от строителей считается максимальной и рассчитывается в пределах 80-120 кг/м² в зависимости от комплекции ремонтника.
• Несущая способность материала зависит от таких факторов, как вид и сорт древесины, ее сечение (высота и ширина бруса), степень просушки и обработки специальными жидкостями.

Чтобы посчитать потребность материала и составить грамотный чертеж стропильной системы, нужно найти достоверные данные, обобщить их, а затем свести в единую формулу. При этом в проекте имеет значение каждый нюанс — угол кровли, частота установки, длина и толщина стропил.

Монтаж висячих стропил

После заливки армопояса и установки мауэрлата пришло время задуматься и о монтаже стропильной системы. Для монтажа элементов системы используется брус с сечением 200 на 50 мм (больше – можно, меньше – нет).

В случае использования элементов с меньшим сечением, возможно их провисание в процессе эксплуатации, что незамедлительно отразится на качестве крыши.

к оглавлению ^

Пошаговая инструкция монтажа

• Выполняем соединение бруса, предназначенного для монтажа стропил. Для этого формируем на стропильной ноге выемку, которая необходима для того, чтобы опора на мауэрлат элемента была максимально надежной.
• На второй ноге вырезаем такую же выемку.
• Помечаем ноги, чтобы потом не запутаться, какая из них правая, а какая левая.
• Монтируем стропила так, чтобы опора на мауэрлат обеих ног была одинаковой, и соединяем их вверху.
• При использовании соединения внахлест в верхней части стропильных ног делаем специальную выемку. Такой вид соединения считается более надежным, чем соединение, сформированное посредством гвоздей.
• Максимально крепкая опора ног стропильной конструкции на мауэрлат и формирование правильного и надежного верхнего соединения являются залогом того, что крыша полностью справится с возложенной на нее задачей.
• Все остальные стропильные фермы монтируем по тому же принципу.

Как и любой элемент кровельной конструкции, висячие стропила достаточно просто обустроить. Но при этом необходимо делать все правильно, ведь только в этом случае созданная вами крыша не разрушится от малейшего дуновения ветра.

Рекомендуем по

Расчет сечения стропильной ноги и затяжки

Проектируя каркас для крыши, в расчет берутся предельные нагрузки между началом деформации конструкции до ее полного разрушения. Большое значение для правильного расчета конфигурации остова крыши имеет ее тип и градус уклона. В каждом случае на покрытие действует сразу несколько сил.

Имеющиеся в СНИП таблицы следует применять для вычисления таких параметров скатной системы:

1. Небольшой угол уклона (покатая крыша). Когда он меньше 25º, на стропила больше действует сила тяжести панелей, утеплителя и самого каркаса. При этом ветровая нагрузка стремится поднять кровлю и оторвать ее от мауэрлата. При плоской конструкции допускается провисание не более 0,05%, а длина стропил должна быть минимальной. Достижение необходимой устойчивости осуществляется за счет уменьшения размера выноса и дополнительной фиксации к стенам дома.
2. Крутая крыша со сложной формой. Здесь давление на изгиб стропил оказывается минимальное, так как они располагаются под углом к горизонтальным конструкциям. Но сооружение испытывает намного большее давление от воздушных масс, которые стремятся ее опрокинуть. Так называемая парусность является основным врагом крыш с крутыми скатами.

Чтобы вычислить длину и сечение стропил в зависимости от пролета, необходимо воспользоваться такими таблицами:

• Толщина снегового покрова. С учетом изменений климата следует ориентироваться на максимальные исторические показатели. Взять нужную информацию можно в местном подразделении гидрометцентра или органе власти.
• Среднегодовая температура. Больше нужно обращать внимание на зимний период. Нельзя исключать возможность обильных осадков с последующим похолоданием. Такие явления приводят к образованию наледи и скоплению на крыше большого объема снега. Именно это чаще всего становится причиной разрушения стропил.
• Роза ветров. Воздушные потоки оказывают сильное отрывное или вертикальное воздействие на покрытие. Следует учитывать и направление ветра, чтобы придать крыше наиболее оптимальную с точки зрения аэродинамики конфигурацию и расположение относительно сторон света.
• Прочность (степень прогибаемости) древесины. В большинстве случаев используется ель и сосна. Лиственница и кедр более прочные, но намного тяжелее и дороже, поэтому практически не применяются. 1 сорт ели и сосны выдерживает нагрузку 140 кг/см², 2 сорт — 130 кг/см², а 3 сорт — 85 кг/см². Из этого можно понять, что экономить на материалах не стоит.
• Вес конструкционных материалов. Речь идет об обрешетке, утеплителе, гидроизоляции и мембране. Если делается мансарда, учитывается вес внутренней отделки потолка и стен, которые закрепляются на стропильной системе.

На основании сопоставления данных делаются расчеты потребности материалов и составляется смета обустройства кровли.

Смета будет зависеть от конфигурации кровли и материала кровельного покрытия

Данный документ состоит из следующих пунктов:

• мауэрлат;
• стропильные фермы;
• обрешетка;
• контробрешетка;
• лежни;
• стойки;
• опоры;
• стяжки;
• прогоны;
• подкосы;
• карнизные узлы свеса кровли, фронтонных выносов;
• сопряжения с трубами, дымоходами и вентиляционными каналами;
• конструкций под мансардные или вентиляционные окна;
• крепежные элементы.

Смету нужно рассчитывать с резервом 10-15% на ошибки, обрезки, потери при транспортировке, хранении, проведении грузоподъемных работ.

Использование висячих стропил

В сооружениях, не имеющих капитальных внутренних стен, рекомендуется установка висячих стропил. Толщина используемого пиломатериала для изготовления висячих стропил напрямую зависит от расстояния между стропильными фермами и длины пролета элементов.

При возведении стропильных конструкций этого типа следует учитывать вид кровельного покрытия, уклон кровли, а также ветровые и снеговые нагрузки, характерные для конкретной местности.

Читайте также:  Современные технологии при отделке деревянного дома

Самым тяжелым видом кровельного покрытия по праву считается черепичная кровля, поэтому при возведении для нее стропильных ферм необходимо, чтобы материал обладал достаточным сечением.

В принципе, оптимальным вариантом для возведения стропил любой конструкции считается сечение 50 на 150 мм. В среднем расстояние между ногами стропил примерно равняется 1 м.

На крышах, уклон которых превышает 45°, это расстояние может увеличиваться от 1,2 до 1,4 м, а для районов, характеризующихся значительными снеговыми нагрузками, оно, наоборот, уменьшается до 0,8–0,6м.

Висячие стропила представляют собой достаточно простую конструкцию. Такая стропильная ферма имеет треугольную форму и состоит из двух стропильных ног, которые упираются друг в друга и в затяжки.

Отличительной чертой этой конструкции считается то, что она является распорной, но при этом не передает на стеновые элементы распирающего воздействия, так как оно нейтрализуется затяжкой.

Такая конструкция направляет на несущие стены только вертикальное усилие, при этом горизонтальное воздействие у такой системы полностью отсутствует, что значительно упрощает монтаж опорных стеновых узлов.

Чаще всего наслонные и висячие стропила применяются для формирования двускатных крыш. Наслонные и висячие стропила отличаются особой простотой монтажа и не требуют наличия специальных знаний и навыков работы.

Несмотря на относительную простоту, проектировка висячих стропил требует внимательного подхода, так как все узлы и каждая опора, а также другие конструктивные элементы должны быть тщательно продуманы.

Опоры и узлы стропильной конструкции проектируются с обязательным учетом потенциальной нагрузки, которую они будут испытывать при эксплуатации.

к оглавлению ^

Учет климатической карты региона

Даже самые надежные материалы имеют определенный запас прочности. На стропила действуют силы различной направленности. С одной стороны, это вес всего сооружения за вычетом массы самих несущих деталей. К вертикальному давлению добавляются массы снега и рабочих, которые могут ремонтировать покрытие, устанавливать на крыше различные сооружения типа антенны, флюгера или флагштока. Здесь нужно обратиться к разделу климатических карт, которые касаются осадков.

С другой стороны, нельзя недооценивать влияние температуры на все элементы крыши. Как сильное охлаждение, так и нагрев, приводит к их деформации. Это становится причиной отклонений несущих конструкций от технологических осей, что существенно ослабляет их несущую способность. Способ решения проблемы — увеличить толщину стропил в соответствии с температурным разделом технологической карты.

Следует помнить о главной опасности для крыш большой площади — ветре. Информацию о направлении и скорости движения воздушных масс можно найти в каждом атласе, где по каждому региону есть подробная климатическая информация.

Строительные нормы

В соответствии с положениями СНИП II-26-76 шаг и сечение стропил определяют расчетом в зависимости от действующих нагрузок. Размер шага и форма стропил определяется по таблицам, изложенным в документе.

Состоит он из следующих разделов:

1. Общие положения.
2. Нормы и правила строительства (обязанности должностных лиц, принимающих участие в разработке и осуществлении проекта).
3. ГОСТы для строительства – правила проведения проектных работ, особенности строительства для каждого региона.
4. Правила выполнения, сдачи и приемки работ. Все необходимые к выполнению пункты.

Следуя требованиям, указанным в нормативном акте, можно составить проект, который ненамного будет уступать документу от профессионалов.

Примеры расчета наклонных систем

Основой прочности и надежности каркаса для кровли является правильное определение сечения и шага стропил. Следует учитывать и конфигурацию утеплителя. Для рулонных и плитных материалов оптимальным является расстояние, соответствующее их ширине. Для средней полосы России при длине ската 500 см и шаге стропила 60 см берется брус сечением 50×175 мм, а при увеличении интервала — 50×200 мм. Однако эти рекомендации относительны, следует заранее узнать все коэффициенты и применить их на практике.

Можно рассчитать параметры стропильной системы по формуле с заранее собранными данными:

1. Снеговая нагрузка: S расч = 199 кг/м²×1,4 = 278,6 кг/м².
2. Ветровая нагрузка: Wрасч = 28,02 кг/м²×1,4 = 39,23 кг/м².
3. Постоянная нагрузка: Gрасч = 53,11кг/м²×1,1 = 58,42 кг/м².

Остается ввести коэффициенты прочности крыши под углом 35 градусов с шагом стропил 900 мм из сосны I сорта, высотой до конька 7м с профнастилом в качестве кровельного материала. Результат будет такой: стропила сечением 125х200 мм.