Как рассчитать стропила на крышу

Основой любой кровли служит стропильная система, от правильности расчета и последующего возведения зависит надежность и долговечность крыши, а, следовательно, и комфортабельность проживания в доме.

Чтобы правильно рассчитать стропильную систему, необходимо учитывать целый ряд факторов, включая:

• вес материалов, которыми планируется покрытие кровли, - керамической или металлической черепицы, шифера, ондулина, мягкой рулонной кровли и т.д.;
• вес материалов, применяемых для внутренней отделки;
• вес самой стропильной конструкции;
• давление, создаваемое атмосферными осадками, а также ветровые нагрузки.

При выполнении расчетов стропильной системы должны быть определены следующие позиции:

• сечение стропил;
• расстояние между стропилам;
• пролеты стропильной системы;
• схема крепления стропил – наслонная или висячая;
• несущие возможности фундамента и опор.

Также следует уделить внимание расчету дополнительных элементов стропильной конструкции, в частности затяжек, обеспечивающих большую надежность конструкции и предотвращающих ее разъезжание, а также раскосов, позволяющих снизить нагрузку на стропила для крыши.

Требования к конструкционным элементам стропильных систем

Элементы стропильных систем, как правило, изготавливают из древесины хвойных пород с влажностью не более 20 процентов. Высокое содержание смолистых веществ в таком материале обеспечивает длительный срок службы всей конструкции. Тем не менее, все деревянные элементы следует дополнительно обрабатывать защитными растворами, предотвращающими преждевременное гниение, повреждение насекомыми, а также уменьшающими горючесть древесины.

В процессе эксплуатации стропильные конструкции испытывают различного рода нагрузки, с целью уменьшения негативного влияния которых может понадобиться применение дополнительных усиливающих элементов. В зависимости от продолжительности воздействия все эти нагрузки делят на две категории: постоянные и временные.

Под постоянными понимают нагрузки, которые создаются собственным весом стропильной конструкции, весом обрешетки, кровельных, теплоизоляционных и отделочных материалов. Эти нагрузки практически не изменяются в процессе эксплуатации кровли, поэтому перед тем, как рассчитать стропильную систему, их следует точно измерить и учесть.

Временные же нагрузки подразделяются на две подкатегории:

• кратковременные – вес рабочих, производящих кровельные строительно-ремонтные работы, а также вес используемого ими оборудования и инструментов. Помимо этого, в разряд кратковременных нагрузок включают давление снежных масс на кровлю и ветровые нагрузки;
• особые – это редко возникающие нагрузки, вызванные форс-мажорными обстоятельствами, например, землетрясениями.

При произведении расчетов стропильной системы следует учитывать все возможные нагрузки, предполагая их максимальные значения и наихудшие сочетания.

Как рассчитать снеговую нагрузку

При возведении кровли чрезвычайно важно знать, как правильно рассчитать стропильную систему целом, и снеговую нагрузку на нее в частности. Это чрезвычайно важный фактор, который нельзя упускать из виду, ведь при неправильно спроектированной конструкции во время сильных снегопадов может обрушиться вся крыша.

Для расчета значения нагрузки, создаваемой снежными массами на кровлю, используется следующая формула:

S=Sg*µ, где

Sg – табличное значение массы квадратного метра снежного покрова на горизонтальной поверхности земли;

µ — коэффициент, позволяющий определить переход от веса снежного покрова на земле к нагрузке, создаваемой снежной массой на кровельное покрытие. Значение данного коэффициента определяется в зависимости от углов уклона скатов крыши. Так, при углах уклона, не превышающих 25 градусов, µ принимается равным 1; при углах наклона от 25 до 60 градусов значение µ составляет 0,7. В тех случаях, когда угол уклона ската крыши больше 60 градусов, нагрузка, создаваемая снежным покровом на кровлю, не принимается во внимание при расчете ввиду ее незначительности.

Как рассчитать ветровую нагрузку

В местностях, где дуют сильные ветра (например, в степных или прибрежных районах), особое внимание должно уделяться вопросу, как рассчитать стропила на крышу с учетом создаваемых этими ветрами нагрузок.

Для этого пользуются следующей формулой:

W=Wo*k, где

Wo – нормативное значение ветровой нагрузки для конкретного ветрового района, которое можно найти в специальных таблицах;

k — коэффициент, позволяющий учитывать изменение ветрового давления в зависимости от высоты. Значение этого коэффициента также берется из таблицы, составленной с учетом местностей.

В таблице все местности разделены на две группы:

• открытые прибрежные районы, пустыни, тундры, степи и лесостепи;
• городские районы, лесные массивы и иные районы, территория которых равномерно покрыта препятствиями высотой не менее десяти метров. 

Также в процессе расчета ветровой нагрузки на кровлю следует учитывать преимущественное направление ветра в конкретной местности, чтобы определить наиболее оптимальную конструкцию.

Особенности расчета сечений стропил и иных элементов стропильной системы

Подбор сечения стропил осуществляется с учетом следующих параметров:

• длины стропильных ног;
• шага установки стропил;
• расчета нагрузки на кровлю в конкретной местности.

Ниже представлены значения сечений конструкционных элементов стропильных систем, соответствующие максимально возможным нагрузкам в средней полосе России:

• сечение брусьев мауэрлата – 150х150, 150х100 либо 100х100 миллиметров;
• сечение брусьев диагональных ендов и ног – 200х100 миллиметров;
• сечение брусьев прогонов – 200х100, 150х100 либо 100х100 миллиметров;
• сечение брусьев затяжки – 150х50 миллиметров;
• сечение брусьев ригелей, используемых в качестве опор для стоек – 200х100 либо 150х100 миллиметров;
• сечение брусьев стоек – 150х150 либо 100х100 миллиметров;
• сечение досок короба и карниза, брусьев подкосов и костылей – 150х50 миллиметров;
• сечение подшивочных и лобовых досок – (22-25)х(100-150) миллиметров.

Пример расчета стропильной системы

Рассмотрим на конкретном примере как рассчитать стропильную систему крыши.

Исходные данные будут следующими:

• расчетная нагрузка на кровлю – 317 килограмм на квадратный метр;
• нормативная нагрузка на кровлю – 242 килограмм на квадратный метр;
• угол уклона скатов крыши – 30 градусов;
• длина горизонтальных пролетов - 4,5 метра, при этом L1 = 3 метра, L2 = 1,5 метра;
• расстояние между стропилами – 0,8 метра.

Ригели к стропильным ногам следует крепить посредством болтов, так как использование гвоздей может привести к растрескиванию концов балок. Поэтому значение коэффициента сопротивления изгибу будем принимать равным 0,8: Rизг=0,8х130=104 кг/см².

Итак, вот последовательность действий, которые нужно выполнить перед тем, как рассчитать стропила на крышу:

• расчет нагрузки на один погонный метр стропила:
  qр=Qр х b=317 х 0,8 = 254 кг/м;
  qн=Qн х b=242 х 0,8 = 194 кг/м;
  
• при уклоне скатов кровли, не превышающем 30 градусов, стропила считаются изгибаемыми элементами, поэтому производится расчет максимального изгибающего момента: М = -qрх(L13 + L23) / 8х(L1+L2) = -254 х (33+1,53) / 8 х (3+1,5) =-215 кг х м = -21500 кг х см. Знак «минуса» в данном случае указывает на то, что изгиб направлен в противоположное прикладываемой нагрузке направление;
  
• производится расчет необходимого момента сопротивления изгибу для стропильной ноги: W = M/Rизг = 21500/104 = 207 см3;
• предполагая, что толщина стропила равна стандартному значению – 50 миллиметров, и, учитывая необходимый момент сопротивления, рассчитается требуемая ширина стропил: тh = √(6хW/b) = √(6х207/5) = √249 =16 см;
• сверяясь с размерами пиломатериалов согласно ГОСТ, которые предлагает таблица сечения стропил, выбираем ближайший к полученным в результате расчетов параметрам размер – 175х50 миллиметров. Данное сечение проверяется на прогиб в пролете шириной три метра. С этой целью для начала выполняется расчет стропила на момент инерции: J = bh3/12 = 5×17,53/12 = 2233 см3
  После этого производится расчет прогиба: fнор = L/200 = 300/200 = 1,5 см. В конце должен быть рассчитан прогиб в трехметровом пролете под влиянием нормативных нагрузок: f = 5 х qн х L4 / 384 х E х J = 5 х 1,94 х 3004 / 384 х 100000 х 2233 = 1 см. Так как полученное значение прогиба меньше нормативного, равного 1,5 сантиметра, то доски, имеющие сечение 175х50 миллиметров, пригодны для конструирования данной стропильной системы;
• рассчитывается вертикально направленное усилие, действующее в месте стыка стропильной ноги с подкосом: N = qр х L/2 + M х L/(L1хL2) = 254х4,5/2 – 215х4,5/(3х1,5) = 357 кг

Затем данное усилие раскладывается на:

• ось стропила S = N х (cos b)/(sin g) = 357 х cos 49° / sin 79° = 239 кг;
• ось подкоса P = N х (cos m) / (sin g) = 357 х cos 30° / sin 79° = 315 кг,
  где b=49°, g=79°, m=30°. Данные углы, как правило, задаются заранее либо рассчитываются с применением схемы будущей кровли.

Поскольку допустимые нагрузки совсем небольшие, то сечение стропил двускатной крыши, а также сечение подкосов должны рассчитываться максимально точно и детально. В том случае, если в качестве подкосов используются доски толщиной 5 сантиметров и шириной 10 сантиметров (общая площадь – 50 квадратных сантиметров), то максимальная нагрузка на сжатие составляет: Н = F х Rсж = 50 см² х 130 кг/см² = 6500 кг. Расчетное значение многократно превышает нормативное, равное 315 килограммам, однако уменьшать сечение подкоса не следует. Более того, чтобы не допустить выворачиванияподкосов, рекомендуется пришивать к ним с двух сторон бруски сечением 5х5 сантиметров, за счет чего существенно повышается жесткость подкосов;

• после этого рассчитываются распоры: Н = S х cos m = 239 х 0,866 = 207 кг. Ширину ригеля-схватки принимаем равной 2,5 см. Учитывая расчетное сопротивление древесины растяжению, равное 70 кг/см2,производим расчет необходимого значениятолщины (h): h = Н/b х Rрас = 207 / 2,5х70 =2 см

Таким образом, сечение ригеля получилось достаточно небольшим – 2х2,5 сантиметра. Предположим, что для его изготовления будут использоваться доски размером 1х2,5 сантиметра, и крепиться посредством винтов диаметром 1,4 сантиметра. Значение рабочей длины этих винтов принимается в зависимости от толщины досок.
Для расчета несущей способности одного винта используют следующую формулу:

Tгл = 80 х dгл х a = 80х1,4х2,5 = 280 кг

Получается, что для крепления одного ригеля необходима установка одного винта (207 кг/280 кг). Однако в месте крепления из-за концентрации нагрузки в одном месте может происходить смятие древесного волокна.
Предотвратить это можно за счет грамотного расчета количества винтов по следующей формуле:

Tгл = 25 х dгл х a = 25х1,4х2,5 = 87,5 кг То есть, для крепления стяжки потребуется три винта (207/87,5).

Следует учитывать, что толщина доски для затяжки, равная 2,5 сантиметра, выбрана исключительно для того, чтобы продемонстрировать расчет винтов. На практике же стараются использовать конструкционные элементы имеющие одинаковую толщину, поэтому сечение затяжки чаще всего совпадает с параметрами стропил.

В конце необходимо пересчитать нагрузки всех конструкций, ориентировочный собственный вес заменив расчетным. С этой целью, принимая во внимание геометрические характеристики элементов стропильной системы, производится расчет общего объема пиломатериалов, необходимых для монтажа этой системы. Полученное значение объема должно быть умножено на вес древесины – 500-550 килограмм на кубический метр.

Грамотный и тщательный расчет стропильной системы и всех ее элементов – это залог надежности, прочности и долговечности кровли. Поэтому вероятность даже малейшей ошибки должна быть сведена к минимуму, а по возможности – вовсе исключена.