Расчет стропильной системы: правила и примеры

Крыша и коробка дома являются двумя взаимодополняющими конструкциями, которые отвечают за прочность, надежность и долговечность здания. Строительство крыши немыслимо без возведения стропильной системы – каркаса из досок и брусьев, на котором закреплены слои кровельного пирога. Чтобы построить прочную крышу, надо правильно рассчитать стропильную систему и подобрать подходящие для нее элементы. Именно это и вызывает большинство сложностей при возведении дома. В этой статье мы постарались затронуть все нюансы, связанные с этой задачей.
Для расчета стропильной системы крыши следует учитывать все нагрузки, оказываемые на конструкцию. Только после этого можно найти оптимальные параметры и подобрать элементы, способные выдерживать суммарные воздействия этих нагрузок. Но следует брать во внимание, что схема расчетов каждый раз получается «идеализированной». Это значит, что крыша испытывает равномерно распределенную нагрузку, а на самом деле все происходит совсем не так – где-то снега нападало больше, с какой-то стороны ветер дует сильнее и т.д.
Нагрузки на стропильную систему:
Переменные – снег, ветер, град и другие погодные явления.
Регулярные – вес кровельных материалов и оборудования, установленного на крыше.
Нетипичные (особые) – ураганные ветры, сейсмические толчки.
Все расчеты нагрузок описаны в соответствующих СНиП, поэтому в процессе работы следует постоянно сверяться с утвержденной документацией. То же самое касается определение оптимального угла наклона кровли, шага стропил и выбора материалов. После составления подробной схемы с учетом всех требуемых параметров можно сделать корректировку и приступать к монтажу.
Нагрузка ветра и снега
Ветровая нагрузка может серьезно навредить неправильно сконструированной крыше. То же самое касается большого количества снега, скопившегося на поверхности. Избежать неприятностей поможет верно подобранный угол наклона скатов.
Чтобы определить степень снеговой нагрузки в горизонтальной проекции, воспользуйтесь следующей формулой: S=Sg* µ.
Sg – вес снега на 1 м? площади, а µ — коэффициент зависимости от угла наклона. Так, для крыш с уклоном менее 25° он будет составлять 1,0, для крыш с уклоном от 25° до 60°коэффициент будет равен 0,7, а для очень крутых скатов больше 60° вообще можно не учитывать снеговую нагрузку – снег на такой поверхности просто не сможет удержаться.
Для нахождения ветровой нагрузки используйте другую формулу: W=W?*k.
W? здесь является нормативным значением, которое можно подобрать в зависимости от ветрового района (указано в СНиП), а k – это коэффициент, определяющий зависимость силы ветра от высоты дома и его месторасположения.
Если угол наклона кровли составляет больше 30°, в расчет стропильной системы следует внести поправку на ветер. Также для расчета нужно знать постоянное направление ветра в местности, где строится дом.
Ветер в зависимости от угла наклона крыши будет стремится либо приподнять ее, либо опрокинуть, так что в обоих случаях крепить стропила к опорному брусу следует очень прочно. Способы монтажа также будут отличаться в зависимости от воздействия ветра. Но что можно с уверенностью сказать, так чем крыша тяжелее, тем лучше – с тяжелой конструкцией ветер будет не в состоянии справиться.
Приведем пример расчета снеговой и ветровой нагрузки на крышу дома, строящегося в средней полосе России, скажем, в Подмосковье. Следовательно, чтобы посмотреть расчетные значения, понадобится СНиП 2.01.07-85 о «Нагрузках и воздействиях». Угол наклона скатов составляет 22°. Поскольку дом находится в третьем снеговом регионе, расчетная нагрузка для него будет составлять 180 кг/м?, а коэффициент зависимости – 1,0. Умножаем друг на друга эти два значения и получаем снеговую нагрузку в 180 кг/м?. Если коэффициент скатной кровли будет меньше, скажем, 0,7, то и нагрузка уменьшится до 126 кг/м?.
Важный момент: В случае образования снежного сугроба на крыше нагрузка увеличивается до 400-500 кг/м?.
Что касается ветровой нагрузки для нашего дома в Подмосковье, то для этого региона она составляет 32 кг/м?.Допустим, площадь дома 10 м?, тогда вычислить степень воздействия ветра очень просто: 32*0,65=20,8 кг/м?.
Нагрузка крыши
Рассчитывать стропильную систему крыши нужно с учетом всех материалов, которые вы будете укладывать на нее: гидроизоляцию, утеплитель, элементы вентиляционной системы, кровельный материал, оборудование и т.д. Выбор кровельного материала зависит от угла наклона скатов и напрямую влияет на требования к прочности составляющих стропильной системы.
Вес распространенных кровельных материалов на 1 м?:
керамочерепица – 35-50 кг;
цементная черепица – 40-50 кг;
шифер – 10-15 кг;
битумная черепица – 8-12 кг;
битумный шифер – 4-6 кг;
профнастил и металлочерепица – 4-5 кг.
Черновой настил для слоев кровельного пирога весит от 18 до 20 кг/ м?, обрешетка – от 8 до 10 кг/ м?, а вся стропильная система дает нагрузку от 15 до 20 кг/ м?. Суммируйте все эти данные и вы поймете, что на стены дома и фундамент крыша оказывает нешуточное давление. К слову, если дом построен на облегченном фундаменте или имеет некрепкие стены, то о крыше, покрытой, например, керамической или цементной черепицей не может быть и речи.
Полезный совет: Многие продавцы кровельных материалов делают акцент на легкости изделий, дескать, это позволит сэкономить на стропильной системе, построив ее из более тонких и дешевых элементов. Но мы с вами уже знаем, что чем крыша тяжелее, тем сложнее ветру ее опрокинуть или оторвать, поэтому не стоит слепо верить подобным доводам.
Сечение стропил
Как вы уже поняли, выбирать сечение (толщину) стропил следует в зависимости от нагрузки на крышу, точнее, суммы всех перечисленных выше нагрузок. При строительстве двускатной или четырехскатной кровли используется множество различных элементов. Длина стандартных стропил может варьироваться от 4,5 до 6 м. При необходимости их можно укоротить или нарастить.
Прежде чем выбрать сечение бруса, нужно знать длину стропил, шаг их установки и нагрузку на них. В таблице ниже приведены необходимые данные для расчета кровельной системы. Однако эти значения подходят лишь для Московской области и учитывают климатические особенности именно этого региона.
Но «скелет» крыши состоит не только из стропил – в нем есть опорный брус (мауэрлат), подкосы, ригели и много других элементов. Ниже представлены рекомендуемые сечения для каждого из них:
мауэрлат самый мощный элемент системы, поэтому для него нужно большое сечение в 100х100 мм, 100х150 мм или 150х150 мм;
прогоны также выполняют поддерживающую функцию и должны быть прочными – 100х100 мм, 100х150 мм либо 100х200 мм;
ендовы и диагональные стропильные ноги – 100х200 мм;
подкосы и ригели – 100х150 мм или 150х150 мм;
подшивочные доски – 25х100 мм;
затяжки – 50х150 мм.
Когда выбрана длина, толщина и шаг расположения стропил, можно определить их количество. Делать это нужно, ориентируясь на длину дома. В процессе проектирования также надо делать расчет на прогиб, соотнося нагрузку на стропила и возможный прогиб деревянных элементов под ней. Для стропильной системы мансардной крыши прогиб не будет превышать 1/250 часть от длины сегмента, на который оказывается давление.
Иными словами, пятиметровые стропила прогнутся максимум на 2 см. При увеличении длины или нагрузки крыша может деформироваться.
Рекомендации для выбора брусьев на стропила:
На 1 погонном метре материала не должно быть больше 3 сучков длиной до 3 см (если сучок больше, то стропило будет слабым).
Допустимо присутствие несквозных трещин, но только если они не превышают половины длины всего бруса.
Древесина должна быть хорошо просушенной. Допустимый уровень влажности брусьев составляет 18% и меньше. Если построить стропильную систему из сырых элементов, очень скоро она деформируется.
Полезный совет: Перед монтажом конструкции стропильной системы обязательно обработайте каждый деревянный элемент антисептическим и антипиренным средством. Делать это надо до установки, а не после.
Расчет стропильной системы будет зависеть, в первую очередь, от конструктивных особенностей крыши и ее типа: односкатная, двускатная, вальмовая и т.д. В этой главе мы рассмотрим особенности расчета для самых распространенных видов крыш.
Односкатная крыша очень проста в исполнении и сделать для нее расчет стропил не составит особого труда. Однако самым большим недостатком такой конструкции является ее сильная подверженность снеговым и ветровым нагрузкам. На большой пологой площади будет постоянно собираться много снега, поэтому стропильная система должна быть достаточно мощной. Особенно это касается тех случаев, если вы не сможете регулярно чистить крышу. Быть может, в подобной ситуации стоит задуматься о выборе другого вида крыши, например, самой простой двускатной. Небольшой угол наклона односкатной крыши требует не только мощного каркаса, но также использования усиленной гидроизоляции из-за высокого риска возникновения протечек.
Чтобы сделать расчет стропильной системы односкатной крыши, сперва нужно задать угол наклона (от чего он зависит, мы уже выяснили в предыдущей главе). Для создания необходимого уклона следует организовать правильный перепад по высоте – расположить опоры соответствующей высоты.
Длина перекрываемого пролета определяет сложность стропильной системы:
Для перекрытия небольшой длины можно использовать только стропильные ноги.
При длине пролета от 4,5 до 6 м необходимо установить подкосы в нижней части ската.
Чтобы закрыть пролет длиннее 6,5 м, понадобятся вертикальные стойки – они не дадут крыше прогнуться под нагрузками.
Приведем пример расчета каркаса односкатной крыши для гаража площадью 4х5 м с уклоном 25°. Сначала надо узнать высоту крыши, чтобы понять, настолько поднимать одну из несущих стен гаража. Для этого умножим тангенс уклона на длину боковой стены: tg25*5=2.35 м.
Чтобы найти длину стропильной ноги, делим высоту крыши на синус уклона и к полученному результату прибавляем двойную длину свеса: 2,35/sin25+2*0,5=6,6 м.
Расчет стропильной системы двухскатной крыши
Двускатная крыша пользуется популярностью на протяжении тысячелетий, и даже сегодня при обилии дизайнерских решений многие предпочитают этот классический вариант. Объяснить это можно не только эстетической привлекательностью, но также простотой возведения и практичностью конструкции.
Уклон стропильной системы двухскатной крыши может варьироваться от 5° до 90° в зависимости от климатической зоны и регулярных нагрузок. Конечно, дизайнерские предпочтения здесь также играют не последнюю роль. Если вы строите дом в благоприятной климатической зоне, где нет сильных ветров и снегопадов, но хотите украсить жилище остроконечной крышей, никто не может запретить вам это сделать. Самым распространенным вариантом являются крыши с уклоном от 35° до 45°. Они не загораживают обзор, лаконично вписывают дом в природный ландшафт и оставляют достаточно свободного пространства на чердаке.
Устройство стропильной системы такой кровли отличается в плане использования опоры для стропил. Они могут быть висячими или наслонными. Первые используют в тех случаях, если расстояние между опорами не превышает 6-6,5 м. Наслонные элементы актуальны для сооружений, в которых есть несущая центральная стена или внутренние столбчатые опоры.
После определения суммированной нагрузки на 1 м? системы (ветер, снег, вес кровельного пирога и т.д.), можно определить сечение стропил. Чтобы облегчить задачу, разбейте крышу на несколько геометрических фигур, например, на 2 трапеции скатов. Вычислите нагрузку для каждого из них и сложите результаты. Тот же принцип можно использовать для расчета стропильной системы четырехскатной крыши.
Четырехскатная крыша
Конструкции четырехскатных крыш бывают нескольких видов, но самыми популярными являются шатровые и вальмовые. Шатровые крыши состоят из 4 треугольников, верхние углы которых сводятся в один коньковый узел. Кровли вальмового типа представляют собой 2 трапеции, соединенных коньковой балкой по верхним граням и 2 треугольника по бокам. Есть также ломаные кровли со сложным строением, но рассчитать для них стропильный каркас можно только при наличии большого опыта и квалификации.
Вальмовая кровля лучше всего подходит для жилых домов, поскольку позволяет создать довольно просторное чердачное помещение. Его можно утеплить и превратить в жилую комнату: спальню, кабинет или мастерскую. Однако расчет вальмовой стропильной системы требует терпения и времени.
Специальные таблицы существенно облегчают задачу. Так, на изображении ниже показаны коэффициенты зависимости длины угловых и промежуточных стропил от угла наклона скатов.
При помощи таблиц зависимости сечения, ветровой нагрузки, массы кровельного материала можно довольно быстро собрать всю необходимую информацию для вашего проекта. Геометрические параметры и площадь крыши измеряются квадратными метрами.
Если вы не имеете опыта или не уверены в своих математических способностях, лучше воспользоваться онлайн калькулятором или одной из специальных программ для расчета стропильной системы. В последнем случае вам надо лишь ввести нужные данные, а программа сделает все вычисления и сгенерирует результат. Ошибки таким образом сводятся к минимуму. Ниже вы найдете видео о расчете стропильной системы с помощью одной из таких программ:
Высота крыши (h) и дистанция между центром основания и ближайшим ее краем (b\2) соответствует тангенсу уклона (tg ?). Так, зная угол наклона ската, можно найти высоту по формуле: h=(b*tg ?)\2.
Зная косинус угла наклона, можно найти и длину боковых стропил (e): e=b\(2 cos ?).
Для нахождения длины вальмовых стропил (d) пригодится теорема Пифагора:
Учитывайте, что диагональные стропила длиннее обычных и на них будут опираться более короткие элементы, поэтому важно обеспечить их прочность и жесткость. Это можно сделать, выбрав более твердую древесину и проведя правильное наращивание брусьев при необходимости.
Расчеты и проектирование являются колоссально трудоемкой и ответственной задачей, будь то стропильная система двухскатной простой крыши, вальмовой или шатровой. Чтобы правильно выполнить задачу, необходимо четко понимать, для чего нужен каждый элемент и как «чувствует» себя крыша в процессе эксплуатации. Если вы сомневаетесь, что справитесь, лучше потренироваться на создании стропил для гаража или беседки, а потом переходить к жилому дому. Также можно воспользоваться услугами специалистов – экономить на строительстве можно, но только не за счет проектирования. Чтобы облегчить вам задачу, мы подготовили несколько схем стропильных систем

Читайте также:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *