Как застройщику самостоятельно рассчитать стропильную систему крыши

Оптимальный угол наклона для разных типов конструкций

Хоть и принято считать, что односкатная кровля – это бюджетный вариант перекрытия вспомогательных сооружений (гаража, бани, беседки). Обустройство верхней части дома в такой способ также имеет свои преимущества:


  • уменьшается расход материалов;
  • сокращается время монтажных работ;
  • экономятся денежные средства;
  • при этом внешний вид готового здания остается аккуратным.

Однако стоит сказать, что односкатная крыша не подходит для домов, где планируется мансардный или чердачный этаж. Поскольку одна часть здания гораздо выше другой. Если же чердак необходим оптимальным наклоном крыши будет показатель в 300.

Для таких построек, как баня, беседка или веранда угол наклона может колебаться в пределах 10–15 0.

При строительстве гаража, сарая нужно учитывать разницу в длине подпорок, поэтому допускается значение в 50–600.

Определение сечения стропилин

Стропильные ноги крыш различной крутизны выполняют неоднозначную работу. На стропила пологих конструкций действует в основном изгибающий момент, на аналоги крутых систем к нему добавляется еще сжимающее усилие. Потому в расчетах сечения стропил обязательно учитывается наклон скатов.

На стропильные ноги крыш указанной крутизны действует лишь изгибающее напряжение. Рассчитываются они на максимальный момент изгиба с приложением всех видов нагрузки. Причем временные, т.е. климатические нагрузки используются в вычислениях по максимальным показателям.

У стропилин, имеющих только опоры под обоими собственными краями, точка максимального изгиба будет находиться в самом центре стропильной ноги. Если стропилина уложена на три опоры и составлена из двух простых балок, то моменты максимального изгиба придутся на середины обоих пролетов.

У цельной стропилины на трех опорах максимальный изгиб будет в районе центральной опоры, но т.к. под изгибающимся участком находится опора, то направлен он будет вверх, а не так как у предыдущих случаев вниз.

Для нормальной работы стропильных ног в системе необходимо выполнить два правила:

  • Внутреннее напряжение, сформированное в стропилине при изгибе в результате приложенной к ней нагрузки, обязано быть меньше расчетного значения сопротивления пиломатериала на изгиб.
  • Прогиб стропильной ноги должен быть меньше нормируемого значения прогиба, который определен соотношением L/200, т.е. прогнуться элементу разрешается только на одну двухсотую долю его реальной длины.

Дальнейшие вычисления состоят в последовательном подборе размеров стропильной ноги, которые в результате удовлетворят указанным условиям. Для вычисления сечения имеются две формулы. Одна из них используется для определения высоты доски или бруса по произвольно заданной толщине. Вторая формула применяется для расчета толщины по произвольно заданной высоте.

В вычислениях необязательно пользоваться обеими формулами, достаточно применить только одну. Полученный в итоге расчетов результат проверяют по первому и второму предельному состоянию. Если расчетная величина получился с внушительным запасом по прочности, вводимый в формулу произвольный показатель можно уменьшить, чтобы не переплачивать за материал.

Если расчетная величина момента изгиба получится больше, чем L/200, то произвольное значение увеличивают. Подбор проводится в соответствии со стандартными размерами имеющихся в продаже пиломатериалов. Так подбирают сечение до того момента, пока не будет подсчитан и получен оптимальный вариант.

Рассмотрим простой пример вычислений по формуле b = 6Wh². Предположим, h = 15 см, а W это отношение M/Rизг. Величину М вычислим по формуле g×L2/8, где g – суммарная нагрузка, вертикально направленная на стропильную ногу, а L – это длина пролета, равная 4 м.

Rизг для пиломатериалов из хвойных пород принимаем в соответствии с техническим нормами 130 кг/см2. Допустим, суммарную нагрузку мы рассчитали заранее, и она у нас получилась равной 345 кг/м. Тогда:

M = 345 кг/м × 16м2/8 = 690 кг/м

Чтобы перевести в кг/см делим результат на 100, получаем 0,690 кг/см.

W = 0,690 кг/см/130 кг/см2 = 0,00531 см


B = 6 × 0,00531 см × 152 см = 7,16 см

Округляем результат как положено в большую сторону и получаем, что для устройства стропил с учетом приведенной в примере нагрузки потребуется брус 150×75 мм.

Проверяем результат по обоим состояниям и убеждаемся в том, что нам подходит материал с рассчитанным сейчас сечением. σ = 0,0036; f = 1,39

Стропила крыш крутизной более 30º вынуждены сопротивляться не только изгибу, но и силе сжимающей их вдоль собственной оси. В этом случае помимо проверки по описанному выше сопротивлению на изгиб и по величине изгиба нужно рассчитывать стропилины по внутреннему напряжению.

Т.е. действия выполняются в аналогичном порядке, но проверочных расчетов несколько больше. Точно также задается произвольная высота или произвольная толщина пиломатериала, с ее помощью рассчитывается второй параметр сечения, а затем проводится проверка на соответствие вышеперечисленным трем техническим условиям, включая сопротивление сжатию.

При необходимости в усилении несущей способности стропилины вводимые в формулы произвольные значения увеличивают. Если запас прочности достаточно большой и нормативный прогиб ощутимо превышает вычисленное значение, то есть смысл еще раз выполнить расчеты, уменьшив высоту или толщину материала.

Подобрать первоначальные данные для производства расчетов поможет таблица, в которой сведены общепринятые размеры выпускаемых у нас пиломатериалов. Она поможет подобрать сечение и длину стропильных ног для первоначальных вычислений.

Аркон

В Арконе при проектировании крыши дома на начальном этапе пользователь может выбрать нужную разновидность крыши. После этого он может внести нужные изменения и уточнения в выбранную конструкцию. При этом прорисовывать стропильную систему от начала до конца не нужно, она уже заложена в программное обеспечение. У вас есть возможность выбрать одну из следующих форм крыш:

  • односкатная или двускатная;
  • свободная форма;
  • вальмовая или полувальмовая конструкция;
  • мансардная с фронтоном в торцах;
  • мансардно-вальмовая разновидность;
  • сферическая;
  • плоская крыша;
  • двускатная с рейкой для крепления.

Если зайти в редактор, то можно изменять типовую конструкцию. Для этого нужно установить свои числовые значения в окошко со значением угла наклона скатов, высотой фронтонов, расположением водосточных желобов. Нажав на кнопку просмотра, вы сразу увидите результат.

Зайдя в раздел «Инфо», вы получите всю подробную информацию о разработанной вами конструкции, а именно:

  • длины стропил;
  • площадь кровли;
  • протяжённость водосточных желобов;
  • коньки;
  • ветровые фронтоны;
  • рёбра крыши;
  • объёмы пиломатериалов;
  • данные выводятся в нескольких вариантах (без учёта слуховых окон, отдельно по этим окнам и общие показатели);
  • в случае необходимости можно получить ориентировочный перечень пиломатериалов, нажав на кнопку «Список».

При этом стоит учитывать, что все длины округляются до 5 см. Однотипные пиломатериалы после округления будут объединены в один раздел. Но в каталоге они будут разбиты по разновидностям, габаритам, сечению.

Чтобы определить высоту мансардного этажа с опорой, нужно воспользоваться кнопкой «Ассистент». Если на открывшейся вкладке перейти в раздел «Общее», то там можно узнать высоту чердачного этажа и другие величины. Кроме этого, софт позволяет выбирать разновидность кровельного покрытия. Вы можете подобрать расцветку, фактуру и материал.

Принципы расчета обрешетки под профнастил

Как и большинство кровельных покрытий, профилированный лист крепится к обрешетке. Шаг обрешетки под профнастил оговорен в строительных нормах. В СНиПе указаны требования к данному параметру, исходя из угла наклона ската крыши :

  • при минимальном уклоне кровли для монтажа профнастила необходима сплошная обрешетка, либо обрешетка с шагом, не превышающим 400 мм (выбор зависит от толщины металла и марки используемого материала);
  • при среднем уклоне деревянное основание может монтироваться с шагом 300 – 650 мм;
  • если кровля имеет большой угол уклона, шаг может составлять до 1000 мм;
  • отдельные марки профнастила, обладающие высокой жесткостью, могут монтироваться с шагом обрешетки до 3000 или 4000 мм, если угол наклона ската составляет более 8 градусов.

При проектировании кровельной системы следует заранее определиться с материалом финишного покрытия. Производители профнастила в сопроводительной документации указывают требования к укладке конкретного материала. Рекомендуется выполнять расчет обрешетки под профнастил, в соответствии с параметрами, указанными производителем (они не выходят за пределы требований СНиП).

В частном строительстве нередко выбирают профнастил с профилем высотой 35 мм из стального листа толщиной 0,6-0,7 мм. Такой материал может монтироваться на обрешетину с шагом до 1,5 метров, при этом кровля рассчитана на нагрузку до 600 кг на квадратный метр.

По такой крыше можно безбоязненно перемещаться при очистке или ремонте, но следует отметить, что данная конструкции повышенной прочности несколько дороже, чем кровля из профнастила меньшей жесткости.


Если предполагается использовать профнастил с высотой профиля 21 мм и менее, шаг обрешетки под профнастил должен быть минимальным, либо монтируется сплошная обрешетина. Данный кровельный материал не рассчитан на высокие нагрузки, для него требуется прочная основа, чтобы избежать деформации листов.

Профилированный лист с высотой профиля от 44 мм в частном строительстве практически не используется, так как этот материал предназначен для обустройства кровли промышленных сооружений .

Подготовка материала для обрешетки

Чтобы рассчитать количество требуемого пиломатериала, необходимо знать длину и ширину ската, а также выполнить расчет шага. Кроме того, следует учесть, что у конька и карниза следует монтировать по две доски, чтобы обеспечить необходимую прочность кровельного настила.

Усиления требуют и места примыкания к печным трубам, слуховым окнам, вентиляционным коробам и т.д. К результату вычислений следует добавить еще 10%. так как в процессе монтажа пиломатериал придется подрезать до необходимых размеров и часть уйдет в отходы.

Сечение бруска должно составлять не менее 50×50 мм. Также обрешетка может выполняться из обрезной или необрезной доски толщиной 50 мм. Требуется использовать хорошо просушенный пиломатериал. Рекомендуется использовать брусья и доски из ели, сосны, бука, ольхи

Материал может быть не фугованным, но следует обратить внимание на прямолинейность его поверхностей

Доски и брус не должны быть покороблены, при необходимости поверхность элементов следует подправить.

Обрешетка под профнастил эксплуатируется в условиях повышенной влажности, поэтому велик риск повреждения деревянных элементов грибком и микроорганизмами. Чтобы предупредить гниение древесины, пиломатериал требуется обработать антисептиками. Также необходима противопожарная обработка элементов кровли. Сегодня выпускаются специальные составы для огнебиозащиты, которые позволяют проводить оба вида обработки за один раз.

Допускается обрабатывать уже готовую обрешетку, но конструкция кровли будет значительно эффективнее защищена, если она монтируется из элементов, заранее качественно пропитанных огнебиозащитным составом.

Особенности строительства крыш с углом

Двускатная кровля — самый простой вариант для строительства частного дома. Стропильная система может иметь наслонную, висячую или комбинированную конструкцию.

Наслонная и висячая стропильная система.

В первом случае стропила «наслоняют» — укладывают на наружные и внутренние опоры. Во втором — «подвешивают» с опиранием только на стены.

Сооружение по наслонной схеме

Наслонная система применяется в строительстве домов с внутренними капитальными стенами, разгружающими от распора наружные ограждающие конструкции. Основная нагрузка здесь — вертикальная.

Отсутствие горизонтальных распирающих усилий упрощает и удешевляет конструкцию несущего каркаса крыши. Она состоит из стропильных ног, подкосов, ригелей, прогонов и стоек. Мауэрлат или лежень монтируют выше уровня перекрытия на 100-150 мм для свободного доступа к низу стропил. Если стены непрочные, его располагают по периметру здания. В противном случае можно обойтись коротышами длиной 60-70 см, уложенными под стропильные ноги.

В деревянных зданиях функцию мауэрлата выполняет верхний венец или обвязка. Стропила нижним концом врубают в несущую балку, дополнительно закрепляют скобами и скрутками из проволоки.Чтобы в коньке не возникали распирающие напряжения и стропила не смещались вдоль ската, сопряжение выполняют внахлест или встык, закрепляют накладками, болтами, нагелями.

Систему усиливают прогонами, подкосами и стойками. К тому же это помогает уменьшить сечение стропил и прогибы. Соединяют элементы металлическим крепежом — гвоздями, скобами, болтами, накладками, кольцами, зубчатыми дисками.

Устройство крыши висячим методом


Висячие стропила монтируют при пролетах дома 6-14 м. Опираясь только на наружные стены, несущие балки воспринимают значительные распирающие усилия. Чтобы их распределить, в конструкцию вводят дополнительные горизонтальные и вертикальные элементы — ригели, затяжки, бабки (стойки, опирающиеся на затяжку).

Чем шире пролет строения, тем больше возникающие в конструкциях напряжения, сложнее устройство каркаса. До 6 м достаточно затяжек, совмещающих функции балок перекрытия. Свыше — вводится дополнительные ригели.В домах без внутренней несущей стены, превышающих ширину 9 м, систему крыши укрепляют бабками и подкосами. Фрагмент из двух стропил, затяжки и связей называется фермой.

В некоторых случаях мауэрлат не устанавливают. Готовые фермы монтируют на доску, уложенную по верху стены на слой гидроизоляции.Стропила врубают в затяжку или укладывают, скосив край. Закрепляют нагелями, накладками, хомутами.

Коньковый узел решается сложнее, чем в наслонных кровлях. Стропила врезают в горизонтальный брус, усиливают стык деревянными или металлическими накладками.Устройство висячей стропильной системы сложнее и дороже, чем безраспорной. Поэтому часто фермы устанавливают с шагом — 3-4 м, соединяют прогонами, по которым укладывают наслонные стропила. Этот способ называется комбинированным.

Достоинство висячих конструкций — возможность использовать чердачное пространство под мансарду.

Как вычислить длину стропил двускатной крыши

Жёсткость конструкции стропильной системы является обязательным требованием, и её обеспечение исключает прогиб при воздействии нагрузок. Стропила прогибаются в случае допущенных ошибок в расчётах конструкции и величины шага, с которым устанавливается стропильный брус. В случае, когда данный дефект выявлен после окончания работ, необходимо укрепить конструкцию с помощью подкосов, тем самым вы увеличите её жёсткость. При длине стропильного бруса более 4,5 м применение подкосов является обязательным, так как прогиб будет образовываться в любом случае под воздействием собственного веса бруса

Данный фактор обязательно принимается во внимание при выполнении расчётов

Длина стропил зависит от месторасположения их в системе

Определение расстояния между стропилами

Стандартный шаг, с которым выполняется установка стропил в жилом доме, составляет порядка 600–1000 миллиметров. На его величину влияет:

  • расчётная нагрузка;
  • сечение бруса;
  • характеристика кровли;
  • угол наклона крыши;
  • ширина материала утеплителя.

Не рекомендуется искусственно уменьшать или увеличивать шаг стропил

Определение необходимого числа стропил происходит с учётом шага, с которым они будут устанавливаться. Для этого:

  1. Выбирается оптимальный шаг установки.
  2. Длина стены делится на выбранный шаг и к полученному значению прибавляется единица.
  3. Полученное число округляется до целого.
  4. Повторно делится длина стены на полученное число, тем самым определяется нужный шаг монтажа стропил.

Площадь стропильной системы

При вычислении площади двускатной крыши требуется учитывать такие факторы:

  1. Суммарную площадь, которая состоит из площади двух скатов. Исходя из этого определяют площадь одного ската и полученное значение умножают на число 2.
  2. В случае, когда размеры скатов различаются между собой, площадь каждого ската находится индивидуально. Суммарная площадь вычисляется сложением полученных значений для каждого ската.
  3. В случае, когда один из углов ската больше или меньше 90о, для того чтобы определить площадь ската, его «разбивают» на простые фигуры и вычисляют их площадь по отдельности, а затем складывают полученные результаты.
  4. При вычислении площади не учитывается площадь дымоходных труб, окон и вентиляционных каналов.
  5. Учитывается площадь фронтонных и карнизных свесов, парапетов и брандмауэрных стен.

Расчёт стропильной системы зависит от типа крыши

Например, дом имеет длину 9 м и ширину 7 м, стропильный брус имеет длину 4 м, свес карниза — 0,4 м, свес фронтона — 0,6 м.

Значение площади ската находится по формуле S = (Lдд+2×Lфс) × (Lc+Lкс), где:

  • Lдд – длина стены;
  • Lфс – длина свеса фронтона;
  • Lc – длина стропильного бруса;
  • Lкс – длина свеса карниза.

Получается, что площадь ската равна S = (9+2×0,6) × (4+0,4) = 10,2 × 4,4 = 44,9 м2.

Суммарная площадь крыши составляет S = 2 × 44,9 = 89,8 м2.

Размер двускатной кровли рассчитывают с целью определения требуемого количества кровельного материала. С увеличением угла наклона крыши увеличивается и расход материала. Запас должен составлять порядка 10–15%. Он обусловлен укладкой внахлёст. Для определения точного количества материала с учётом наклона скатов лучше всего использовать справочники.


С этим читают