Особенности расчета стропильной системы

Особенности расчета стропильной системы

Одна из важнейших частей скатной крыши — это стропильная система, состоящая из прочных и надежных балок. Именно стропила являются основанием для кровли. При этом важно, чтобы используемые материалы могли легко выдерживать не только кровельную конструкцию, но и давление снежных или ледяных масс в зимний период, а также ветровые нагрузки в течение всего года. В связи с этим, прежде чем приступить к установке стропил, следует произвести необходимые расчеты, учитывая все возможные факторы и нюансы. Конечно, заказать просчет стропил можно в различных строительных компаниях, однако, подобная услуга обойдется в довольно приличную сумму, поэтому оптимальным вариантом может стать самостоятельный расчет. Итак, как рассчитать стропильную систему крыши правильно? Разумеется, прежде чем перейти к главному вопросу, стоит изучить особенности стропил и разновидности конструкции.

С чего начать расчет конструкции?

Общеизвестный метод основан на подборе конструктивных особенностей крыши и размера балок, исходя из заданной нагрузки. Такой способ не совсем практичен и удобен в свете современных реалий. Мы предлагаем произвести расчет, основываясь на других данных, а именно:

1. Рекомендации к конструктивным особенностям кровли. Прежде всего это такие аспекты, как характер помещения для мансарды (жилой или нежилой), схема размещения окон мансарды, присутствие чердака и его функциональное назначение.
2. Заданные габариты всего здания, либо граничные требования к ним. Большинство частных зданий возводится в уже заселенной, довольно плотно застроенной местности, что необходимо учесть при составлении проекта. Размер земельных угодий и пожелания будущих соседей по поводу освещенности их домов также влияют на расчеты.
3. Стандартизация. Система стропил состоит из множества деталей. Нужно стараться унифицировать их, сводя как можно большее число изделий к единообразию, с учетом размеров доступных сырьевых материалов.

Таблица зависимости шага от толщины

Создание эскиза стропильной системы кровли

Создать эскиз весьма непросто и требует затрат времени и сил. Тем не менее этот процесс представляется важной основополагающей стадией работы. Когда становятся ясны функциональные особенности стропильной системы, дальнейшее выполнение проекта значительно облегчается. На стадии изготовления эскиза определяются приближенные данные о габаритах различных деталей конструкции. Основная из них — стропильная ферма. На ее параметрах и строится процесс проектирования. Кроме того, важное значение имеют такие данные, как:

• Расстояние между несущими стенами. Очень хорошо, если опорные точки стропил, удерживающие и передающие вес, будут расположены на осях несущих конструкций. Расстояние от центра кровли до стены на горизонтальной проекции называют полупролетом.
• Расстояние от высшей точки крыши до перекрытия на вертикальной проекции. Данный размер зависит от желаемой высоты внутренних помещений (мансарды, чердака).

Сегодня чаще всего используются крыши с прямым или ломаным скатом. Тип ската значительно видоизменяет расчеты, потому мы предлагаем отдельные методики для каждого типа. Поскольку, так или иначе, крыша имеет форму треугольника, расчеты базируются на теореме Пифагора. Теперь уже мы можем с достаточной точностью вычислить поверхность скатов и узнать необходимое количество сырья для крыши и обрешетки. Проще всего это сделать с помощью одного из интернет-ресурсов, предлагающих произвести данные вычисления.

Таблица зависимости ширины пролета и толщины стропил

Расчеты стропильной системы при прямом равностороннем скате

Вносим в эскиз параметры перекрытия (в любой конструкции подобного типа имеется деревянное перекрытие) или размещение несущих стен с учетом масштаба. После этого соединяем конек со стенами, учитывая желаемый вылет кровли. Умножив длину полученных отрезков на масштаб, можно получить размер стропильной ноги.

Размещаем ригель в зависимости от планировки внутреннего помещения и узнаем его длину. Вычерчиваем упоры, откосы и вертикальные стойки. Длина пролетов не может превышать 200 см, а в стропилах необходимо предусмотреть внутренний подкос. Размеры должны соответствовать принятым нормам и правилам, рекомендуемых в соответствующей литературе, но вполне допустимы небольшие погрешности. Ориентируясь на соотношение катетов и гипотенузы рассчитываем габариты фермы. Прочие параметры берутся с чертежа с учетом масштаба. Основная цель — выяснить габариты всех деталей.

Расчеты стропильной системы при ломаном скате

Подобный вид крыши используется при возведении мансарды или дополнительного жилого этажа в существующей постройке. Он обладает некоторыми отличительными свойствами — в месте стыка скатов необходимо организовать несколько вертикальных стоек, а подстропильную затяжку размещают как в верхней части данных стоек, так и под коньком. Стойки и затяжка являются основой для возведения стен и потолка мансарды.

Аналогично прямому равномерному скату вычерчиваем основные детали конструкции — стены, перекрытия, после этого стойки и подстропильную затяжку, и проводим соединительные отрезки. Они достаточно точно соответствуют форме излома ската.

Проведя измерения и расчеты, складываем размеры составляющих фермы и добавляем к получившемуся значению 10%. Итоговое число является общей длиной конструкции одной фермы.

Выбор сечения стропил и стандартизация

Сечение деталей подбирается, исходя из пролета. В качестве сырья применяют, в основном, брус и доски. При использовании доски готовая конструкция имеет большую надежность. Пролеты между опорами не должны превышать 6 м.

Совет. Рекомендуется прокладывать дощечки в 2,5 см с шагом 30-40 см в стык досок вертикальной опоры. Таким образом можно значительно увеличить надежность и устойчивость конструкции.

Когда становится известно сечение доски, не сложно рассчитать объём одной фермы. Для этого необходимо умножить ОДК1 на площадь сечения доски. Итоговое значение используется для вычисления всего объема конструкции.

Шаг стропил мансарды связан с толщиной и конструктивными особенностями ферм. Поделив размер продольной стены на шаг, получаем необходимое число ферм. Для вычисления длины фермы необходимо умножить его на ОДК-1, а объема — на ОФ1.

Расчёт горизонтальной обвязки стропильной системы

Когда перекрытия в здании изготавливают из древесины, мауэрлат входит в систему стропил. Мы предлагаем расчет для домов со стенами из камня. Вертикальные стойки, подкосы и прогоны уже рассчитаны, нужно рассчитать лишь мауэрлат. В вычислениях нет ничего сложного, обвязка должна быть толще стропильной ноги, как минимум, вдвое. Если известно, что вес конструкции крыши (с учетом веса обрешетки и снежного слоя) чересчур велик, надо использовать для устройства мауэрлата 3 ряда досок.

Чтобы подсчитать объем обвязки, необходимо умножить длину несущей стены на поперечную площадь доски и на количество рядов. Многослойные конструкции более надежны и долговечны.

Расчет общего количества требуемых материалов

Необходимо суммировать объемы всех элементов, рассчитанные ранее, и добавить 20% на отходы и обрезку. Количество необходимого крепежа и других метизов рассчитать затруднительно. Рекомендуется закупать их с запасом.

Примечание. Все данные и формулы соответствуют принятым нормам и стандартам.

Хотя данный расчет может показаться на первый взгляд чересчур упрощенным и ориентировочным, его результаты ничуть не хуже данных, полученных при использовании популярных онлайн-программ. Выбор методики, в любом случае, осуществляется проектировщиком.

Стандартная и ломаная двухскатная крыша

Проект стандартной двускатной стропильной системы представляет собой две наклонные плоскости прямоугольной формы и ровные вертикальные торцы по бокам, называемые фронтонами. Такая крыша – одна из самых простых конструкций, со строительством которой успешно справляются даже малоопытные специалисты.

А вот ломаная двускатная крыша имеет уже другую архитектуру. Здесь верхняя более пологая крыша обычно строится с углом наклона 30°, а нижняя крутая – с наклоном 60°.

Ломаная двускатная крыша хороша тем, что на ней почти не задерживается снег и наледь, а вот мансардное помещение оказываются куда удобнее и уютнее. Причем в нижней плоскости такой крыши рационально делать мансардные окна, которые на более пологих плоскостях обычно становятся проблемой протечек и сырости – на них дольше задерживается дождевая вода.

Отметим, что ломаная стропильная система один из самых лучших вариантов для зданий шириной 6-8 м. Причем ломаный профиль вам будет легче собрать – для этого нужно всего лишь смонтировать прямо на земле нужные узлы, а все стойки и стропила просто обрезаем по шаблону:

Особенности расчёта нагрузки

Нагрузка на стропила подразделяется на постоянную, переменную и особую. Первая – статичная: влияние оказывают общий вес крыши, включая обрешётку и утеплитель, конструкцию и разновидность кровельного настила, крепёж и водосборный сток по периметру здания. Усреднённое значение – порядка 50 кг/м2. Вторая – действие ветра и осадков, здесь рассчитывается парусность и сила тяжести дождевой воды, снега или града. Третья – землетрясение: какой бы магнитуды оно ни оказалось, тряска как минимум до нескольких баллов по шкале Рихтера не должна разворотить крышу, стены и фундамент строения. Облегчая задачу общего подсчёта нагруженности при всех этих дестабилизирующих факторах, к статичной и погодной нагрузке легко прибавить, скажем, 10-30% добавочного запаса прочности. Для большинства стройматериалов нагрузка не должна превышать 50 кг/м2.

Если дом строится «на века», для будущих поколений, как раньше делали многие владельцы землевладений, то прочность заранее просчитывается ещё на этапе закладки фундамента.

Так, для снега – при северной застройке, где его выпадает довольно много – дополнительная нагрузка достигает 320 кг/м2, по СНиПу. Это число значительно увеличивается и для ветровой нагрузки – предположим, крышу замело 30-сантиметровым слоем, снег слежался и уплотнился до 10-15 см, после чего поднялся ураган. Коэффициент ветронагрузки также указан в СНиПе №2.01.07-85. Для мансардных крыш расчёт снегонагрузки не важен – снег сдувается с крутых скатов сразу же при его выпадении; накопление его слоя происходит лишь на верхних скатах четырехскатной крыши.

Высоко поднятая верхушка шатровой кровли беседки, образуя внушительный конус, учитывает лишь парусность при ветре – снеговая нагрузка здесь крайне мала.

Особого подхода требуют так называемые вальмовые крыши. В такой конструкции две основные – фронтальная и задняя части – равны и имеют вид трапеций, характеризуются меньшим углом наклона, например, не более 30 градусов. Боковые – треугольные – по сравнению с основными задраны на больший угол, к примеру, 45 градусов, и также равны между собой. Вторые, в отличие от первых, не учитывают снеговую нагрузку – с них снег тут же скатывается. Первые же частично рассчитаны на возможность наслоения снега, но при сильных снегопадах и штормовом ветре при накоплении снега в высоту более 20-25 см образуется явление, похожее на сход лавин. Нагрузка обретает динамичный характер, как в случае с градом или ливнем.

У полувальмовой крыши боковые скаты не доходят до уровня основных, а лишь частично покрывают этот уклон за счёт достройки боковых стен до отметки залегания первых. Здесь расчёт под давление снега корректируется исходя из угла наклона каждой из сторон. Если крыша двускатная или вальмовая, с приподнятой затяжкой (вторичная поперечная балка), то эта стяжка, подобно усиливающему треугольнику, не повысит заметно прочность стропил, так как давление одной из них компенсируется за счёт другой, противолежащей.

Для усиления здесь всё же нужны дополнительные рёбра жёсткости – вертикальные подпорки, чем их больше, тем крыша станет устойчивее.

Виды: наслонные и висячие ↑

В зависимости от использованной технологии, которая позволяет распределить и снизить давление на конструкцию здания, различают два вида: наслонную и висячую.

Выбор конкретного варианта определяет конфигурация кровли, размещение опор внутри стропил, длина пролета, климатические особенности региона, тип кровельного покрытия. Но в любом случае главный элемент – это стропильные ноги.

Наслонный вариант ↑

Наслонные стропила предназначены для перекрытия крыш с пролетом до 7 м. Они опираются краями и средней частью либо на венец сруба, либо на верхний ряд кладки стен. При необходимости перекрытия больших пролетов прибегают к промежуточным опорам. При наличии одной опоры пролет можно увеличить до 12 м, а двух – до 15,5 м. Между коньком и фермами необходимо установить с подкосами.

Висячий ↑

В отличие от наслонных, у висячих стропил промежуточные опоры отсутствуют. Этот вид больше подходит для более легких конструкций зданий. Висячие стропила можно с легкостью использовать для длинных пролетов. Достаточную жесткость обеспечивают установленные в подкосы, ригели, прогоны и стойки. Эти дополнительные элементы также предотвращают смещение.

Для пролетов до 8 м достаточно установки затяжек и ригелей в верхней части. При большей величине пролета для поддержки затяжек между фермами дополнительно используют балки с подкосами.

Правила расчёта системы стропил

Расчёт системы стропил в большинстве случаев рассматривается на примере односкатной или двухскатной кровли. Каркас двухскатной кровли обязан быть жёстким и одинаково распределять нагрузки на фундамент и строительные конструкции. Просуммировав многократные и добавочные (не постоянные) нагрузки, в полученный расчет нужно внести поправочный показатель. Увеличить крепость системы стропил на 10% даст возможность показатель 1,1. Добавочную крепость в размере 40% прибавит показатель 1,4.

Создавая расчёт каркаса двухскатной крыши, главное не забыть учесть связь между сечением стропилин и шагом их установки. Взаимозависимость еще есть между кровельным наклона материалом и углом ската: расчет угла ската может делаться в согласии с весом и характерностями монтажа подобранного материала для кровельных работ, и напротив – вид покрытия кровли выбирается если исходить из стадии наклона скатов. Для производства стропильных ног при сооружении двухскатной кровли в большинстве случаев применяется дощечка или брусок сечением от 40×150 мм до 100×250 мм, при этом доски у которых толщина 40 мм может использоваться только для лёгких хоз. строений.

Величина удельной нагрузки на метр погонный стропильной ноги подчиняется от величины зазора между стропилинами и общей нагрузки на поверхность крыши.

Проектная разработка двухскатной кровли может делаться на основе таблиц из справочников, где приводятся размеры стропилин, рассчитанные на основании средних и удельных величин уклонов, нагрузок и прочих показателей. Главное не забыть учесть условия климата и применять поправочные коэффициенты.

На подбор сечения стропилин действует и вид системы стропил, подобранный для установки двухскатной крыши. Это наслонные или висячие стропилины. Наслонные стропилины, опирающиеся на коньковый прогон, установленый на стойках, трудятся на изгиб. Стропильные ноги висячих ферм – на изгиб и сжатие, при этом передавая на стены распирающую нагрузку. Чтоб обеспечить жесткость висячей фермы и снять нагрузку на распор, ставятся затяжки – перемычки, связывающие стропильные ноги двухскатной конструкции.

Присутствие и месторасположение окон мансарды, дымоходов и труб для вентиляции рекомендуется предусматривать на шаге проектирования кровли. В другом случае перед монтажными работами данных компонентов понадобится сделать перерасчет системы стропил и рассчитать меры по ее усилению.

Принципы расчёта стропильной системы

Расчёт стропильной системы обычно рассматривается на примере односкатной или двухскатной крыши. Каркас двухскатной крыши должен быть жестким и равномерно распределять нагрузки на строительные конструкции и фундамент. Просуммировав постоянные и дополнительные (временные) нагрузки, в полученный расчет необходимо внести поправочный коэффициент. Повысить прочность стропильной системы на 10% позволит коэффициент 1,1. Дополнительную прочность в размере 40% придаст коэффициент 1,4.

Выполняя расчёт каркаса двухскатной кровли, важно учитывать взаимосвязь между сечением стропил и шагом их установки. Взаимозависимость также существует между углом наклона ската и кровельным материалом: расчет угла ската может выполняться в соответствии с весом и особенностями монтажа выбранного кровельного материала, и наоборот – тип покрытия крыши подбирается исходя из степени наклона скатов. Для изготовления стропильных ног при возведении двухскатной крыши обычно используется доска или брус сечением от 40×150 мм до 100×250 мм, при этом доска толщиной 40 мм может применяться лишь для легких хозяйственных построек.

Величина удельной нагрузки на погонный метр стропильной ноги зависит от величины промежутка между стропилами и общей нагрузки на поверхность кровли.

Разработка проекта двухскатной крыши может выполняться на основании таблиц из справочников, где приводятся размеры стропил, рассчитанные на основании средних и удельных величин уклонов, нагрузок и других параметров. Важно учитывать климатические условия и использовать поправочные коэффициенты.

На выбор сечения стропил влияет и тип стропильной системы, выбранный для монтажа двухскатной кровли. Это наслонные или висячие стропила. Наслонные стропила, опирающиеся на коньковый прогон, установленный на стойках, работают на изгиб. Стропильные ноги висячих ферм – на изгиб и сжатие, при этом передавая на стены распирающую нагрузку. Чтобы обеспечить жесткость висячей фермы и снять нагрузку на распор, устанавливаются затяжки – перемычки, связывающие стропильные ноги двухскатной конструкции.

Наличие и расположение мансардных окон, дымоходов и вентиляционных труб рекомендуется предусмотреть на этапе проектирования крыши. В противном случае перед монтажом данных элементов потребуется выполнить перерасчет стропильной системы и продумать меры по ее усилению.

Расчет ветровой нагрузки

Рисунок 2. Таблица расчета стропильной ноги.

Если дом имеет незначительный угол наклона крыши, то есть вероятность того, что система кровли будет повреждена и сорвана, на что повлияет аэродинамическая нагрузка. А вот более значительный уклон способен стать причиной того, что кровля будет подвергаться высокому давлению ветра. Для определения ветровой нагрузки на кровлю следует использовать формулу с поправочными коэффициентами. Она имеет следующий вид: V=R×k, в ней V – уровень ветровой нагрузки, R – уровень определенного региона, обозначение k представлено корректирующим коэффициентом.

Показатель региона – табличное значение, прописанное в СНиП, а поправочный коэффициент должен быть выбран в соответствии с высотой постройки и территорией, на которой установлено здание. Показатель коэффициента варьируется следующим образом:

• показатель для построек на открытой местности и с высотой, равной 20 м, эквивалентен 1,25;
• при наличии на территории препятствий в виде высоких домов или посадок коэффициент будет равен 0,85;
• если расчет ведется для постройки, высота которой равна 10 м, следует использовать поправку 1,0 и 0,65;
• показатели 0,75 и 0,85 применяются для определения нагрузки на низкие дома до 5 м в зависимости от территории строительства.

Наслонная стропильная система

Наслонный тип стропил используется в постройках, конструкция которых предполагает наличие опор в качестве колонн или несущих стен внутри помещений, находящихся под крышей. Они должны размещаться при интервале между несущими стропилами в размере 7 м. В случае обустройства дополнительных несущих опор внутри здания, допустимый размер интервала между стропилами увеличивается до 12 м с 1 опорой и до 16 м с двумя. Для надежности стропильной конструкции и увеличения проема посреди краевых опор под конек необходимо разместить стойку с подкосными элементами.

Расчет стропильной системы выполняется с ориентировкой на стройматериал, из которого возводилась конкретная постройка. При этом важное значение имеют особенности ее конструкции. В зданиях с каркасом наслонные стропила упираются в мауэрлат, в древесных – на вершину венцов без обработки, а в бетонных – на верхнюю часть стены, обработанную защитным слоем.

Мансардные крыши двухскатного типа имеют свои особенности при обустройстве отопительной системы, поскольку она влияет на пожарную безопасность. Поэтому необходимо соблюдать определенное расстояние между древесными элементами постройки и печным трубопроводом с дымоходом. Интервал должен быть не менее 40 см. Такая конструкция позволит центральной части стропил распределить давление на несущие стены или колонны, а их концы – на наружные стены постройки.

Система наслонных стропил выгодно отличается простотой монтажа, если сравнивать ее с другими типами конструкции. Ко всему прочему она не предполагает высоких денежных расходов благодаря экономии пиломатериала.

Монтаж стропильной конструкции – это наиболее сложный этап всей процедуры строительства мансардной кровли двухскатного типа. Он требователен к высокоточному расчету величины и количества опорных элементов, а также к их надежному скреплению между друг другом. Поэтому нужно со всей серьезностью подходить к вопросу обустройства мансардной крыши, так как от результата расчетов зависит безопасность и долговечность сооружаемого здания.

Если вы не уверены, что можете произвести все необходимые вычисления самостоятельно, рекомендуется доверить все работы квалифицированным специалистам. Как правило, расчеты стропильной системы делаются опытными архитекторами в процессе проектировки кровельной системы здания.