Стропильная система: виды, описание конструкции, основные узлы и элементы, расчет, проектирование и строительство

Устройство скатной крыши базируется на стропилах – силовой несущей конструкции, удерживающей защитное кровельное покрытие. Это ответственная часть общего каркаса, которая в некоторых конфигурациях также выступает и корпусом мансарды. Чтобы стропильная система в полной мере соответствовала задачам эксплуатации дома, следует тщательно подойти к ее проектированию, расчету и монтажу.

Оригинальная конструкция стропил

Скатная крыша не может формироваться бетонными элементами по причине большой нагрузки, которые они могут давать на основной каркас и перекрытия. Поэтому даже сегодня оптимальным решением устройства кровельной базы остается деревянный «скелет» с балками и опорными элементами в треугольной конфигурации.

В некотором смысле стропильный каркас можно сравнить с обрешеткой. Основой для несущих балок служат кирпичные, каменные или деревянные стены, на которые и передается нагрузка от всей крыши с кровельным настилом. Оригинальная конструкция стропильной системы включает в себя ригельные части (балки), прогоны, стойки с опорами, подкосы и другие элементы.

Особое место в каркасе занимают мауэрлаты – к слову, способ их исполнения определяет принадлежность системы к традиционной или современной модели. Если в классических проектах мауэрлаты открывались наружу, то сегодня архитекторы с дизайнерами придумывают различные варианты их маскировки в кровельном «пироге». Можно сказать, это самая ответственная деталь конструкции, на которую приходится нагрузка от всего каркаса. Мауэрлат представляет собой массивную балку, которая непосредственно связывает фасадную стену и стропила. А теперь стоит рассмотреть другие элементы, формирующие каркас скатной крыши.

Составные части системы

Итак, непосредственной опорной базой для стропильной конструкции выступят мауэрлаты, расположенные поверх стеновой кладки. Как правило, укладывают две балки – по противоположным линиям ската. Следующим по значимости элементом можно назвать стропильную ногу. Это балки, которые под наклоном крепятся к мауэрлатам и соединяются в венцах, образуя треугольную конструкцию. Как правило, устраивается рядная обрешетка, выступающая базой для силовых элементов стропильной системы (затяжек, уголков, метизов и т. д.). Крепежная оснастка в дальнейшем позволит обеспечить надежное соединение между выполненной обрешеткой и кровельным покрытием.

Стропильная нога крепится к мауэрлатам разными способами с расчетом на снеговые и ветровые нагрузки, но одной лишь этой фиксации недостаточно. Поэтому в каркас вводятся промежуточные узлы стропильной системы, которые выступают конструкционными фиксаторами. К этой группе можно отнести прогоны, зятяжные балки и металлические трубы. В первых двух случаях речь идет о деревянных брусках, которые поперек или вдоль проходят по всей линии расположения стропильных ног, объединяя их в одну силовую конструкцию. Что касается металлических труб, то они крепятся не снаружи анкерами, как в случае с балками, а вводятся и пронизывают элементы обрешетки через специальные отверстия.

Виды стропильной системы

Уже отмечалось, что в нижней области стропильные ноги ложатся и фиксируются к мауэрлатам, а в верхней – переходят в треугольный венец. Это не единственная конфигурация размещения каркаса, но она является наиболее распространенной. В данном случае используются наслонные стропила, в которых ноги опираются на подпорки, а по мере подъема поддерживаются стойками, подкосами и прогонами, входящими в обрешетку.

В верхней же части устройство стропильной системы наслонного типа предусматривает наличие конька. На него будут опираться два ската крыши. К преимуществам этой конфигурации относят возможность равномерного распределения нагрузок по всей площади с допусками к увеличению длины стропильных ног. В частности, при наличии двух прогонов обрешетка может достигать 12-15 м.

Альтернативный вариант наслонной системы предполагает висячее расположение стропильного каркаса. Принципиальным отличием этой схемы является отказ от промежуточных несущих элементов поддержки – например, от прогонов и ригелей. Вся нагрузка перекладывается на мауэрлаты и конек. Чем же восполняется поддержка висячей стропильной системы? Во-первых, ее реализация допускается только в домах со стенами, расстояние между которыми не превышает 6,5 м, что само по себе обуславливает снижение веса. Во-вторых, крыша будет иметь не два, а четыре ската, которые сойдутся в одном центральном коньке, а это тоже повышает несущий потенциал системы.

Проектирование системы

Первоначально следует создать эскиз конструкции на бумаге. Сегодня проектировочные компании используют для этой задачи программное обеспечение наподобие SolidWorks и SCAD. Разрабатывать проект необходимо с учетом строительных нормативов СНиП, которые, в частности, накладывают ограничения на размеры отдельных элементов. Например, дистанция от перекрытия на уровне расположения муаэрлатов до конька должна составлять не менее 2,5 м. Несущую конструкцию можно представлять в форме квадрата или прямоугольника. От центра следует отвести скаты – опять же, проект стропильной системы для частного дома должен предусматривать два или четыре ската, что определит и конфигурацию размещения каркаса. Главное – выдерживать симметрию противоположных скатов.

Далее определяются оптимальные размеры мауэрлата, стропильных ног, блоков перекрытия и стоек. Для расчета площади желательно разделить перекрытие на несколько функциональных зон, после чего просуммировать их и вывести точку с наиболее высокой вершиной. В этой зоне и будет расположен конек – по всей линии вдоль крыши, или в виде небольшого отрезка по центру, как в случае с четырехскатной системой.

Расчет конструкции по нагрузкам

Часто ветровые и снеговые нагрузки берутся во внимание при выборе типа кровельного «пирога», что не совсем правильно – силовые качества крыши с наружным покрытием напрямую зависят именно от стропильной конструкции. Для начала следует рассчитать наклон. Чем острее угол обрешетки, тем меньше осадков и, что особенно важно, снежной массы задержится на крыше. Для коньковых верхних стропил он составит порядка 15-30 °, а для нижних – не менее 60 °.

Ветровые нагрузки также могут меняться в зависимости от угла ската. В данном случае будет важна геометрия и плоскость размещения кровли. Так, крутой скат ветер будет сбрасывать, а сплющенный – поднимет с подветренной стороны. Учитывать следует горизонтальное направление воздушных потоков. Оптимальная конфигурация стропильной системы позволяет разбивать их с уводом давления к фундаменту и по касательной – от свеса крыши.

Помимо климатических факторов, важна и собственная нагрузка от массы конструкции стропил и кровли, которая рассчитывается в кг на 1 м2. Конкретные данные формируются на основе отдельного расчета массы по следующим пунктам:

• Вес пиломатериала, используемого для балок, опор, ригелей, обрешетки и т. д.
• Вес изоляционных материалов.
• Вес подложек и кровли.
• Вес крепежей, фурнитурных элементов и соединительных стержней.

Наибольший вклад в нагрузку внесет именно кровля. Самой облегченной будет стропильная система под профнастил, на которую в среднем ложится 4-5 кг/м2. У битумной черепицы и шифера средние показатели оставляют 10-12 кг/м2. И особый подход должен быть в расчетах давления на крыши с керамической и цементной черепицей. Это тяжелая кровля, оказывающая нагрузку на уровне 30-40 кг/м2. Как правило, совокупная сила давления кровельного настила не превышает 50 кг на 1 м2, поэтому при расчете можно закладывать эту величину как нормативную. Еще лучше – оставлять небольшой запас на случай форс-мажорных нагрузок.

Какой материал используется в конструкции?

Для реализации качественной и долговечной несущей системы следует использовать подходящие по характеристикам пиломатериалы. Оптимально подойдет сосна, ель и другие хвойные породы, отличающиеся гибкостью, прочностью и легкостью в обработке. Причем использовать можно только высший сорт. Если же в целях экономии решено было отдать предпочтение 2-му и 3-му сортам, то придется выполнить и самостоятельную обработку материала антисептиками.

Особое внимание уделяется и структуре. Ошибочно многие полагают, что самым долговечным является цельный брус. Именно для крыши специалисты рекомендуют клееные сегменты, которые не подвергаются деформации и стойко выносят динамические нагрузки. Не стоит забывать и про влажность. Из древесины с коэффициентом влажности до 20 % выполняется стропильная система крыши, изолированная изнутри гипсокартонными плитами. Повышение коэффициента до 23-25 % означает, что часть элементов должна будет располагаться на открытом воздухе. Самым нежелательным вариантом будет пиломатериал из свежесрезанного массива, влажность которого составляет 30 %.

Укладка мауэрлата и перекрытий

По периметру на стенах устанавливается основа стропильного каркаса в виде мауэрлата. Между последней кирпичной кладкой и брусом подкладывается слой гидроизолятора или рубероида. На этапе устройства мауэрлата монтаж стропильной системы выполняется с применением анкеров, шпилек или проволоки. Желательно, чтобы элементы фиксации и сама схема крепления допускала возможность вмуровывания в стеновую кладку.

Затем укладываются поперечные балки из того же бруса. Их задача будет заключаться в соединении двух противоположных стен, что и сформирует базу чердачного перекрытия. Стыковка мауэрлата с балками осуществляется металлическими уголками или саморезами. На данном этапе следует выдерживать конкретные нормативные параметры по дистанциям и размерам. Так, строительство стропильной системы в несущей части должно выполняться с выдержкой расстояния между балками в диапазоне от 50 до 100 см. Оптимальный шаг – 60-70 см. При этом следует оставлять и заступ бруса за линию стены в пределах 30-50 см.

Установка стропил

На этом этапе готовится и монтируется брус для боковых стропил и смежных элементов конструкции. Для крепления к мауэрлату в балках выпиливаются соединительные пазы и при необходимости делаются отверстия. Кроме интеграции в нишу бруса, кровельщик должен обеспечить скрепление металлическими скобами монтажным степлером.

Стропильные ноги от мауэрлата направляются к линии конька. Для начала нужно определить его центр. В этой области прибивается временная рейка, на которой будет удерживаться конец. Крепление балок в верхней точке осуществляется с помощью металлических накладок и крупноформатных метизов – от гвоздей до кронштейнов. Не стоит игнорировать и применение пазовых соединений. Комбинированный монтаж стропильной системы с замками, уголками и болтами повысит надежность конструкции.

Когда каркас будет собран, можно заложить образовавшиеся фронтоны кирпичом, досками или металлопрофилем. При этом не стоит забывать о вентиляционных отверстиях и окошках.

Изоляционные операции

Даже если чердачное помещение под стропильным каркасом не будет использоваться как мансарда, крышу необходимо утеплять и гидроизолировать. Еще до уровня нижнего пласта кровельного пирога следует также предусмотреть контробрешетку, воздушный зазор для вентиляции, пленку для предотвращения проникновения влаги и т. д. Обрешетка формируется рейками и брусом на несущих балках. Если установка стропильной системы реализуется с применением металлических труб, то лучше всего продолжить тыльную надстройку обрешетки по всей площади ската именно от них. Это добавит надежности и долговечности конструкции. Единственное что следует предусмотреть в качестве дополнения, это обработку металлических поверхностей защитными антикоррозийными составами.

В первую очередь к стропилам крепится гидроизолятор. Можно использовать универсальную мембранную гидропароизоляцию, укладывая ее внатяжку, а не внахлест. Места стыков обязательно проклеиваются строительным скотчем для герметизации. Слой утеплителя монтируется изнутри. Это может быть пенополистирол, минеральная вата или войлочные материалы. Важно подчеркнуть, что устройство стропильной системы должно быть максимально ориентировано на обеспечение огнезащиты. Поэтому к выбору натуральных и горючих синтетических изоляторов следует подходить очень осторожно. По форме лучше использовать толстые плиты. Они физически надежнее и помимо утепления обеспечат достойную шумоизоляцию.

Заключение

Классическая стропильная конструкция с коньком и промежуточными опорными элементами удобна и в эксплуатации, и в техническом обслуживании. Данная конфигурация не ограничивает владельца дома в возможностях функционального расширения крыши. К примеру, в нее можно интегрировать воздуховоды, снегоуловители, окна с люками и т. д. Главное, чтобы стропильная система крыши постоянно отвечала базовым технико-эксплуатационным требованиям, справляясь с нагрузками. А для этого необходимо периодически проводить ревизию стропильных ног, опор и ригелей. Структура древесины должна периодически обрабатываться влагозащитными, биологическими и огнеупорными пропитками. Выбор конкретных составов будет зависеть от сорта пиломатериала, того же коэффициента влажности и условий эксплуатации. Отдельное внимание уделяется крепежной фурнитуре. Металлические элементы, например, должны заменяться при малейших признаках коррозии. Для них также подбираются специальные защитные средства.