Деревянные фермы стропильной системы – какую выбрать?

Предварительные расчеты

Стропильная система крыши Рассчитываем оптимальную длину стропил. Стандартная длина изделий фабричного изготовления составляет 450 или 600 см. При необходимости длину стропил можно изменять.

Для определения оптимального сечения бруса нужно знать следующее:

• длину стропил;
• шаг монтажа элементов;
• расчетные показатели будущих нагрузок.

Необходимая информация приведена в следующей таблице.

Таблица 1. Выбор шага установки стропил в зависимости от их длины и сечения

Длина стропил, м	Расстояние между стропилами, см	Размер сечения бруса стропил, см
До 3	120	8х10
До 3	180	9х10
До 4	100	8х16
До 4	140	8х18
До 4	180	9х18
До 6	100	8х20
До 6	140	10х20

Остальные элементы кровельной системы должны иметь такие сечения:

• мауэрлат – 10х10 либо 15х15 см. Также допускается монтаж мауэрлата из бруса сечением 10х15 см;
• диагональные стропильные ноги и ендовы – 10х20 см;
• затяжки – 5х15 см;
• прогоны – 10х10, 10х20 см;
• подкосы – 10х10 или 15х15 см;
• подшивочные доски – 2,5х10 см;
• ригели – 10х15 или 10х20 см.

  Расчет нагрузки на стропила

Зная длину и сечение стропил, а также шаг их монтажа, вы с легкостью рассчитаете нужное количество элементов, ориентируясь на длину стены строения.

Расчет стропильной системы

Дополнительно должен быть выполнен расчет стропил на прогиб. То есть нужно узнать, насколько стропила смогут прогнуться, пока не сломаются. К примеру, при конструировании мансардной кровельной конструкции расчет фермы надо сделать так, чтобы прогиб составлял не более 1/250 от протяженности участка, который подвергается давлению.

Расчет стропильной системы

Исходя из вышесказанного, если длина стропил равна 500 см, максимально допустимое значение прогиба составит 0,2 см. Показатель кажется несущественным, но в случае его превышения прогиб кровли будет зрительно заметен, да и на надежности конструкции это отразится не лучшим образом.

Стропила односкатной крыши

По возможности, проектируя дом, желательно сделать так, чтобы длина стропил не превышала 6 метров

Для определения длины стропила воспользуйтесь теоремой Пифагора

Расчет сечения стропил зависит от материала кровли

Основные требования к конструкции

• Независимо от конкретного типа строительных материалов (дерево, наплавляемая кровля, металлочерепица, обычная черепица) перед началом отделочных работ должна быть возведена прочная строительная конструкция, основной задачей которой должно стать обеспечение устойчивости и надежности устраиваемой кровли.
• Качественное выполнение конструкции, основными частями которой являются стропильные и подстропильные фермы, является гарантией того, что она выдержит все оказываемые на нее постоянные и временные нагрузки.
• Основными требованиями к выбираемому материалу и конструкции стропильной фермы являются прочность, устойчивость и надежность.

Смешанные схемы стропильных систем

Итак, существуют одиночные стропила каждому из которых нужно две опоры, а если это двухскатная крыша, то три, где средняя опора общая для левого и правого стропила. Эти стропила называются наслонными и есть другие стропила — парные, которым не нужна средняя опора, они называются висячими. Их конек висит.

Для дальнейшего рассказа о смешанных стропильных системах назовём висячие системы фермами. Фермы — стержневые несущие конструкции, изготавливаемые из коротких элементов для перекрытия больших пролетов. Наилучшая экономия материалов при изготовлении ферм достигается при проектировании их таким образом, чтобы нагрузка приходила в узлы ферм. Тогда все стержневые элементы фермы будут работать на сжатие или растяжение без изгиба, а это уменьшает сечение элементов ферм. В висячих стропильных системах нагрузка от веса крыши снега и ветра приходит и давит на стропильные ноги через часто установленные бруски обрешетки или вовсе через сплошную обрешетку. Стропильные ноги в этом случае работают и на сжатие, и на изгиб. Правильнее оставить этой системе название — висячая стропильная система. Однако если мы перераспределим нагрузку и приложим ее только в узлы висячей стропильной системы, то ее можно назвать фермой. Конечно это не принципиально как обозвать конструкции различающиеся только способом приложения к ним нагрузки, но это приводит к систематизированию и понимаю работы этих конструктивных схем.

Смешанные схемы стропильных систем подразумевают установку через 2–4 шага несущих ферм или несущих висячих стропил. Затем крепление на них прогонов и укладку на эти прогоны наслонных стропил. Конструкцию такой крыши можно назвать крышей из наслонных стропил в которой подстропильными конструкциями служат либо фермы, либо висячие стропильные системы.

• В первом варианте, фермы поддерживают прогоны, которые лежат на них сверху. Наслонные стропила опираются на прогоны и получаются выше ферм. Стропила висячих и наслонных стропил находятся в разных плоскостях.
• Во втором варианте, прогоны для наслонных стропил поддерживаются висячими стропилами, которые крепятся внутри стропильных систем. Стропила висячих и наслонных стропил находятся в одной плоскости.

На рисунках показано только два варианта комбинированных стропильных систем, на самом деле таких схем много. Обычно несущие подстропильные системы называют главными фермами, а накладываемые на них — второстепенными. Второстепенные фермы могут быть как наслонными, так висячими стропильными системами.

Схема защемления конькового прогона в верхней точке стропильных ног

В нижней части для закрепления стропил, так же, как и в предыдущем случае, применяются скользящие крепления.

Необходимо пояснить, почему для фиксации стропил на мауэрлате часто используются именно скользящие крепления. Дело в том, что они способны избавить несущие стены от излишнего напряжения, так как стропила не зафиксированы жестко, и при усадке строения они имеют возможность сдвигаться, не деформируя при этом общей конструкции кровельной системы.

Этот вид крепления применяется только в наслонных системах, что также отличает их от висячего варианта.

Однако в некоторых случаях для наслонных стропил применяют распорную систему, в которой нижний конец стропил жестко фиксируется к мауэрлату, а чтобы снять нагрузку со стен в конструкцию встраиваются затяжки и подкосы. Этот вариант и называется комплексным, так как включает в себя элементы наслонной и висячей системы.

Для строительства частных домов чаще всего используется именно наслонная система, поэтому несколько слов следует сказать и о монтажных работах.

• На выведенные несущие стены дома укладывается гидроизоляционный материал – чаще всего это рубероид.
• На гидроизоляцию фиксируется с помощью анкерных креплений мауэрлат — это может быть брус большого сечения (например, 120×150 или 150×150 мм).

На мауэрлате закрепляются стропила на скользящие или жесткие крепления. Достаточно часто стропила дополнительно фиксируются на внутренней стороне стены с помощью проволочной скрутки. Для этого в стену на расстоянии 250÷300 мм от поверхности мауэрлата вбивается костыль, на который прикручивается проволока, а затем фиксируется на стропильной ноге. Такой крепеж позволит сохранить крышу невредимой во время сильного ветра.

Вычисление постоянной нагрузки

Собственный вес материала финишного покрытия оказывает не меньшее влияние, чем другие факторы. Более того, масса тяжелого кровельного покрытия действует на стропила постоянно. Стоит отметить, что чем больше вес 1м2 материала для кровли, тем выше нужен угол наклона кровли. Наибольший вес имеет цементная и керамическая черепица, а наименьший – различные рулонные материалы. Соответственно выбирается и уклон крыши для них, однако есть и исключения из этого правила. Например, металлочерепица и фальцевые кровли, наклон которых может составлять 1:5.

Выбор конструкции стропильной системы производится только после подбора подходящего типа кровли и выполнения всех перечисленных выше расчетов. Кроме того, нужно учесть и тип покрытия, поскольку с ростом его удельного веса увеличивается толщина стропильной системы. Как правило, разрабатывается план стропил, учитывающий все подобные нюансы, а также толщину обрешетки.

В процессе расчетов нужно не забывать и про утеплитель, вес которого тоже будет немалый. В том случае, когда планируется создавать мансарду, следует учесть и массу материала, который потребуется для выполнения внутренней обшивки чердачного помещения.

Конструкция стропил двускатной крыши

Есть два главных типа стропильных систем для двускатной крыши: наслонная и висячая. В первом случае имеются центральные опоры, упирающиеся в продольную внутреннюю перегородку здания. Во втором случае таких опор нет и чердачное пространство свободно. В устройстве стропильной системы двухскатной крыши можно выделить некоторые основные детали, изготовленные из брусков различного сечения:

мауэрлат служит для передачи нагрузки всей крыши на внешние стены здания. Он имеет вид квадратного в сечении бруса со стороной от 100 до 150 мм. К кирпичным или бетонным стенам его крепят с помощью анкеров, а в случае деревянных стен, роль мауэрлата могут играть брусья или бревна верхнего ряда внешних стен. В такой ситуации крепление стропил к мауэрлату производится сразу же без дополнительных элементов;

Элементы конструкции стропильной системы

• стропильная нога – это наклонная балка из бруска с сечением 150х50 мм, соединяющая конек и мауэрлат. На этот элемент ложится основная нагрузка всей кровли, поэтому стропильные ноги нужно располагать на расстоянии 60-120 см. между собой, в зависимости от вида материала для кровли и планируемых нагрузок;
• лежень представляет собой брус, аналогичный мауэрлату, лежащий на внутренней перегородке. В него опираются центральные стойки. У висячей стропильной системы двухскатной крыши, устройство которой несколько отличается от наслонной, этот элемент отсутствует;
• затяжка соединяет между собой две противоположные стропильные ноги в висячей системе, образуя вместе с ними треугольник. Служит для того, чтобы они не разъехались;

Стропила двускатной крыши

• стойки подпирают конек и упираются в центральную несущую стену здания. Они принимают часть нагрузки всей кровли и передают на стену. Изготавливают стойки из бруса;
• подкосы соединяют стропильные ноги с жесткими несущими элементами: стойками и затяжками. Это в несколько раз увеличивает жесткость конструкции;
• обрешетка набивается на стропила двускатной крыши сверху. Делают ее из досок толщиной до 30 мм. Может быть сплошной, разреженной и из листовых материалов. Обрешетка несет функцию опорной плоскости для кровли, а также придает дополнительную жесткость всей стропильной системе двухскатной крыши. Устройство обрешетки того или иного типа зависит от требований, предъявляемых к кровельному материалу;

Стропильные системы наслонного типа

• конек – это брусок, соединяющий все стропильные ноги в местах их крепления друг к другу в верхней части крыши. Он имеет горизонтальное расположение;
• свесом называется, выступающая за стены до 40 см, часть стропильных ног. Он нужен для того, чтобы дождевая вода не мочила стены;
• кобылки – это дощечки, прибиваемые к стропильным ногам в случае отсутствия свеса. Они играют роль удлиняющих элементов.

Полезный совет!Использовать кобылки предпочтительнее, чем делать длинные стропильные ноги. Сгнившую кобылку заменить гораздо проще и дешевле. Ведь в этом случае не придется разбирать всю кровлю.

Стропильные системы висячего типа

Изготовление своими руками

Чтобы правильно изготовить, необходимо обратить особое внимание на разметку стропил. Все без исключения детали будущей кровельной конструкции изготавливаются на земле, для удобства формирования фермы целесообразно использовать специальные козлы. Стропильные фермы рекомендуется предварительно собирать «наживую»

Это правило в первую очередь касается торцевых ферм. Готовая конструкция должна устанавливаться параллельно устанавливаемой стене и иметь строго вертикальное положение. Правильность сборки и установки проверяется временным креплением и натягиванием шнура от нижнего угла каждой фермы к вершине противоположной конструкции

Стропильные фермы рекомендуется предварительно собирать «наживую». Это правило в первую очередь касается торцевых ферм. Готовая конструкция должна устанавливаться параллельно устанавливаемой стене и иметь строго вертикальное положение. Правильность сборки и установки проверяется временным креплением и натягиванием шнура от нижнего угла каждой фермы к вершине противоположной конструкции.

Типы стропильных систем — чем они отличаются между собой

Выбирается тот или иной тип стропильной системы не спонтанно, а в зависимости от конструкции строящегося дома и его размеров. Далее о каждом виде стропильных систем.

⇒ Медная фальцевая кровля: особенности монтажа и эксплуатации

Система с висячими стропилами

Они хороши для крыш с двумя скатами, где пролет не более 6 метров, а стен внутри не имеется. Внизу опорой стропил служит мауэрлат, а вверху – они опираются друг на друга. Еще имеется затяжка, уменьшающая распор стропил на стены дома. Балочные затяжки размещены в самом низу стропильных ног – они одновременно служат в качестве балок перекрытия. Кстати перекрытие верхнего этажа, выполненное из железобетона, тоже может играть роль затяжки. Если затяжку делают повыше, она уже называется ригелем. Если пролет между наружными стенами более 6 м необходимо применение опорных стоек и раскосов для поддержания стропильных ног. При этом длинна нижней части стропил т. е. части после подпорки, должна быть не более 4,5 м.

Система с висячими стропилами

Перечислим несколько важных фактов об их конструкции:

• Опирать свес крыши на низ стропильных ног, выведенных за пределы стены, не стоит. Гораздо лучше для опоры таких стропильных систем крыши подойдет кобылка (при этом ширину свеса делают до метра). И тогда нога будет всей плоскостью опираться на мауэрлат. Сечение кобылок обычно меньше сечения стропильных ног.
• На скате нужно прибить ветровую доску, от конька к мауэрлату. Наклон делают от чердака. Это необходимо, чтобы крыша стала жесткой, не шаталась и не разрушалась ветром.
• Если влажность деревянного стропильного материала более 18 %, готовьтесь к тому, что система стропил после высыхания дерева может стать шаткой. Поэтому соединяйте такое дерево не гвоздями, а болтами – их подтянуть можно в случае чего. А еще лучше использовать винты или ершенные гвозди.

⇒ Некоторые сведения о фальцевой кровле

Наслонные стропильные системы

Они подходят для крыш, где пролет составляет от 10 до 16 м. Уклон может быть любым, а внутри здания должны быть несущие стены или колонны. Вверху стропила опираются на коньковый прогон внизу — мауэрлат. Коньковый прогон поддерживается либо внутренней стеной (лежнем), либо стойками. Так как нагрузки имеются лишь вертикальные, то в затяжке потребности нет.

Когда пролет большой (до 16 м), можно заменить прогон конька двумя боковыми, которые будут опираться на стойки. Чтобы стропильные ноги не гнулись, нужны подкосы и ригели. Если изготавливают мансарду, опорой наслонных строил можно сделать стену, высота которой от 1 до 1,5 м. Ну, или применить ломаную мансардную крышу (с ломаными скатами).

Наслонные стропильные системы

На что необходимо обращать особое внимание:

• Каждый из элементов данной системы не должен иметь толщину менее 5 см.
• Гладкая прогаблеванная поверхность всех узлов стропильной системы – необходимое условие. Так они не прогниют и не так сильно будут подвержены грибку.
• Добавление дополнительных узлов «от фонаря» в рассчитанную систему стропил запрещено. Иначе нагрузки могут возникнуть совсем не там, где нужно.
• Мауэрлат (его подошва) обязан лечь строго горизонтально относительно стен. Требует горизонтальности и поверхность стыковки мауэрлата со стропильной ногой. Иначе может и опрокинуться опора.
• Стойки и подкосы располагают максимально симметрично.
• Чтобы стропила не мокли и не подгнили, делают хорошую вентиляцию. Для этого в крыше мансарды предусматривают щели, в крыше чердака – продухи.
• Там, где стропильные узлы стыкуются с каменной кладкой, нужна гидроизоляция. А то конденсат испортит дерево.
• Не имеющая опоры или подкоса, нога стропил, делается длинной не более 4,5 м.

⇒ Медная кровля идеальный выбор для любого современного дома

Составляющие стропильной системы

Стропила дома состоят из нескольких элементов, которые при грамотном строительстве являются нерушимой конструкцией. Познакомимся с ними:

1. Мауэрлат – это основа крыши, делается из бруса и крепится по периметру стен, отвечает за связь крыши со стенами и передачу на них нагрузки.
2. Стропильные ноги – помогают удерживать массивный вес кровли, между ними укладывается утеплитель, сверху устраивается обрешетка.
3. Прогоны – это опора для стропильных ног, которая располагается вдоль кровли. Строители различают коньковые и боковые прогоны.
4. Стойки – одни из составляющих стропил и конька, которые помогают равномерно распределить весовую нагрузку.
5. Подкосы – брусья наклонной формы, которые подпирают ноги стропил и отвечают за увеличение жесткости крыши.

Признаки нулевого стержня

Нулевым называют стержень, в котором усилие равно нулю. Выделяют ряд частных случаев, в которых гарантированно встречается нулевой стержень.

• Равновесие ненагруженного узла, состоящего из двух стержней, возможно только в том случае, если оба стержня нулевые.
• В ненагруженном узле из трёх стержней одиночный (не лежащий на одной прямой с остальными двумя) стержень будет нулевым.

Рисунок 7

• В трехстержневом узле без нагрузки усилие в одиночном стержне будет равно по модулю и обратно по направлению приложенной нагрузке. При этом усилия в стержнях, лежащих на одной прямой, будут равны друг другу, и определятся расчётом N(3) = -P, N(1) = N(2).
• Трехстержневой узел с одиночным стержнем и нагрузкой, приложенной в произвольном направлении. Нагрузка P раскладывается на составляющие P’ и P» по правилу треугольника параллельно осям элементов. Тогда N(1) = N(2) + P’, N(3) = -P».

Рисунок 8​

В ненагруженном узле из четырёх стержней, оси которых направлены по двум прямым, усилия будут попарно равны N(1) = N(2), N(3) = N(4).

Пользуясь методом вырезания узлов и зная правила нулевого стержня, можно проводить проверку расчётов, проведённых другими методами.

Стропильные фермы крыши и её виды

Стропильная система — основа крыши, которая делает упор на несущие элементы строения и служит также каркасом для различных видов материалов для кровли: утеплителей, гидроизоляции, разнообразных покрытий.

Габариты и конструкция стропил зависят от:

• приобретённого материала;
• размеров строения;
• габаритов дома;
• стройматериала для стропил;
• индивидуальных предпочтений заказчика;
• актуальных для определённого региона нагрузок на крышу.

Стропильная система имеет:

• обрешётку — брусья, в перпендикулярном направлении укладывающиеся на стропильные ноги;
• стяжки, воспринимающие растягивающие усилия;
• стойки из дерева, расположенные в вертикальном положении;
• мауэрлат — брус, монтаж которого осуществляют вдоль стены, на него делают упор стропила;
• стропильные ноги — это своего рода балки из дерева, принимающие на себя основную нагрузку крыши.

Каждый из приведённых факторов очень важен, поскольку необходимо понимать, какой тип стропильной системы будет оптимально подходить для той или другой определённой ситуации.

Когда речь заходит о малоэтажных домах, то самую большую распространённость получают конструкции из дерева. Во многих случаях применяют три вида стропильных ферм: висячие стропила, наслонные стропила и смешанную систему стропил.

Характеристика висячих стропил

Висячие стропила — это наиболее элементарный вид стропильных систем, их характеристики:

1. У стропил делают лишь несколько опорных точек, которыми выступают, в частности, несущие стены строения. В подобном случае ноги для стропил работают и на изгиб, и на сжатие. Стропильные ноги ложатся на мауэрлат — это утолщённый брус или изделие из соединённых досок. Мауэрлат прочно крепится на торце основных стен. Стропильные ноги врубают в мауэрлат, а в качестве дополнительного крепежа используют кронштейны или скобы.
2. Вся конструкция распирает ограждение стены.
3. Чтобы компенсировать распирание, создают затяжки, которые соединяют стропильные пары. В основном они устанавливаются в самом низу, благодаря чему затяжки параллельно выступают и перекрытием крыши. В некоторых вариантах их располагают выше, но тогда затяжки приобретают более мощные, ведь нагрузка на затяжки многократно увеличится.
4. Затяжки не только компенсируют распирающее усилие, но и не дают разъединяться стропильным ногам.

Особенности наслонных стропил

Для наслонной системы стропил дом должен быть дополнительно оборудован несущей стеной, расположенной посередине. Различают наслонные стропила по таким признакам:

1. Концы наслонных стропил должны делать упор на следующие части строения:
   • стены по периметру;
   • столбчатые опоры или основные стены, расположенные внутри.
2. Действие стропильных ног — работа на изгиб, поскольку отсутствует нагрузка на сжатие. Вот почему для монтажа наслонной системы стропил применяют более тонкие элементы, а вся конструкция намного легче. Причём экономия пиломатериалов весьма существенная.
3. Проектируя наслонные стропила, следует учитывать тот факт, что есть обратная зависимость шага ног стропил и угла ската кровли. Иными словами, чем сложнее конструкция кровли, тем чаще надо монтировать балки стропил.
4. Использование промежуточных опорных точек уменьшает сечение балок и длину пролёта, который надо перекрыть.

Смешанная система стропил

Конструкция комбинированной системы наиболее сложная, поскольку включает в себя части двух других видов стропил — висячего и наслонного. Применяется она для мансардной кровли. Стены комнат, которые находятся на втором этаже, образуют вертикальными опорами, эти опоры являются и промежуточными стойками для стропильных балок.

Часть стропил, которые соединяют один конец стоек, функционирует как ригель для скатов, расположенных сбоку, причём для верхней части конструкции они являются затяжкой.

Одновременно горизонтальные брусья выполняют такие функции: для верхних скатов — мауэрлат, для боковых — коньковый брус. Чтобы увеличить прочность кровли, монтируют подкосы, которые соединяют боковые скаты и вертикальные стойки.

Комбинированная система строп в изготовлении самая сложная и трудоёмкая, но эти недостатки вполне компенсируются увеличением несущих качеств кровли в отсутствии лишних опор, особенно, когда есть необходимость перекрывать значительные пролёты в здании.

Увеличить несущие качества кровли можно с помощью смешанной стропильной системы

Какой размер фермы мне нужен?

В отличие от большинства современных деревянных домов, фермы с деревянным каркасом часто выставляются напоказ, усиливая ощущение пространства и объема внутри. Потолок с деревянным каркасом может быть на линии крыши, а не привязан к основанию нижней балки фермы, и благодаря этой гибкости отдельные комнаты могут иметь различную высоту потолка. Тем не менее, новообретенная высота потолка и архитектурный интерес деревянной фермы часто означают, что требуется инженер, чтобы гарантировать, что эти красивые открытые фермы выдержат нагрузку крыши. 

Чтобы определить пролет и размер деревянной фермы, инженер-строитель выполняет следующие четыре шага:

1. Определите и дайте количественную оценку нагрузкам на конструкцию 
2. Выберите размеры элементов и материалы для деревянного каркаса
3. Изучите, как здание будет вести себя под нагрузкой
4. Уточнение материалов и размеров элементов для достижения эффективной производительности

После того, как фермы спроектированы и спроектированы в соответствии с указанными выше критериями, фермы предварительно вырезаются в мастерской по изготовлению деревянных каркасов. Они могут быть собраны там или на месте, в зависимости от производителя деревянного каркаса и ограничений площадки. Современные фермы с деревянным каркасом можно соединить с помощью открытых стальных пластин и кронштейнов или традиционным методом врезных и шиповых соединений, используя деревянные штифты для скрепления частей вместе вместо металлических крепежных деталей или гвоздей.

Критерии выбора

Выбор зависит от размера постройки и наличия внутренних стен, а также наличия мансарды

Висячая конструкция обойдется дороже, так как при ее строительстве нужен толстый брус с затяжками аналогичного сечения. Однако использовать такую систему придется в любом случае при строительстве небольших домов. Наслонные стропила стоят дешевле за счет использования досок и брусьев меньшего сечения. Но применяют их преимущественно для больших домов.

В отношении материалов для частного строительства выбор почти всегда сводится к дереву из-за его преимуществ и особенностей монтажа.

При выборе также можно учесть следующие рекомендации:

• заранее нужно определить, будет ли использоваться чердак, если да, то используют ломаную или двускатную крышу;
• если в доме нет перегородок несущего типа, можно использовать только висячую систему;
• нужно заранее определиться с кровельным материалом;
• учесть и рассчитать ветровую и снеговую нагрузку.