Стропильные конструкции

Несущая способность стен практически всегда будет обеспечена как бы автоматически, причем с большим запасом: на 200-250% (мы, конечно же, не рассматриваем случаи, когда недобросовестные строители украдут 70 % цемента, досок, или других стройматериалов, а потом все строение рухнет при сильном ветре или даже под тяжестью собственной крыши). В отличие от стен с конструкцией крыши все по-другому. Ее надо обязательно просчитывать. Нельзя принимать в расчет опыт соседей или бригады строителей, «которые построили крыши во всем поселке и остались только вы». Такой вариант еще как-то проходит для дома размером 6x6 м, где для изготовления стропил при их шаге в 1 м годится практически любая обрезная доска, которую можно найти на рынке (к примеру, 50x150 мм вполне подходит и даже с запасом). Но если строится добротный дом площадью, например, 250 кв.м или даже больше, пренебрежение предварительным расчетом конструкции крыши, может обернуться большими проблемами, решение которых потребует значительных капитальных затрат.

Стропильные конструкции
Проектирование скатной крыши начинается с расчета стропильной конструкции. В отличие от наслонных, висячие стропила опираются только на две крайние опоры (например, лишь на стены здания без промежуточных опор). Их стропильные ноги работают на сжатие и изгиб. Кроме того, конструкция создает значительное горизонтальное распирающее усилие, которое передается стенам. Уменьшить это усилие помогает затяжка (деревянная или металлическая), соединяющая стропильные ноги. Она может располагаться как у основания стропил (и в этом случае служит балкой перекрытия, - именно этот вариант наиболее часто используется при строительстве мансардных крыш), так и выше. Чем выше она находится, тем мощнее ей полагается быть. И тем надежнее должно быть ее соединение со стропилами.

Далее, при проектировании стропильных конструкций, первое, что нужно сделать - это расчет стропильных ног и расстояние (шаг) между стропилами. Их сечение определяется исходя из действующих нагрузок (тяжесть самой конструкции, кровельного «пирога», снеговая и ветровая нагрузка) и угла наклона кровли, причем с запасом прочности (не менее 1,5). Но этим должен заниматься уже не архитектор, а конструктор-проектировщик. Он рассчитывает пролеты, разрабатывает фермы, если таковые необходимы, проверяет несущую способность опор и соответствующего фундамента под ними. Кроме того, нужно помнить, что расстояние, перекрываемое наслонными стропилами без промежуточных опор (стоек), не должно превышать 6,5 м. При наличии одной дополнительной опоры это расстояние увеличивается до 10-12 м, а при двух стойках - до 15 м. Именно конструктор решает, какие стропила нужно использовать - наслонные или висячие. Он определяет, есть ли необходимость в промежуточных элементах: раскосах, позволяющих разгрузить стропила, или затяжках, призванных препятствовать «разъезжанию» конструкции.

Предугадать заранее, какой будет стропильная конструкция, можно в случае, когда, опять-таки, речь идет о «коробке» 6x6 м. Для такого рода строений наработана масса типовых решений, да и ошибки в конструкции, коль скоро дом небольшой, будут легко поправимы. Сечения используемых стропил во многом диктуются рынком, предлагающим пиломатериалы определенного набора размеров. Если стандартные размеры не удовлетворяют застройщика, тогда строители прибегают к дополнительным ухищрениям: например, наращивают ноги (когда не хватает длины) или сдваивают балки для их усиления. Можно также вариант использовать наборные (клееные) стропильные ноги, которые могут быть значительно длиннее и мощнее обычных.

Конструктор определяет также меры по дополнительной влагоизоляции, если они необходимы. Например, для натуральной черепицы минимальный угол наклона крыши - 22°. На крышах с наклоном от 16 до 22° рекомендуется укладывать под черепицу дополнительный слой влагоизоляции. При уклоне от 10 до 16°, когда возможно задувание под черепицу дождя, под кровельным материалом делают сплошную обрешетку из досок, а по ней настилают так называемую наплавляемую кровлю (рулонные материалы на битумной основе, образующие сплошной ковер). Вода, попавшая под черепицу, просто скатится по этой дополнительной кровле. Этот прием можно использовать и на кровлях из металлочерепицы или «еврошифера».

Мауэрлат
Стропильные ноги опираются не на сами стены, а на опорный брус - мауэрлат. Мауэрлат может располагаться по всей длине здания или подкладываться только под стропильную ногу. В деревянных конструкциях мауэрлатом является верхний венец сруба (бревно, брус). При кирпичных стенах это специально устанавливаемый заподлицо с внутренней поверхностью стены брус (с наружной стороны он должен ограждаться вьютупом кирпичной кладки). Между мауэрлатом и кирпичом обязательно прокладывается слой влагоизолирующего материала (например, два слоя рубероида). В том случае, если стропильные ноги в сечении имеют небольшую ширину, они могут со временем провиснуть. Чтобы избежать этого, необходимо применять специальную решетку, состоящую из стойки и подкосов и ригеля. Стойки и подкосы изготавливаются из досок шириной 150 мм и толщиной не менее 25 мм или из деревянных пластин, нарезанных из бревен, диаметром не менее 130-140 мм. В качестве дополнительных элементов крепления используются также хомуты, болты, скобы, скрутки, сделанные из толстой проволоки и т.п. В каждом конкретном случае набор элементов крепления, применяемый конструктором-проектировщиком, может меняться, но основные элементы, традиционно используемые многие десятилетия, а может быть и столетия, остаются неизменными.

Коньковый прогон
В вершине стропильной конструкции любой крыши укладывают прогон, соединяющий стропила (фермы) между собой. Именно на нем будет в дальнейшем устроен конек крыши. Нужно учитывать следующие важные детали. Если в плоскости стропильных ног жесткость обеспечивается самими стропильными фермами, то для противостояния ветровым нагрузкам, действующим, например, со стороны щипца (фронтона), в каждом скате крыши устанавливают необходимое количество диагональных связей. Ими могут служить доски толщиной 30-40 мм, прибитые к основанию крайней стропильной ноги и к середине (или выше) соседней. Чтобы крышу не снесло ветром. стропильные ноги вместе с мауэрлатом надо накрепко связать со стенами. Для этого в кладку под стропильной ногой заделывают стальные шпильки (ерши) или заранее ставят закладнью элементы, к которым стропильная нога притягивается скруткой из стальной проволоки диаметром 6 мм.

Нагрузки на стропила
Нагрузки, которые принимают на себя стропила, можно разделить на временные и постоянные. К постоянным нагрузкам относятся собственный вес кровли, обрешетки, прогонов и стропил. К временным (сезонным) нагрузкам относятся - снег, ветер, а также полезная нагрузка (если она есть). Минимальная расчетная величина нагрузки, которые должны выдерживать стропила - это 200 кг/м в горизонтальной проекции крыши (независимо от веса кровельных материалов). Зимой накопившийся снег может увеличить этот показатель до 400-500 кг/м. Если уклон кровли больше, чем 60°, тогда считается, что снег на крыше не задерживается и его нагрузка в расчет не принимается. Величины этих нагрузок могут корректироваться путем введения поправочных коэффициентов, учитывающих местные климатические условия. Собственный вес кровли и подкровельной конструкции определяется в соответствии с используемым материалом и размерами всего сооружения. Полезную нагрузку на стропила нужно учитывать в случае использования конструкций, подвешенных к стропильным фермам потолков или установленных на них водяных баках, вентиляционных камерах и т.д.

Обычно конструктор-проектировщик, рассчитывающий кровлю, должен произвести два вида расчетов.
Первый - это расчет стропильных ног, в котором закладывается их прочность (они же не должны сломаться при первой же снеговой или ветровой нагрузке).
Второй - это расчет деформации стропильных ног, в котором закладывается предельно допустимая величина прогиба. Например, для чердачной крыши величина прогиба стропила не должна превышать 1/250 от длины участка. То есть, на длине 6 м прогиб может достигать 2 см. Вроде немного, но если превысить эту величину, деформация станет заметна невооруженным глазом. А при больших прогибах крыша может начать напоминать китайскую пагоду.

В прежние времена для изготовления элементов стропил применяли бревна или полубревна (это бревно, распиленное вдоль по длине). Однако, в связи с большим выбором на современном рынке различных пиломатериалов, большинство проектировщиков и строителей предпочитают использовать готовый прямоугольный брус с сечением, соответствующим расчетным нагрузкам, или доски сечением 50x150 (50x200) мм, которые при необходимости сплачивают. Используется, в основном, древесина хвойных пород (сосна, ель, лиственница) без пороков, с влажностью не более 18-22%. В целях повышения жесткости и стабильности геометрии стропильных конструкций на отдельных участках могут применяться различные металлические конструктивные элементы, например в качестве опор под наиболее нагруженные коньковые прогоны. Пролеты между металлическими частями заполняют деревянными элементами.

Подобная комбинированная конструкция, безусловно, прочнее просто деревянной, однако следует помнить, что с эксплуатацией комбинированной конструкции связаны определенные сложности. Дело в том, что из-за суточного перепада температур на металлической поверхности может образовываться конденсат, который приводит к загниванию примыкающих деревянных элементов. И в этом случае требуется обязательная обработка деревянных стропил влагозащитными составами и применение пленочных гидроизоляционных материалов, изолирующих металл от дерева. Но даже при этом за состоянием деревянных стропил необходимо постоянно следить, что возможно только при наличии чердака.

Изготовление стропильных конструкций
Возьмем простейший и самый распространенный случай - деревянные стропила. Как можно их изготовить? Просматривается только два варианта: первый - заказать стропильные фермы в мастерской или на заводе, второй - изготовить их на месте. С первым вариантом более или менее ясно - после окончания расчетов, сделанных конструктором-проектировщиком вашего дома, стропильные конструкции заказываются в специализированной фирме или на заводе. Здесь нужно помнить одну простую заповедь: при получении заказа нужно тщательно проверить соответствие спецификации заказа с изготовленной конструкцией. Все размеры, все крепежные и монтажные элементы, материал, из которого изготовлены конструкции, должны полностью соответствовать спецификации, составленной конструктором. В противном случае, при возникновении каких-либо аварийных ситуаций, виновных не найти.

Второй вариант - изготовление на месте, связан с определенными сложностями. Главное - это быть уверенным в собственных силах и умении обращаться с деревом. Правда, всегда считалось, что, несмотря на относительную легкость обработки древесины, наличие большого выбора пиломатериалов и т.п., сборку стропильной конструкции лучше доверить мастерам, имеющим хороший опыт в таких работах. При изготовлении стропил прямо на месте можно использовать старый проверенный способ соединения элементов конструкции методом «паз-шип» или с применением гвоздей, скоб, болтовых и тому подобных соединений, а также хомутов. Самым распространенным, безусловно, является скрепление стропил гвоздями и скобами (но следует помнить, что по мере высыхания древесины такое соединение немного теряет в прочности и надежности). Болты позволяют этого недостатка избежать (правда, отверстия, которые под них сверлят, несколько ослабляют брус).

Другой способ - это крепеж деревянных элементов с помощью стальных штампованных фасонных деталей и саморезов. В Америке такая технология известна довольно давно, для нас же она в настоящий момент является новинкой. Некоторые фирмы предлагают целые коллекции монтажных деталей самого разного назначения, а потому разной формы - от универсальных элементов (пластины, уголки) до сугубо специальных (подкосы, в том числе усиленные). Сфера их применения определяется кругом технических проблем и творческой фантазией мастера. Задача создания сложной деревянной конструкции при этом низводится до уровня детского конструктора: заготовил брус нужного сечения и необходимой длины, закупил требующиеся металлические крепежные элементы и саморезы, а дальше, как говорится, дело техники.