Стропильная система крыши. Виды, узлы и особенности монтажа

Стропильная система крыша - это деревянная каркасная конструкция,  которая воспринимает ветровые и снеговые атмосферные нагрузки. Конфигурация крыши наиболее широко варьируется по всей стране. Это связано с тем, что крыша играет самую активную роль из всех частей здания в защите от непогоды, а в России колебания погоды являются экстремальными. Одни крыши защищают в первую очередь от солнечного жара, другие должны укрывать жителей под тоннами снега. 

В районах со значительным количеством осадков крыши делают с большим уклоном, чтобы “сливать” дождь, в то время как теплый, засушливый климат, как правило, благоприятствует более плоским крышам. Наклон или уклон крыши измеряется как отношение подъема к проекции длины (например, ½ или ¼), либо имеет измерение в градусах. К примеру, говорят, что угол наклона данной крыши - 30 град. 

Формы крыш, как правило, имеют региональный характер, который  отражает не только климатические изменения, но и исторические влияния. Все формы крыши являются производными от четырех основных форм крыши, показанных ниже: плоская крыша,  односкатная крыша, двускатная крыша и шатровая крыша. 

Практически любая форма может быть выполнена путем объединения  четырех основных форм. Некоторые из этих сложных форм  настолько распространены, что имеют свои собственные названия. Например, двускатная (фронтонная) форма и четырехскатная могут сочетаться, образуя голландский фронтон. Два различных уклона двускатной крыши могут объединяться,  образуя вальмовую крышу. К двускатной крыше можно пристроить мансарду и так далее. Четыре общие комбинации показаны ниже. 

Крыши строятся либо из отдельных элементов - стропил (балочные каркасные  крыши), либо из ферм заводского изготовления. Классические системы обычно изготавливаются из бруса или доски, но могут также использоваться композитные  материалы, такие как двутавровые деревянные балки.  Балочные стропильные системы возникли еще до развития  каркасного строительства в 19 веке.  Предшественников современной каркасной стропильной системе можно увидеть на древних крышах по всему миру.  Современная деревянная поэлементная стропильная система остается популярной, потому что это самая удобная с точки зрения монтажа система крыши, а материалы наименее дороги.  Фермы изготавливаются из нескольких небольших элементов  (обычно 2х4 м), соединенных на заводе или в цехе для создания одного длинного конструктивного узла. Только в очень простых зданиях (например, ангарах или производствах) экономия труда при сборке ферменной системы конкурирует с  классической стропильной системы из отдельных элементов. 

Одно из преимуществ стропил из балок заключается в  том, что пространство внутри конструкции крыши может стать жилым пространством или неэксплуатируемым техническим помещением. Полуэтажные (мансардные) жилые помещения на верхних этажах и настоящие складские чердаки - примеры разнообразия использования. Второе преимущество заключается в том, что сложные крыши значительно экономичней сделать из отдельных элементов, нежели чем из ферм.  

Фермы позволяют перекрывать значительно большие пролеты, чем  стропильные системы из обычной доски, оставляя большие открытые пространства под ними  или позволяя перемещать перегородки без учета конструкции крыши выше. Фермы быстро поднимаются вверх при помощи спецтехники, что обычно приводит к экономии временных затрат при монтаже крыши в здания простой формы. Большим недостатком  ферм является то, что ферменную крышу практически невозможно реконструировать, так как фермы никогда не следует резать или иным способом нарушать целостность  готовых элементов. 

В дополнение к выбору высоты, формы и  структуры, рассмотренным выше, многие другие решения вносят свой вклад во внешний вид и форму крыши. К ним относятся выбор обшивки, подстилающего слоя и кровельного материала; форма карнизных и фронтонных выносов; желоба и водосточные трубы; изоляция и вентиляция кровли. Все эти вопросы обсуждаются в данной статье. 

Размеры стропил обычно составляют 45х145, 45х195 мм, а  расстояние между ними обычно составляет от 60 см до 100 см. Распространенный шаг 60 см связан с шириной утеплителя. Размер стропил зависит в первую очередь  от пролета, шага, нагрузки на крышу, а иногда и от  требуемой толщины изоляции.  Ниже приведена таблица с соотношением размера стропильных ног и пролетов. 

Стропильная балочная система может поддерживаться стенами  здания, конструктивной коньковой балкой или прогонами. Односкатная крыша—самая простая наклонная крыша— имеет стропила, которые простираются от одной стены до другой. Эти стропила должны быть достаточно прочными, чтобы выдержать вес самих балок и последующих конструктивных слоев, а также вес снеговой нагрузки. Стропила также должны быть достаточно высокими, чтобы между ними можно было установить достаточно толстый слой изоляции. Общая нагрузка на крышу переносится на концы стропил, где она опирается на стены. В простом примере на картинке: каждая стена несет часть постоянной и переменной нагрузки на крышу.  

Висячая крыша (треугольное сечение, безконьковое)—стропила устанавливаются по парам без опирания на конек. Каждая стропила охватывает только половину  расстояния между двумя стенами (двускатная крыша,  показанная на чертеже, является самым простым вариантом).  Горизонтальные стяжки—потолочные балки или чердачные—  образуют треугольник со стропилами. Потолочные балки обычно расположены на верхней обвязке стен или мауэрлате, но также могут  быть расположены выше, образуя частично сводчатый потолок или полумансарду.  Соединения стропил в верхней точке обычно реализуется при помощи перфоленты или специализированного крепежа. Также часто узел усиливается дополнительными хомутами. Висячие стропила - достаточно слабая с точки зрения восприятия нагрузки схема. Поэтому используется при маленьких пролетах. Утепление осуществляется по горизонтальным стяжкам 

Горизонтальных связей,  необходимых для двускатной крыши, можно избежать, если стропила прикреплены на коньке к несущей коньковой балке (или стене), что эффективно превращает двускатную крышу в две односкатные крыши, как показано на рисунке ниже. 

Прогоны — это горизонтальные элементы, которые поддерживают  несколько стропил, обычно в середине пролета. Прогоны используются для поддержки большепролетных конструкций или, когда нет возможности применять стропила большого сечения. Смысл прогонов в уменьшении пролета стропил и ,как следствие, увеличении несущей способности всей системы. Сами  прогоны должны опираться на столбы или на несущие стены как показано на рисунке ниже. 

Потолочные балки очень похожи на балки пола. На самом деле балки  второго этажа двухэтажного здания служат  потолочными балками для нижнего этажа. Потолочные балки отличаются  от балок пола только тогда, когда над балками нет пола  (кроме мансардного этажа).  Потолочные балки имеют такие же размеры, как и балки пола. Пролет  балок зависит от расстояния между ними и от того, будет ли чердак над балками использоваться для хранения. 

В месте опирания стропил на стены или несущие балки делается специализированный вырез в стропильной ноге. В американской практике называется “bird’s mouth” - птичий клюв. У нас просто стропила “запиливаются”.  

Везде, где угол наклона крыши меняется от пологого  к крутому (как в вальмовой крыше) или от крутого к пологому (как в мансардной крыше), оба конца стропил должны иметь опору. Если изменение уклона происходит над стеной, то сама стена будет обеспечивать опору.  Если изменение  уклона не происходит над стеной, то опора должна быть обеспечена прогонами или балкой  (хребтом). 

Обрамление элементов, выступающих через  крышу здания—световые люки, дымоходы и слуховые окна—  начинается с прямоугольного отверстия в стропильной системе.  Для проемов в одной плоскости крыши, обрамленных полностью  общими стропилами, обрамление делается относительно легко.  Отверстие шириной в три стропила или меньше может быть сделано  путем прерывания стропил и удвоения  боковых стропил, как показано ниже. Очевидно, что это более  эффективно, если ширина и расположение проема соответствуют расстоянию между  стропилами. При устройстве больших проемов стропила должны быть проверены расчетами на несущую способность. Отверстия, которые пересекают коньки, хребты и ендовы или изломы при изменении высоты, должны иметь дополнительные точки опирания и должны быть отдельно рассчитаны по нагрузкам. 

Обрамление отверстий в большинстве случаев  либо отвесны, либо перпендикулярны стропилам, как показано  на рисунке ниже. Материал обрамления ответных отверстий должен иметь сечение выше, чем стропила. 

Мансардные окна часто имеют ширину более трех стропил , поэтому их конструкция должна быть рассчитана по прогибам по 2-му предельному состоянию проектировщиком. Отверстие в крыше должно быть сконструировано таким образом, чтобы выдерживать все нагрузки, налагаемые весом самого слухового окна и снеговой нагрузкой. Мансардные стены и крыша имеют ту же конструктивную схему, как стены и крыша главного здания. 

Внутренний угол двух пересекающихся плоскостей крыши называется ендовой. В большинстве случаев ендовы - это сдвоенные стропильные ноги, которые опираются на стены и на коньковые балки. Эти ендовы воспринимают большие нагрузки и должны быть отдельно спроектированы. Соединительные стропила поддерживают область между стропилами ендовы и коньковой балкой.

Как показано на рисунках, стропила ендовы могут поддерживаться  сверху коньковой балкой или брусом обрамления. Система поддержки коньковой балкой более практична, когда коньки пересекающихся  крыш находятся близко друг к другу; однако система поддержки брусом обрамления лучше, когда нижний конёк пересекает основную крышу вблизи или ниже центра стропильного пролета.  Там, где не требуется пространство между пересекающимися крышами, можно построить более простую “имитацию кукушки”. Эта кукушка сделана без стропил ендовы. Одна крыша сначала строится полностью из обычных стропил без какого-либо специального обрамления. Затем две направляющие устанавливаются над стропилами или над обшивкой первой крыши, а доборные стропила крепятся к направляющим. 

Хребет - это внешний угол, где сходятся две плоскости  крыши. Он состоит из хребтовых стропил в качестве основных несущих элементов на пересечении и доборных стропил от хребта до карниза. Хребты опирается на своем нижнем конце на стену на уровне обвязки (или на столб), а на своем верхнем конце на конек (или на стену).  Большинство вариантов стропильной системы подразумевают, чтобы хребты выступали ниже нижнего края основных стропил. Часто хребтовые балки делают бОльшего сечения, чем основные стропила. Это связано с тем, что хребты воспринимают всю нагрузку от стропил. 

Прочность, точность изготовления и большая  длина, которые делают деревянные двутавровые балки подходящими для каркаса  пола , также указывают на их возможность использование для  каркаса крыши. Двутавровые балки, используемые в качестве стропил, составляют основную массу  конструкционных пиломатериалов, используемых для стропильной системы; и они более жесткие, прочные и легкие, чем их  твердоспиленные аналоги.  Несмотря на множество преимуществ, инженерные конструкции в качестве каркаса  крыши не получили такого взрывного роста, как  в случае с каркасом перекрытий. Отчасти причина в том, что  крыша, выполненная из балок, требует больших трудозатрат и дополнительных знаний. Большинство узловых решений применяемых для обычных досок, не пригодны для двутавровых балок. Также требуется применение дополнительных вставок и заполнений в связи с формой двутавра. Это добавляет время и  трудозатраты.  

Еще одно различие между каркасными крышами из цельного пиломатериала или двутавровых конструкций заключается в том, что i-joists почти всегда требует несущей коньковой балки. Это означает, что нагрузка на крышу должна переноситься вниз к фундаменту через вертикальные несущие элементы -столбы или стены. Соотношение затрат и выгод для каркасных крыш с инженерным балками благоприятствует его использованию только для простых двускатных, четырехскатных, мансардных и шатровых кровель. 

Однако многие строители нашли способы совместить преимущества как сплошных пиломатериалов (доски и бруса) и деревянных двутавров на одном и том же здании. В этих гибридных крышах двутавры используются для основных форм, а полнотелые пиломатериалы используются для более мелких деталей и более сложных форм. 

Общие принципы каркаса, применимые к каркасу крыши из цельного пиломатериала, также справедливы для инженерных двутавров. Стоит отметить, что для выполнения проектных работ инженерные элементы кровли из двутавров должны быть установлены полностью в соответствии с инструкциями производителя.