Двускатная крыша образуется на базе каркаса, сочетающего в себе элементарность устройства и непревзойдённую надёжность. Но этими достоинствами костяк кровли в два прямоугольных ската может похвастаться только в случае тщательной подборки стропильных ног.
К расчётам стоит приступать, если вы понимаете, что стропильная система двускатной кровли - это комплекс треугольников, самых жёстких элементов каркаса. Они собираются из досок, размер которых играет особую роль.
Определить длину прочных досок для стропильной системы поможет формула a²+ b²= c², выведенная Пифагором.
Длину стропила можно найти, зная ширину дома и высоту крыши
Параметр «a» обозначает высоту и выбирается самостоятельно. Он зависит от того, будет ли подкровельное пространство жилым, также имеет определённые рекомендации, если планируется мансарда.
За буквой «b» стоит ширина здания, разделённая надвое. А «c» представляет собой гипотенузу треугольника, то есть длину стропильных ног.
Допустим, что ширина половины дома равна трём метрам, а крышу решено сделать высотой два метра. В этом случае длина стропильных ног будет достигать 3,6 м (c=√a²+b²=4+√9=√13≈3,6).
К цифре, полученной из формулы Пифагора, следует приплюсовать 60–70 см. Лишние сантиметры понадобятся, чтобы вынести стропильную ногу за стену и сделать необходимые запилы.
Шестиметровое стропило - самое длинное, поэтому подходит в качестве стропильной ноги
Максимальная длина бруса, используемого в качестве стропильной ноги, – 6 м. Если требуется прочная доска большей длины, то прибегают к приёму сращения - прибиванию к стропильной ноге отрезка от ещё одного бруса.
Для различных элементов стропильной системы существуют свои стандартные размеры:
Толщина каждой детали несущей конструкции кровли обусловливается нагрузкой, которую ей предстоит испытывать.
Брус сечением 10х20 см идеально подходит для создания стропильной ноги
На сечение стропильных ног двускатной кровли влияет:
Наиболее существенно на сечении стропильных ног сказывается шаг стропил. Увеличение расстояния между брусьями влечёт за собой усиление давления на несущую конструкцию кровли, а это обязывает строителя использовать толстые стропильные ноги.
Давление на стропильные ноги бывает постоянным и переменным.
Время от времени и с разной интенсивностью на несущую конструкцию крыши воздействуют ветер, снег и атмосферные осадки. В общем, скат кровли сравним с парусом, который под напором природных явлений может порваться.
Ветер стремится опрокинуть или приподнять крышу, поэтому важно произвести все расчёты правильно
Переменная ветровая нагрузка на стропила определяется по формуле W = Wo × k x c, где W - это показатель ветровой нагрузки, Wo - значение ветровой нагрузки, характерной для определённого участка России, k - поправочный коэффициент, обусловливаемый высотой сооружения и характером местности, а c - аэродинамический коэффициент.
Аэродинамический коэффициент может колебаться в рамках от -1,8 до +0,8. Минусовое значение характерно для поднимающейся крыши, а плюсовое - для кровли, на которую ветер давит. При упрощённом расчёте с ориентацией на улучшение прочности аэродинамический коэффициент считают равным 0,8.
Расчёт ветрового давления на крышу основывается на местонахождении дома
Нормативное значение ветрового давления узнают по карте 3 приложения 5 в СНиП 2.01.07–85 и специальной таблице. Коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте, тоже стандартизован.
На ветровой нагрузке отражается не только местность. Большое значение имеет зона расположения жилья. За стеной из высоких зданий дому почти ничего не грозит, но на открытом пространстве ветер может стать для него серьёзным врагом.
Снеговая нагрузка на систему стропил вычисляется по формуле S = Sg × µ, то есть вес снежной массы на 1 м² умножается на поправочный коэффициент, на значении которого отражается степень наклона кровли.
Вес снегового пласта указан в СНиП «Стропильные системы» и определяется типом местности, где построено здание.
Снеговая нагрузка на крышу зависит от того, где расположен дом
Поправочный коэффициент, если скаты кровли кренятся менее чем на 25°, приравнивается к единице. А в случае наклона крыши на 25–60° этот показатель уменьшается до 0,7.
Когда крыша наклонена более чем на 60 градусов, снеговую нагрузку сбрасывают со счетов. Всё-таки с крутой кровли снег скатывается быстро, не успевая оказать негативного влияния на стропила.
Нагрузками, воздействующим беспрерывно, считают вес кровельного пирога, включая обрешётку, утеплитель, плёнки и отделочные материалы для обустройства мансарды.
Кровельный пирог создаёт постоянное давление на стропила
Вес кровли - это сумма веса всех материалов, использованных при строительстве крыши. В среднем он равен 40–45 кг/м.кв. По правилам на 1 м² стропильной системы не должно приходиться более 50 кг веса кровельных материалов.
Чтобы в прочности стропильной системы совсем не осталось сомнений, к расчёту нагрузки на стропильные ноги стоит добавлять 10%.
| Тип кровельного финишного покрытия | Вес в кг на 1 м² |
| Рулонное битумно-полимерное полотно | 4–8 |
| Битумно-полимерная мягкая черепица | 7–8 |
| Ондулин | 3–4 |
| Металлическая черепица | 4–6 |
| Профнастил, фальцевая кровля, оцинкованные металлические листы | 4–6 |
| Цементно-песчаная черепица | 40–50 |
| Керамическая черепица | 35–40 |
| Шифер | 10–14 |
| Сланцевая кровля | 40–50 |
| Медь | 8 |
| Зелёная кровля | 80–150 |
| Черновой настил | 18–20 |
| Обрешётка | 8–10 |
| Сама стропильная система | 15–20 |
Сколько стропил понадобится для обустройства каркаса двускатной кровли, устанавливают, разделив ширину крыши на шаг между брусьями и прибавив к полученному значению единицу. Она обозначает добавочное стропило, которое потребуется поставить на край кровли.
Допустим, между стропилами решено оставлять по 60 см, а длина крыши составляет 6 м (600 см). Получается, что необходимо 11 стропил (с учётом добавочного бруса).
Стропильная система двускатной крыши - это конструкция из определённого количества стропил
Чтобы определить расстояние между брусьями несущей конструкции кровли, следует обратить пристальное внимание на такие моменты, как:
Через 90–100 см стропила принято располагать в случае выбора лёгкого кровельного материала
Нормальным для стропильных ног считается шаг в 60–120 см. Выбор в пользу 60 или 80 см делают в случае строительства кровли, наклоненной на 45˚. Таким же маленьким шаг должен быть при желании покрыть деревянный каркас крыши тяжёлыми материалами вроде керамической черепицы, асбоцементного шифера и цементно-песчаной плитки.
Расчёт стропильной системы сводится к установлению давления на каждый брус и определению оптимального сечения.
При расчёте стропильной системы двускатной кровли действуют следующим образом:
| Толщина доски - ширина сечения (B) | Ширина доски - высота сечения (H) | ||||||||
| 16 | 75 | 100 | 125 | 150 | - | - | - | - | - |
| 19 | 75 | 100 | 125 | 150 | 175 | - | - | - | - |
| 22 | 75 | 100 | 125 | 150 | 175 | 200 | 225 | - | - |
| 25 | 75 | 100 | 125 | 150 | 175 | 200 | 225 | 250 | 275 |
| 32 | 75 | 100 | 125 | 150 | 175 | 200 | 225 | 250 | 275 |
| 40 | 75 | 100 | 125 | 150 | 175 | 200 | 225 | 250 | 275 |
| 44 | 75 | 100 | 125 | 150 | 175 | 200 | 225 | 250 | 275 |
| 50 | 75 | 100 | 125 | 150 | 175 | 200 | 225 | 250 | 275 |
| 60 | 75 | 100 | 125 | 150 | 175 | 200 | 225 | 250 | 275 |
| 75 | 75 | 100 | 125 | 150 | 175 | 200 | 225 | 250 | 275 |
| 100 | - | 100 | 125 | 150 | 175 | 200 | 225 | 250 | 275 |
| 125 | - | - | 125 | 150 | 175 | 200 | 225 | 250 | - |
| 150 | - | - | - | 150 | 175 | 200 | 225 | 250 | - |
| 175 | - | - | - | - | 175 | 200 | 225 | 250 | - |
| 200 | - | - | - | - | - | 200 | 225 | 250 | - |
| 250 | - | - | - | - | - | - | - | 250 | - |
Предположим, что α (угол наклона крыши) = 36°, A (расстояние между стропилами) = 0,8 м, а Lmax (рабочий участок стропильной ноги максимальной длины) = 2,8 м. В качестве брусьев используется материал из сосны первого сорта, а это значит, что Rизг = 140 кг/см².
Для покрытия кровли выбрана цементно-песчаная черепица, и поэтому вес крыши составляет 50 кг/м². Суммарная нагрузка (Q), которую испытывает каждый квадратный метр, равна 303 кг/м². А для строительства стропильной системы используются брусья толщиной 5 см.
Отсюда вытекают следующие вычислительные действия:
В таблице стандартных размеров нужно найти высоту сечения стропил, близкую к показателю 15,6 см. Подходящим является параметр, равный 17,5 см (при ширине сечения в 5 см).
Эта величина вполне соответствует показателю прогиба в нормативных документах, и это доказывается неравенством 3,125·Qr·(Lmax)³/B·H³ ≤ 1. Подставив в него значения (3,125·242·(2,8)³ / 5·(17,5)³), получится обнаружить, что 0,61 < 1. Можно сделать вывод: сечение пиломатериала выбрано верно.
Расчёт стропильной системы двускатной крыши - это целый комплекс вычислений. Чтобы брусья справились с возлагаемой на них задачей, строителю нужно безошибочно определить длину, количество и сечение материала, узнать нагрузку на него и выяснить, каким должен быть шаг между стропилами.
На выбор сечения стропил и шага их установки существенное влияние оказывает собственный вес кровли, материал которой, в свою очередь, зависит от уклона скатов крыши.
Скаты одной кровли обычно устраивают с одинаковым уклоном, который выбирают в зависимости от кровельного материала, способа его укладки, архитектурных требований и экономических соображений, а также от района строительства. С крутых кровель, с уклоном 45° и более, быстро удаляется атмосферная вода и снег, что учитывают при строительстве зданий в районах с большим количеством осадков. Но с увеличением уклона повышается стоимость кровли. Например, при возведении кровли с уклоном 45° требуется в полтора раза больше материала, чем для плоской, а при уклоне крыши в 60° - в два раза больше. В тех районах страны, где бывают сильные ветры, наиболее рационально устраивать пологие кровли, так как ветровая нагрузка на скаты таких кровель меньше и наоборот, в заснеженных районах с несильными ветрами, лучше делать крутые скаты, уменьшая снеговую нагрузку за счет скатывания снега.
Уклон скатов крыш в различных нормативных документах выражается по разному: в виде безразмерных величин (отношения высоты к половине пролета), в процентах и градусах (рис. 13). Самое понятное определение уклона в виде безразмерных единиц. Когда крыша строится, то конечно же, никто не измеряет наклон скатов в градусах транспортиром. Если при строительстве отсутствует проектная документация, задающая высоту устройства конька, поступают проще: измеряют пролет здания, находят центр и от него вверх с помощью ровной деревянной рейки выносят высоту равную, например, половине пролета (уклон 1: 1) или трети половины пролета (уклон 1: 3), или любую другую. Процентное определение уклона, на взгляд многих строителей, только запутывает работу.
Рис. 13. Взаимосвязь между безразмерной величиной уклона скатов крыши, углом в градусах и процентах
На уклон скатов крыши влияет и вид кровельного материала, так как при строительстве необходимо учитывать размер кровельного материала, способ его крепления, технологичность укладки и предусмотреть дальнейшую его ремонтопригодность и доступность обслуживания. Для скатных крыш применяют различные кровельные материалы: стальные оцинкованные листы, плоские и волнистые асбестоцементные и битумные листы, керамическую, цементную и металлическую черепицу, рубероид и другие. Выбор кровельного материала определяет величину угла наклона крыши. Чем плотнее материал кровли и герметичнее его стыки, тем меньше может быть уклон крыши, и наоборот, чем мельче размеры штучного кровельного материала, например, черепицы, тем круче должна быть крыша. Это объясняется не только большим количеством соединений малоразмерных деталей, а значит, возможным протеканием, но и большим весом кровли. Чем тяжелее кровельный материал, тем больший угол наклона нужно придать скатам. Рекомендуемые уклоны скатных крыш приведены в таблице 5.
Таблица 5
| Материал скатной кровли | Уклон крыши | Масса 1 м², кг |
|---|---|---|
| Волнистые а/ц листы: среднего профиля | от 1: 10 до 1: 2 | 11 |
| усиленного профиля | от 1: 5 до 1: 1 | 13 |
| Волнистые целлюлозно-битумные листы | от 1: 10 и более | 6 |
| Мягкая (гибкая) черепица | от 1: 10 и более | 9–15 |
| Из оцинкованной жести: с одинарными фальцами | от 1: 4 и более | 3–6,5 |
| с двойными фальцами | от. 1: 5 и более | 3–6,5 |
| Керамическая черепица | от 1: 5 до 1: 0,5 | 50–60 |
| Цементная черепица | от 1: 5 до 1: 0,5 | 45–70 |
| Металлочерепица | от 1: 5 и более | 5 |
Необходимо отметить, что в таблице приведены рекомендованные практикой и нормативными документами уклоны скатов кровель из различных материалов и их усредненный вес на квадратный метр. Однако рынок строительных материалов намного богаче, фирмы-изготовители кровельных материалов постоянно совершенствуют свою продукцию: снижают вес и модернизируют технические характеристики изделий. При выборе конкретного материала на кровлю лучше использовать техническую документацию фирмы-изготовителя.
В вес кровли входит вес обрешетки. Обрешеткой называют несущий элемент кровли, к которому собственно крепится сама кровля. Различают два вида обрешеток: сплошная и разреженная (рис. 14). Чтобы определить требуемый вид обрешетки и шаг установки решетин, нужно заранее определиться с видом кровельного покрытия.
рис. 14. Обрешетки скатных крыш
Разреженная обрешетка делается под жесткие кровельные материалы, то есть под те материалы, которые сами способны нести на себе снеговую и ветровую нагрузку и при этом не прогибаться и, тем более, не разрушаться. Разреженную обрешетку выполняют из деревянных жердей или пиленых брусков. В настоящее время в продаже появились П-образные оцинкованные металлические решетины. Шаг установки решетин и размер их сечения зависят от вида кровельного материала.
Под кровли из крупноразмерных штучных элементов: асбестоцементные листы среднего и унифицированного профиля длиной до 1,3 м и цементноволокнистые листы шаг раскладки обрешетки выбирают таким, чтобы под каждым листом оказалось три решетины. Обычно шаг решетин составляет 60 см под асбестоцементные и цементноволокнистые листы любой унифицированной длины. Сечение решетин обычно принимается 60×60 мм, можно и меньше, например, 40×60 мм, но тогда их нужно устанавливать чаще. Под волнистые целлюлозобитумные листы типа ондулин шаг обрешетки выбирается от имеющегося уклона скатов крыши. Он выбирается размером 45 см для уклонов от 1: 6 до 1: 4 и 60 см - для уклонов более 1: 4. Для крыш с уклоном скатов менее 1: 6 под ондулин делается сплошная обрешетка.
Под кровли из малоразмерных штучных элементов, например, из черепицы, шаг обрешетки принимается таким, чтобы каждая отдельная черепица легла на две решетины. Он может составлять от 16 до 40 см. Самый распространенный шаг примерно 33 см. При расчете веса кровельного покрытия лучше заранее определиться с выбором типа черепицы и уточнить шаг обрешетки. Обрешетку под черепицу при однослойном покрытии стелют из обрезных брусков сечением 50×50 или 50×60 мм, при двухслойном или тяжелой штампованной черепицей - сечением 60×60 мм.
При устройстве кровель из стального профилированного настила и его разновидности металлочерепицы, шаг решетин выбирается исходя из несущей способности материала. Обычно он составляет 35–40 см и равен поперечному шагу профиля металлочерепицы. Для обрешетки используются доски шириной примерно 100 мм.
Под мягкие кровельные материалы делается сплошная обрешетка. Применяемый для определения типа обрешетки термин - «сплошная» совсем не означает, что доски решетин прибиваются впритирку друг к другу. Обычно таким образом крепятся только две верхних и две нижних решетины, остальные образуют между собой зазор от 2 до 5 см. Решетины могут быть изготовлены из окромленого (ровного обрезанного с двух сторон по длине) или не кромленого теса толщиной 2–2,5 см. При применении не кромленых досок их располагают по скату кровли по типу комель к вершине, обзол с не кромленого теса должен быть обязательно снят.
Обрешетку под стальную кровлю выполняют сплошной или разреженной. Разреженную обрешетку делают из брусков сечением 50×50 мм, досок - 50×120 (140) мм, сплошную - из досок толщиной 30–40 мм. Бруски располагают через 200–250 мм друг от друга. Через каждые 1,4 м прибивают доски такой же толщины, как бруски, шириной до 140 мм (более широкие доски могут коробиться), которые необходимы для стыковки на них лежачих фальцев картин. Верх крыши - конек сбивают из досок шириной 200 мм.
В последнее время при использовании новейших кровельных покрытий стали часто использоваться контробрешетки. Контробрешеткой называют вторую, чаще всего сплошную обрешетку, выполненную под углом к первой. Угол наклона контробрешетки делают примерно равным 45°. Наклон решетин не только увеличивает пространственную жесткость крыши, но и позволяет сделать практически любую кровлю, за исключением, пожалуй, только черепичной, но при желании можно сделать и ее.
Сплошная обрешетка из досок в настоящее время почти не применяется ее заменили на сплошную обшивку скатов влагостойкой фанерой или плитами ОСП (OSB) (табл. 6).
Таблица 6
Приблизительный вес материала кровельного покрытия можно принять по таблице 5, а вес обрешетки нужно рассчитать исходя из выбранного материала и конструкции кровли. Для деревянных обрешеток применяются бруски хвойных пород. Объемный вес одного кубометра древесины равен 500–550 кг/м³. Если будет использована фанера или ОСП, то их объемный вес равен 600–650 кг/м³.
При определении нагрузки возникающей от собственного веса конструкци необходимо расчетную величину нагрузки увеличить на коэффициент надежности γ f = 1,1.
Монтаж стропильной системы своими руками - сложный процесс, требующий строгого соблюдения технологии и безошибочных расчетов.
На несущую конструкцию действуют постоянные нагрузки, учитывая которые выбирают , элементов обрешетки и контробрешетки и др.
Предлагаем ознакомиться с поэтапным процессом монтажа стропил и их расчетом.
Для монтажа стропил используют брус или доску определенного сечения, которое рассчитывается в процессе проектировки с учетом всех нагрузок.
Применяют только тщательно просушенные, обработанные антисептиком и огнеупорным составом заготовки, у которых минимальное количество сучков и отсутствуют даже мелкие трещины.
Влажность древесины должна находиться в пределах 20-23 процентов.
Некоторые фирмы предлагают уже заготовленные и нужным образом подготовленные стропильные «ноги».
Их достаточно правильно собрать на месте строительства.
Есть также готовые стропильные фермы.
Их монтаж еще более упрощается.
Крайне редко используют металлические стропила.
У них много недостатков: дороговизна, большой вес (оказывается дополнительная нагрузка на стены и фундамент), необходимость привлечения крана, появление ржавчины на сварочных швах и т.д.
Металлическую систему в основном применяют для промышленных построек.
Минус дерева в том, что оно со временем деформируется под воздействием нагрузок.
Поэтому используют комбинированные стропила из деревянных и металлических элементов.
Металлические применяются для повышения несущей способности конструкции.
К ним относятся ригели, подкосы, бабки и т.п.
Минусом такой стропильной системы является накопление конденсата на металле, что в свою очередь может спровоцировать загнивание деревянных частей.
Конструктивно стропильная система состоит из следующих элементов:
Однако полученное значение является усредненным.
Расчет ведется по данным из карты ветровых нагрузок и нескольким формулам, как в первом случае.
Также задействуют таблицу нормативного давления ветра и таблицу с коэффициентами.
Расчет ведется в следующем порядке:
Пользуются приведенными ниже данными.
Скатная крыша имеет систему наклонных плоскостей (скатов). Конструкция стропильной системы подбирается и рассчитывается, учитывая наличие опор для неё, тип покрытия, размеры и форму перекрываемого здания. Специальный расчёт поможет подобрать необходимый размер стропильной ноги и обеспечить прочность крыши.
Схема стропильной системы выбирается, исходя из условий количества опор для неё и расстояния между ними.
Наслонные стропила опираются на внешние несущие стены зданий и на дополнительные внутренние опоры, в случае если расстояние между основными опорами превышает 4,5 м. Стропильная нога снизу опирается на опорный брус (мауэрлат), который передаёт вес от крыши на стену здания. Верхний конец соединяется с коньковым прогоном и другой стропильной ногой.
1, 2 — висячая стропильная система. 3, 4 — наслонная стропильная система. a — стропила, b — затяжка, c — ригель, d — прогон, e — мауэрлат, f — подкос, g — стойка.
Висячий вид стропильных систем имеет затяжку на уровне нижних опорных узлов или выше их и не предполагает промежуточных опор. Расстояние между внешними несущими опорами не должно превышать 6,5 м. Этот вариант устройства стропильной конструкции можно отнести к треугольным фермам. Расстояние в плане между ними принимается 1,3-1,8 м.
Этернитовые кровли представляют собой плоские или волнистые листы из асбестоцемента. Это дешёвый вид кровельного покрытия, который достаточно прост в монтаже. В последнее время исследования показали его вредное влияние на здоровье человека.
К шиферным относятся и сланцевые кровли. Они сооружаются из природного материала слоистой структуры сланца. Еврошифер, ондулин являются потомками обыкновенного шифера. Представляют собой спрессованное стекловолокно или целлюлозу, которые пропитаны битумом.
Металлическое покрытие часто используется в строительстве жилых зданий. Оно надёжно защищает дом от атмосферного влияния, имеет малый вес и не трудоёмко в монтаже. К этому виду кровель можно отнести профнастил, оцинкованную сталь, алюцинк.
Рулонные относятся к мягким видам кровель. Они водонепроницаемы, устойчивы к влиянию окружающей среды и удобны в монтаже. К ним относятся такие виды:
Если раньше черепичные кровли были только керамическими, то сегодня встречаются: цементно-песчаные, битумные и металлочерепица.
Деревянные кровли используются редко из-за трудности устройства. Они бывают гонтовые, драничные, шиндебль, лемех, тёсовые.
Светопропускающие кровли изготавливаются из полимерных материалов и стекла. К ним можно отнести сотовый поликарбонат, гофрированный поливинилхлорид, триплекс, полиэстер и др.
Кровельный настил или обрешётка является основанием для кровли. Его делают из досок или брусков. При устройстве металлической, деревянной или черепичной крыши брус обрешётки принимается сечением:
Для других видов можно использовать доски 2,5 см толщиной. Под рулонную кровлю устраивается двойной настил из досок. Рабочий нижний слой настилается перпендикулярно направлению стропил с прозорами. Верхний укладывается под углом 45° к нижележащему слою. Ширина досок для него принимается не более 8 см, а толщина составляет 2 см.
Деревянные стропила применяются бревенчатые, спиленные на один кант, из пилёного леса (брус, доска, уложенная на ребро). Для наслонных стропил лучше подойдёт круглое сечение бревна. Диаметр их составляет 12-20 см. Преимущества использования бревна по сравнению с доской или брусом следующие:
Между стропильными ногами допускается шаг 1,0-1,5 м. Сечение их определяется по расчёту, исходя из прочности, а также жёсткости конструкции. Для этого определяется расчётная постоянная нагрузка на стропилу, включающая в себя расчет постоянных нагрузок на один погонный метр кровли и снеговую нагрузку.
Схема распредеения нагрузки по стропильной ноге: α — угол наклона кровли, q — общие постоянные нагрузки, q
Исходными данными для расчета принимаются:
Выбор параметров, а также подбор большинства коэффициентов зависит от материала кровельного покрытия и подробного состава кровельного пирога.
Для наклонных кровель постоянные нагрузки рассчитываются по формуле:
Стропильная нога рассчитывается также на жёсткость (прогиб). Здесь используется нормативная нагрузка:
Коэффициенты с е и c t принимаются согласно требованиям СП 20.13330.2011 раздел 10 «Снеговые нагрузки» в соответствии с 10.5 и 10.6. Для частного дома со скатной крышей с уклоном кровли свыше 20° коэффициенты с е и с t равны единице, следовательно, формула снегового покрова:
µ — коэффициент, который зависит от угла наклона крыши и определяется согласно приложению «Г» СП 20.13330.2011:
Вес снегового покрова по районам можно уточнить в СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия», где также определяется номер района по карте приложения Ж.
Вес снегового покрова S g
| Район | I | II | III | IV | V |
| S g кг/м 2 | 80 | 120 | 180 | 240 | 320 |
Поскольку стропильная нога подвергается изгибу от воздействия на неё нагрузок, её проверяют на прочность как изгибаемого элемента, по формуле:
М < m и R и W нт
В индивидуальном порядке рассчитывается момент сопротивления и момент инерции для материала стропил. По полученным данным подбирается требуемый размер конструктивных элементов стропил.
Предложенный расчёт является примерным и требует дополнения в виде предельно допустимой длины опорных элементов, расстановки распорных или подпорных балок и стоек.
Рассмотрим черепичную керамическую кровлю на двухскатной крыше в районе Москвы (III климатический район).
Угол наклона 27°; cos α = 0,89; шаг стропил по оси — 1,3 м; расчётный пролёт стропил — 4,4 м. Обрешётка принимается из бруса 50х60 мм.
Вес крыши на 1 м 2:
Итого: g н = 62 кг/м 2
Момент сопротивления:
Момент инерции (I), который необходим из условия возможного прогиба f = 1/150 l; E = 100 000 кг/см 2 ; qн = 201 кг.
По специально разработанным таблицам можно определить диаметр бревна для стропил.
Диаметр бревна (см) в зависимости от W и J (для брёвен, стёсанных на один кант).
| Условные обозначения | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 |
| J | 1359 | 1828 | 2409 | 3118 | 3974 | 4995 | 6201 |
| W | 211 | 263 | 324 | 393 | 471 | 559 | 658 |
Согласно приведённой таблице определяем диаметр бревна — 18 см.
Возьмём все данные от предыдущего примера, но для кровли из ондулина. Необходимо рассчитать сечение стропильной ноги из бруса.
Угол наклона 27°; cos α =0,89; шаг стропил по оси — 1,3 м; расчётный пролёт стропил — 4,4 м. Обрешётка принимается из бруса 50х60 мм.
Вес крыши на 1 м 2:
Итого: gн = 20,4 кг/м 2
Момент сопротивления:
Момент инерции (I), который необходим из условия возможного прогиба f = 1/150 l; E = 100 000 кг/см 2 ; qн = 153,3 кг.
Принимаем брус высотой 15см. Для бруса высотой более 14 см Rи = 150 кг/см 2 . Поэтому:
По таблице определяем размер сечения бруса для стропил.
Ширина (b) и высота (h) бруса в зависимости от W и J.
| Условные обозначения | ||||||||
| 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | ||
| 1829 | 2058 | 2287 | 2515 | 2744 | 2973 | 3201 | ||
| 261 | 294 | 327 | 359 | 392 | 425 | 457 | ||
| 2250 | 2531 | 2812 | 3094 | 3375 | 3656 | 3937 | ||
| 300 | 337 | 375 | 412 | 450 | 487 | 525 | ||
Принимаем для стропильной ноги брус сечением 10х15 см.
Приведённые формулы можно использовать для расчёта других покрытий крыши. При этом рассчитывается нагрузка на стропильную ногу исходя их выбранного варианта. В формулах могут меняться:
Сопряжение стропильных ног между собой и прогоном должно быть надёжным. Это обеспечивает отсутствие разрушающего распора на стены здания. Деревянные конструкции необходимо время от времени осматривать, поэтому при сооружении наслонных стропил расстояние от отметки верха чердачного перекрытия до нижней отметки мауэрлата принимается не менее 400 мм.
Двускатные крыши и сегодня являются традицией частного домостроения. Правильное устройство крыши — это прочный, долговечный и красивый дом.
Устройство крыши
Расчет размеров, определение угла наклона
1. Когда у Вас есть пролет и угол наклона
2. Когда у Вас есть пролет и высота конька
Расчет по пролету и углу наклона:
L= L1 + L2 = (В + С) / cos a
где L1
= C / cos a
L2
= B / cos a
C
– выступ стропильной ноги (см. рисунок)
B
– ширина пролета (см. рисунок)
а
– угол наклона в градусах (если у вас угол дан в промилях или процентах – можете перевести )
Расчет по пролету и высоте конька:
L= L1 + L2
Длина стропильной ноги L в обоих случаях будет максимально приближена в реальному размеру.
Например: Ширина пролета B= 4250 мм, выступ С = 1000мм и угол наклона мы хотим 35 градусов.
Пользуемся 1-ым вариантом расчета, когда известен пролет и угол наклона.
Длина стропильной ноги L = L1 + L2 = 4250/cos35 + 1000/cos35 = 4250/0.819 + 1000/0.819 = 5189 + 1221 = 6410 мм
Сбор нагрузок на стропильную систему
На рисунке показаны две грузовые площади (заштрихованы): на стропильную ногу №1 (F=L·D) и на стропильную ногу №2 (F=0,5·D·L). Логично, что площадь №2 в два раза меньше, чем площадь №1, а следовательно и стропильная нога №2 несет нагрузку в 2 раза меньше и сечение ее должно быть меньше, но с целью унифицирования конструкций стропильных ног, мы будем рассчитывать наиболее нагруженную и полученное сечение принимать для всех.
Например: длина стропильной ноги (возьмем с предыдущего примера) L=6410 мм, а расстояние между ними 900 мм. Следовательно, грузовая площадь на наиболее нагруженную стропильную ногу будет равна:
F=L·D = 6410 мм · 900 мм = 5 769 000 мм2 или 5,769 м2
Снеговая нагрузка – это основная нагрузка, которая действует на стропильную систему.
Искомая величина снеговой нагрузки равна
S = μ·Sg
Если угол а ≤ 30 градусов
, то μ=1
- если угол 30 , то 0)
- если угол а ≥ 60 градусов
, то μ=0
(т.е. снег не будет задерживаться на крыше)
Например: район строительства – г. Томск (снеговая нагрузка Sg=240 кг/м2), уклон крыши а=35 градусов.
30
μ=0,033·(60-а) =0,033·(60-35)=0,825
S = μ·Sg = 0,825·240=198 кг/м2
Ветровая нагрузка – немаловажная составляющая любого расчета. В зависимости от угла наклона крыши ветровая нагрузка действует по-разному. Если угол наклона меньше 30 градусов, то ветер огибает конек и создает завихрения, которые приподнимают крышу. Если же угол наклона больше 30 градусов, то ветер пытается опрокинуть крышу.
Вдаваться во все детали аэродинамики мы не будем и облегчим расчет, не сильно отклоняясь от реального значения.
Искомое значение ветрового давления:
W = Wo·k·c
Где Wo
– нормативное значение ветрового давления (посмотреть можно )
k
– коэффициент, который учитывает изменение ветрового давления по высоте
с
– аэродинамический коэффициент (принимаем максимально возможное значение – 0.8)
Коэффициент k можем наблюдать в таблице ниже.
Например: район строительства – г. Томск (ветровая нагрузка Sg=53 кг/м2), строительство ведем вблизи лесного массива, высота нашего строения 7м (до конька).
Подставляем значения в формулу и получаем следующее значение ветровой нагрузки:
W = Wo·k·c = 53·0,65·0,8 = 27,56 кг/м2
Постоянные нагрузки
Для подсчета точных значений нагрузок делайте следующее: берите 1 м2 вашей грузовой площади и считайте массу всего, что туда попадает. Если же сложно подсчитать на 1м2 площади – возьмите всю площадь крыши целиком и посчитайте ту же массу стропильных ног и поделите на площадь.
Например: сечение стропильной ноги 100х200 мм, материал сосна (плотность - 500кг/м3), ее длина 6410 мм, длина здания 9 метров, а шаг стропил 0,9м.
Значит, количество стропильных ног будет 11шт. Масса одной стропильной ноги – 0,1м · 0,2м · 6,410м * 500кг/м3 = 64,1 кг.
А масса всех будет равна 11шт · 64,1кг = 705,1 кг
Площадь, на которую простираются все эти 10 стропильных ног:
6,410 м · 9 м = 57,69м2
Постоянные нагрузки
будут собираться из следующих:
1. Вес кровельного материала
- Мягкая черепица – 12 кг/м2
- Металлочерепица – 5 кг/м2
- Натуральная черепица – 50 кг/м2
- Шифер – 13 кг/м2
- Битумные волнистые листы – 5,5 кг/м2
- Профнастил – 5 кг/м2
- Сланцевая кровля – 50 кг/м2
- Фальцевая кровля – 6 кг/м2
- Руберойд – 2 кг/м2
2. Вес обрешетки
15-25 кг/м2
3. Вес утеплителя/гидро-пароизоляции
10-20 кг/м2
4. Собственный вес стропильной системы
10-20 кг/м2
Например:
1. Нагрузка от стропильной ноги – 12,22 кг/м2 (посчитано ранее)
2. Нагрузка от утеплителя/гидро-пароизоляции - 13 кг/м2
3. Нагрузка от обрешетки – 22 кг/м2
4. Нагрузка от кровельного материала (профнастил) – 5 кг/м2
ИТОГО: G = 12,22+13+22+5 = 52,22 кг/м2
Коэффициенты надежности по нагрузке
Все нагрузки, которые мы посчитали выше – это нормативные нагрузки.
При подсчете нагрузок не бывает идеальных условий, поэтому чтобы обезопасить себя, каждая нормативная нагрузка умножается на коэффициент надежности по нагрузке и получается расчетная нагрузка, которую мы уже и будем использовать при расчете на прочность.
Коэффициенты надежности по нагрузке согласно СНиП следует принимать следующими:
Снеговая нагрузка – 1.4
Ветровая нагрузка – 1.4
Сочетание нагрузок
Теперь, зная коэффициенты, давайте окончательно узнаем значение всех уже расчетных нагрузок.
Снеговая нагрузка: S расч= 198 кг/м2 · 1,4 = 277,2 кг/м2
Ветровая нагрузка: Wрасч = 27,56 кг/м2 · 1,4 = 38,58 кг/м2
Постоянная нагрузка: Gрасч = 52,22кг/м2 · 1,1 = 57,44 кг/м2
Уже для полного осведомления, расскажу, что просто получившиеся нагрузки суммировать не правильно – результат получится выше.
Иногда на расчетную конструкцию действуют сразу много нагрузок. К примеру, постоянная нагрузка от конструкции, полезная нагрузка от нахождения людей, полезная нагрузка от мебели, снеговая нагрузка, ветровая нагрузка и прочие. Но шанс, что все их максимальные значения будут действовать одновременно, близится к нулю. Поэтому временные нагрузки распределяют еще на кратковременные и длительные, и вводят для них свои коэффициенты сочетания. Где-то 0,9, а где-то и 0,3. И при суммировании данных нагрузок, их просто умножают на эти коэффициенты.
Но в нашем случае у нас не так много нагрузок, и мы их просуммируем без коэффициентов сочетаний (хуже не будет).
u = 277.2 + 38.58 + 57.44 = 373,22 кг/м2
Т.е. одна стропильная нога с грузовой площадью №1 равной 5,769 м2 (считали выше) будет нести нагрузку
Q = 373,22 кг/м2 · 5,769 м2 = 2 153 кг
А линейная распределенная нагрузка по длине стропильной ноги L=6,410м (считали выше) будет равна:
q = 2 153 кг / 6,410 м = 335,88 кг/м
Расчет стропильной системы
Расчет на прочность стропильной ноги будет основываться на следующей формуле:
M / W ≤ Rизг
Где M
– максимальный изгибающий момент
W
– момент сопротивления поперечного сечения изгибу
Rизг
– расчетное сопротивление изгибу (1-ый сорт древесины – 14 Мпа, 2-ой сорт– 13Мпа, 3-ий сорт – 8,5Мпа)
Момент сопротивления прямоугольного сечения:
W = b · h · h /6
Где b
– ширина сечения стропильной ноги
h
– высота сечения стропильной ноги
Если задаться, что высота h в 1,5 раза больше чем ширина b
W = b · (1.5 · b) · (1.5 · b) / 6 = 0.375·b·b·b
M / 0.375·b·b·b ≤ Rизг
b ≥ корень 3 степени (M / Rизг / 0,375)
Если задаться, что высота h в 2 раза больше чем ширина b , то в итоге мы будем иметь следующую формулу.
W = b · (2 · b) · (2 · b) / 6 = 0.667·b·b·b
M / 0.667·b·b·b ≤ Rизг
b ≥ корень 3 степени (M / Rизг / 0,667)
Исходные данные – сосна 1 сорт, а геометрия и нагрузки такие же как в примерах выше.
Максимальный изгибающий момент рассчитаем у нас на калькуляторе путем ввода значений, посчитанных выше либо по формуле M=q·L1·L1/8 (менее точная):
L1 = 5189 мм – основной пролет
L2 = 1221 мм – правая консоль
Результатом будем иметь максимальный изгибающий момент M=1008,7 кг·м
Переведем наш момент из кг*м в Н*мм.
M = 1008.7 кг*м · 10 · 1000 = 10 087 000 Н*мм
Зададимся отношением h/b=1,5, следовательно, формула прочности будет иметь следующий вид:
b ≥ корень 3 степени (M / Rизг / 0,375)
b ≥ корень 3 степени (10087000 / 14 / 0,375) ≥ 124,32мм
Принимаем b = 125 мм, а высота h тогда будет 1,5·125=187,5 мм. Принимаем h =200 мм.
Полученное сечение стропильной ноги – 125х200 мм
Если задались бы отношением h/b=2, то получили бы следующее:
b ≥ корень 3 степени (M / Rизг / 0,667)
b ≥ корень 3 степени (10087000 / 14 / 0,667) ≥ 102,61 мм
Принимаем b = 125 мм, а высота h тогда будет 2·125=250 мм. Принимаем h =250 мм.
Полученное сечение стропильной ноги – 125х250 мм
Заключение
Итак, в г. Томск для крыши под углом 35 градусов с шагом стропил 900 мм из сосны I сорта, высотой до конька 7м с профнастилом в качестве кровельного материала подойдут стропила сечением 125х200 мм.
P.S. данная статья писалась на протяжении нескольких дней и еще к ней будет сделан , поэтому автор будет очень благодарен, если Вы поделитесь данной статьей со своими друзьями и коллегами и напишете комментарий.
