Стропильные конструкции
Скатная крыша состоит из несущей части, включающей стропила и обрешетку, и ограждающей – кровли. Обрешетка, как правило, набирается из брусков или досок, к которым и крепится кровля. В зависимости от способа передачи нагрузки от стропильных ног стропила делятся на наслонные и висячие. При наслонных стропилах нагрузка передается на наружные и внутренние стены (или колонны), в случае висячих – только на наружные стены. Для восприятия и погашения нагрузок, действующих как на несущий остов здания, так и на стропильную систему в перпендикулярном направлении, в уровне последней устраивают горизонтальные связи, настилы, обрешетки и жесткую конструкцию пола (при висячих стропилах).
Материалы для стропильных систем
Несущие конструкции чердачной крыши и мансарды выполняются из бревен, полубревен, бруса с сечением, соответствующим расчетным нагрузкам, досок с сечением 50 × 150 (50 × 200) мм, в том числе «сдвоенных» досок, металла, а также современных материалов. Например, из оцинкованной стали. Элементы деревянной стропильной системы в большинстве случаев изготавливают из древесины хвойных пород – сосны, ели, лиственницы, без пороков, с влажностью не более 18–22 %. Применение деревянных конструкций мансард должно согласовываться со степенью огнестойкости здания, они должны быть защищены огнестойкими составами. Конструкции из бруса и бревен цельного сечения просты в изготовлении, долговечны и надежны, если работают в условиях хорошо проветриваемого чердачного помещения. Соединяются элементы стропил, как правило, на врубках, шипах и скобах. Стропильная система, запроектированная из досок, – наиболее легкий и экономичный вариант устройства стропильной системы. Элементы дощатых стропил можно устраивать из одной или двух досок, сбитых гвоздями непосредственно, или через дощатые прокладки (бобышки), которые устанавливаются через каждые 600–700 мм. Сопряжение (сплачивание) всех элементов стропил из досок производят с помощью накладок и гвоздей. Сопряжение стропил из бревен и бруса осуществляют как при помощи врубок, так и за счет использования накладных металлических элементов.
Для повышения прочности и жесткости стропильной конструкции самые нагруженные элементы часто изготавливают из металла. Пролеты между металлическими частями заполняют деревянными элементами.
Поскольку стальные конструкции подвержены коррозии, предпочтительнее конструкции стропил из оцинкованной стали. В настоящее время популярна система из оцинкованных легких тонкостенных металлических конструкций (ЛСТК). Конструкции крыши либо изготавливают по индивидуальному заказу, либо используют типовые решения. Использование термопрофилей ЛСТК исключает возникновение «мостиков холода» в крышах и наружных стенах. Термопрофили имеют минимальное поперечное сечение, снабжены сквозными канавками для увеличения площади прохождения теплового потока. В результате конструкция приобретает характеристики, по теплопроводности аналогичные деревянной.
Конструирование скатных крыш с наслонными стропилами
Для крыш малоэтажных жилых домов наиболее распространены 2-скатные крыши, несущая часть которых образуется системой наслонных стропил. Наслонные стропила могут быть употреблены каждый раз, когда внутри строения найдется несколько опорных точек для расположения на них стоек, они будут поддерживать наклонный брус, который носит название стропильной ноги.
При наличии несгораемого чердачного перекрытия наслонные стропила допускается применять в зданиях 2-й степени огнестойкости. Помимо стропильных ног, наслонные стропила включают систему прогонов, стоек, подкосов, а также горизонтальные элементы: мауэрлат и лежень. Вся эта система поддерживает стропильные ноги и передает нагрузку на стены или опоры. Стропильные ноги располагают вдоль скатов. Шаг стропильных ног принимают 0,6–1,2 м. Точный шаг определяется расчетом. Нижними концами стропила опираются на наружные стены через специальный элемент, который носит название мауэрлат. Его устанавливают на обрез стены. Мауэрлат распределяет сосредоточенную нагрузку от стропил равномерно вдоль наружных стен. Верхние концы стропильных ног опирают на продольную балку – коньковый (подстропильный) прогон, передающий нагрузку через систему стоек на внутренние несущие стены. Стропильные ноги длиной более 5 м необходимо разбивать на два элемента меньшей длины (для погашения прогиба). Это достигается при расстоянии между наружными стенами более 12 м устройством стоек или подкосов. При конструировании скатных крыш ломаной конфигурации место стыка стропил необходимо подпирать (укреплять) подкосами. Прогон является наиболее нагруженным элементом системы. С торцевыми стенами он связан специальными анкерами. Сечение прогона не менее 1/20 его длины. Внутренние стены и столбы для опирания стоек выводят выше чердачного перекрытия на 150–200 мм. Шаг стоек (размер между ними) принимают 3–5 м. Стойки устанавливают на лежни. Между деревянными элементами стропильной конструкции и кладкой следует проложить гидроизоляцию, а сами изделия в местах примыкания следует пропитать антисептиком. Во избежание загнивания мауэрлата и нижних концов стропильных ног, а также для обеспечения осмотра и ремонта мауэрлат располагают на 400 мм выше уровня чердачного перекрытия.
При расстоянии между наружными несущими стенами от 5 до 8 м можно проектировать односкатные крыши. Для этого одна из стен, на которую опираются стропила, устраивается выше другой на величину подъема крыши.
При необходимости односкатные крыши могут устраиваться и при больших пролетах, при этом для уменьшения расчетной длины стропильных ног в местах расположения стоек устанавливаются подкосы.
Если длина стропильной ноги или прогона превышает 5,5–6,0 м (стандартная длина пиломатериалов), то элементы проектируют составными. Стык необходимо располагать со смещением на расстоянии 200 мм от опоры. Здесь также, помимо подкосов, появляются дополнительные элементы в виде затяжек (устаревшее название «схватка»). При большой длине прогонов для жесткости и устойчивости стропильной системы в продольном направлении вводят дополнительные подкосы, образующие подстропильную раму.
Подкосы устанавливают под прогон у каждой стойки, если расстояние между стойками, обозначенное буквой L, порядка 5–6 м (сечение 1–1). При меньшем расстоянии подкосы устанавливают через одну стойку, но так, чтобы расстояние L/3 не превышало 2 м, или устраивают шпренгели жесткости. При значительной высоте стропильной конструкции для обеспечения устойчивости устанавливают диагональные связи.
При устройстве 4-скатной крыши одни стропила располагаются перпендикулярно фасаду, другие – под углом 45° или диагонально относительно плана здания. Такие стропила носят названия диагональных или накосных. Все диагональные стропила должны быть более крепкими, чем поперечные, так как они более длинные, на них опираются с двух сторон короткие стропила. Устаревшее название диагональных ног – «роги», а короткие стропила, которые на них опираются, называются «нарожниками».
Для разгрузки диагональных ног устраивают дополнительную вертикальную стойку – шпренгель, который опирается на горизонтальный брус, устанавливаемый на угол двух стен (сечение 1–1). Также с укладкой диагональных ног могут быть устроены разжелобки (ендовы). В этом случае накосные ноги работают в самых невыгодных условиях: большее скопление снега, дольше задерживается влага. В связи с этим повышенное внимание необходимо уделять устройству гидроизоляции в разжелобках.
Для отвода воды от плоскости фасада необходимо предусмотреть карнизные свесы. Их можно образовать за счет выпуска стропильных ног за пределы наружной грани стены или удлинением стропильных ног с помощью «кобылок» – коротких досок, прибиваемых к стропилам. По свесам выполняют сплошную подшивку из досок. Подшив карнизов рекомендуют выполнять до устройства кровельного покрытия.
В массовом строительстве 4–5-этажных домов чаще всего применяли дощатые стропила, главным образом из сборных укрупненных элементов заводского изготовления в виде готовых к монтажу щитов. Стропильный щит состоит из стропильных ног, брусковой обрешетки и диагональных раскосов, придающих щитам жесткость. Щиты укладываются на мауэрлат и опираются на продольные рамы. В средней части они соединяются со стропильными фермочками, входящими с состав коньковых щитов. Карнизный щит также выполняется сборным.
При конструировании мансард важно определить, где и как будут опираться стропильные ноги:
- с опиранием низа стропил на мауэрлат;
- с выносом низа стропил за стену.
Если внутри здания установлены столбы или стойки (шаг 6–7 м), то при устройстве мансард также целесообразно применять наслонные стропила.
Конструирование висячих стропил
Висячие стропила применяют в тех случаях, когда в здании отсутствуют внутренние стены или опоры. Чаще всего для помещений зального типа и мансард. Впервые их применил итальянский зодчий эпохи Возрождения Андреа Палладио, поэтому их еще называют «палладиевыми» или итальянскими. Применение в чердачных крышах висячих стропил имеет целью решить одновременно два вопроса: при отсутствии внутренних вертикальных опор образовать одно-, двускатную крышу и при тех же условиях подвесить несущие конструкции чердачного перекрытия.
Конструктивное решение Главная составная часть этих стропил, кроме стропильных ног, – горизонтальный брус, называемый затяжкой. Говоря современным языком, висячие стропила представляют собой простейшие треугольные фермы, которые перекрывают пролет здания. Стержни наружного контура образуют верхний и нижний пояса ферм, укладываются через подкладки на стену. Вид фермы изменяется в зависимости от размера перекрываемого пролета. При пролетах более 8 м во избежание чрезмерного увеличения материала в состав фермы вводятся вертикальные стойки – главная составляющая этих стропил. Количество их зависит от величины перекрываемого пролета (устаревшее название стойки – «висячая бабка»). В месте пересечения подвески («бабки») с затяжкой образуется новый узел фермы, который позволяет предотвратить провисание затяжки. Стойки с горизонтальным брусом соединяются при помощи металлического хомута.
Висячие стропильные системы, как правило, выполняют из бруса, окантованных бревен, реже из досок. Соединение элементов происходит на врубках с помощью болтов и скоб. Иногда растянутый нижний пояс выполняют из металла; фермы называют металлодеревянными.
Конструирование комбинированной стропильной системы
При больших пролетах применяют комбинированную систему. Фермы (система висячих стропил) устанавливаются на расстоянии 3–4 м друг от друга. На верхние узлы фермы укладывается горизонтальный прогон, поддерживающий обычные наслонные (как правило, составные) стропила, которые опираются на мауэрлат и прогон. Шаг их принимают 0,8–1,2 м.
При строительстве мансарды очень важным является создание под крышей свободного от конструкций стропильной системы пространства, поэтому варианты с использованием висячих стропил являются более актуальными. Основными несущими конструкциями в этом случае являются треугольные фермы, которые располагают с шагом от 3 до 6 м, часто совмещая с расположением будущих стен мансарды. Пространство между фермами заполняют наслонными стропилами.
Сечение элементов висячей стропильной системы всегда больше сечения элементов наслонных систем. Это обусловлено особенностью работы системы в целом и сложностью выполнения сопряжений отдельных элементов. Также появляется затяжка, стягивающая нижние концы стропил. Расположение этой затяжки увеличивает высоту чердачного перекрытия, что приводит к лишним затратам. Рационально использовать затяжку висячих стропил в качестве балки чердачного перекрытия. Устройство мансарды с ломаной крышей также сочетает в себе комбинированное конструктивное решение стропильной системы – одновременное устройство наслонных и висячих стропил.
Схематично эту систему можно представить в виде прямоугольных треугольников, расположенных перпендикулярно стенам. Стойки этих треугольников служат каркасом стен помещения мансарды. Прямоугольные треугольники делаются по схеме наслонных стропил. Конструкция верхнего треугольника выполняется по любой из схем висячих стропил: с ригелем, с «бабкой» (одной или несколькими).
Для уменьшения нагрузки на балки перекрытия устанавливают дополнительные горизонтальные элементы – схватки Стойки нижних несущих треугольников опираются на лежень, если перекрытие выполнено железобетонным. При устройстве перекрытия из деревянных балок стойки врезают в балки перекрытия или на стену. Для увеличения карнизного свеса низ стропил выносят за пределы стены. В этом случае стропильную ногу опирают в край балки. Стропило в этом случае выполняют с обязательным введением под него подкоса. Крыши таких конструктивных схем, как правило, используются для очень крутых нижних скатов (от 55˚), на которых снег не задерживается, но увеличивается давление от ветровых нагрузок.
Конструирование мансардных крыш по слегам
Мансарды удобно размещать в подкровельном пространстве, крыша которого выполнена по слегам. Слега – несущий элемент крыши, а именно – балка, уложенная параллельно вверху стен. Такие крыши называются бесстропильными, а несущие фронтоны стен – самцами.
Бесстропильные крыши чаще всего применяются в деревянном рубленом домостроении. Однако замена материала слег с дерева на металл позволит использовать их в домах со стенами из мелкоштучных материалов.
