Крыша – наиболее сложный элемент конструкции жилой, хозяйственной или производственной постройки, которую нельзя построить без точного расчета и детального проекта. Ее устройство состоит из гидроизоляционного покрытия и каркаса, отвечающего за форму, несущую способность и надежность кровли. Различают 2 типа стропильных систем, отличающихся по составу и способу соединения элементов – висячую и наслонную. В этой статье мы расскажем, что такое висячие стропила, а также как это конструктивное решение применяется в строительстве.
Особенности конструкции висячих стропил
Почему стропила называют «висячими»? Потому что они в буквальном смысле зависают в межпролетном пространстве, опираясь только на внешние стены. Внутренней опоры нет никакой. Тем не менее, висячие системы, благодаря своей конструкции, не прогибаются и способны перекрыть пролеты до 14-17 м!
Конечно, висячие стропила – это только часть стропильной системы, сами по себе они не используются. Только в связке с другими элементами (затяжками, бабками, ригелями, подкосами и т.п.), вместе с которыми стропила образуют фермы или арки.
В случае с висячими стропилами, простейшую ферму составляют из двух стропильных балок, соединенных в верхней точке под углом (в виде треугольника). По горизонтали стропила скрепляют затяжкой, которая обычно представляет собой деревянную балку. Но она может быть и металлической, например, сделанной из профильного металла. Тогда такую затяжку называют тяжем.
Затяжка выполняет важную функцию. Стропила, скрепленные в коньке и упертые в стены, стремятся разъехаться в стороны. А затяжка удерживает их, позволяя сохранить треугольную форму арки. Возникающий распор на стены не передается, а горизонтальные усилия нейтрализуются. Таким образом на наружные стены при использовании висячих стропил воздействуют только вертикальные усилия.
Затяжка не обязательно располагается в нижней части фермы, иногда она сдвигается вверх, ближе к коньку. Это зависит от типа конструкции арки, от того, какую работу должна выполнять затяжка. Если затяжка находится у основания стропил, то одновременно она служит и балкой перекрытия нижележащего этажа. При устройстве мансарды удобно располагать затяжку (ригель) выше основания стропильных ног, чтобы появилась возможность устроить этаж с полноценной высотой потолка.
Если пролет между стенами составляет более 6 м, висячие стропила для прочности подпирают раскосами и подвесами (бабками). А затяжку делают не цельной, а состоящей из двух срощенных балок.
Существует несколько вариантов конструкций с использованием висячих стропил. Рассмотрим их все по отдельности.
Конструкция #1. Треугольная шарнирная арка
Простейшая ферма в виде треугольника. Состоит из двух стропильных балок, сходящихся в коньке. Нижние основания упираются в горизонтальный брус. В нижней части «треугольника» закрепляют затяжку. Чтобы система работала правильно, высота конька в конструкции не должна быть меньше 1/6 пролета фермы.
Эту схему можно назвать классической. В ней стропила работают на изгиб, стремяться разъехаться в стороны, а затяжка удерживает их и получает растягивающие нагрузки (работает на растяжение). Несущим элементом затяжка не является, поэтому ее можно заменить на тяж из металлопроката.
Для снижения степени изгиба стропильных балок, врубку конькового узла выполняют с эксцентриситетом. Благодаря этому при воздействии на стропила внешних нагрузок (атмосферные явления, вес кровли, собственный вес и т.п.), наряду с ожидаемым изгибом, появляется изгибающий момент противоположного направления. Это позволяет не только уменьшить изгибающие деформации, но и применить для стропил балки меньшего сечения. Соответственно, это помогает удешевить строительство.
Как правило, эта конструкция висячих стропил применяется при строительстве мансардного чердака. Затяжки в этом случае играют роль балок чердачного перекрытия.
Конструкция #2. Арка шарнирная с бабкой
Более сложная схема, которая нужна в случае перекрытия пролетов более 6 м.
Проблема в такой системе – длинная затяжка, которая будет испытывать огромные нагрузки и, как следствие, прогибаться под своим весом. Чтобы прогиба не было, затяжку подвешивают к коньку. Как? С использованием дополнительного элемента – бабки. Она представляет собой деревянный брусок, играющий роль подвески. Если подвес выполняют из металла, то называют его тяжем. Нередко применяют для этих целей обычный металлический прут, который на практике хорошо работает на растяжение.
Таким образом, с помощью подвеса-бабки, удается поддержать длинную затяжку и нивелировать ее прогиб. Саму затяжку при этом составляют из двух частей-балок, стыкованных друг с другом (в центре конструкции).
Конструкция бабки проста, однако строители часто допускают ошибку в ее устройстве. Самое главное: бабка должна работать только на растяжение, а не на сжатие. Ее нельзя путать со стойкой, упирая в балку затяжки и карнизный узел. В таком случае элемент будет сжиматься, а не растягиваться.
Такая путаница может возникнуть потому, что стойка и бабка очень схожи по своему устройству. Но их предназначение, как и принцип работы, совершенно разные. Бабка, в отличие от стойки, жестко не закреплена с затяжкой. Она подвешена на карнизном узле, к ее нижней части с помощью хомутов крепится затяжка.
Необходимую длину затяжки набирают из составных частей, соединяя их косым или прямым прирубом и закрепляя болтами. С подвеской затяжку стыкуют через хомут.
Рассмотренная схема подходит для аграрных и промышленных зданий с большими пролетами. Однако в оригинальном виде она уже не используется, считается устаревшей. Но отдельные ее элементы весьма успешно применяются в практике строительства, при разработке арок других типов.
Конструкция #3. Арка шарнирная с приподнятой затяжкой
В этой схеме затяжка устанавливается не в нижней части арки, а продвигается кверху, ближе к коньку. Чем выше место установки затяжки, тем больше она растягивается.
Конструкцию с приподнятой затяжкой используют в строительстве мансардных помещений. Высота потолков при этом напрямую зависит от того, как высоко располагается затяжка.
Стропильные балки конструкции опираются на мауэрлат, а не на затяжку. Причем, крепление не жесткое, а подвижное, скользящее по типу ползуна. Оно позволяет компенсировать изменение размеров балок (их подвижки), которые происходят при колебаниях влажности и температуры.
Если на скаты действует равномерная нагрузка, то система будет устойчивой в любом случае. Если же нагрузка будет больше с одной стороны, то стропильная система сдвинется в сторону превалирующей нагрузки. Чтобы этого не случилась и кровля оставалась устойчивой, стропила устанавливают с выносом в обе стороны, за пределы стен.
Затяжка в такой арке не является опорой, на нее действуют растягивающие нагрузки – при устройстве чердака, и растянуто-изгибающие – при устройстве мансарды.
В мансардных помещениях затяжка зачастую является балкой для крепления подвесного потолка или изоляции. Чтобы защитить ее от провисания, устанавливают подвеску. При небольших предполагаемых нагрузках и короткой затяжке, подвес прибивают к ригелю и коньку, скрепляя соединения двумя досками с обеих сторон.
Если затяжка сравнительно длинная, то используют несколько подвесок, а каждую из них закрепляют гвоздями. Большие нагрузки требуют дополнительного использования хомутов.
Конструкция #4. Арка шарнирная с ригелем
Схема, похожая на предыдущую, но имеющая отличие: нижняя скользящая опора в карнизном узле заменяется на аналогичную жесткую. Стропильные балки врубают в мауэрлат или применяют для неподвижной фиксации опорные бруски.
Замена опоры меняет характер возникающих в арке напряжений. Конструкция становится распорной, воздействуя с распирающими усилиями на стены и мауэрлат.
Затяжку устанавливают в верхней части арки. При этом ее назначение меняется. Она уже не работает на растяжение, ее принцип действия основан на сжатии. Затяжку, работающую на сжатие, называют ригелем.
Арка с одним приподнятым ригелем рассчитана на небольшую распорную нагрузку. При больших нагрузках в дополнение к ригелю устанавливается затяжка. Получаются висячие стропила, конструкция и узлы которой схожи с обычной трехшарнирной аркой. Мауэрлат для них уже не требуется.
Конструкция #5. Арка с подвеской и подкосами
Схема, дополняющая систему арки с бабкой. Используется, когда длина стропил настолько большая (до 14 м), что создает существенный прогиб их под собственным весом. Чтобы нивелировать изгибающие напряжения, систему дополняют подкосами, которыми подпирают стропильные балки.
Обычно подкосы упирают во внутренние стены. Но в висячих системах их нет, поэтому подкосы упирают в единственный существующий упор – бабку. Получается жесткая конструкция со следующим принципом действия: стропила под воздействием внешней нагрузки прогибаются, давят на подкосы, подвеска растягивается и притягивает к себе коньковый брус, одновременно притягиваются и верхние части стропил, стропила поджимают подкосы.
Читайте также:
Так как в этой схеме используются длинные стропила, соответственно применяется и длинная затяжка. Как правило, она состоит из двух частей-балок (хотя бывает и одноэлементной), соединенных в середине пролета косым или прямым прирубом. Соединение затяжки с бабкой выполняется через хомут.
По сути, все существующие висячие арки являются вариациями обычной трехшарнирной арки. Все остальные дополнения – бабки, ригели, подкосы – только увеличивают жесткость стропил. И несущей способности не меняют.
Треугольная шарнирная арка
Рассматриваемый вид конструкции по праву считается одним из самых простых. Конструктивно такая схема предполагает создание простой фермы в форме треугольника, которая включает в себя две стропильных балки, направленных в сторону конька. Внизу стропила опираются на горизонтальную балку, кроме того, на нижнем уровне осуществляется крепление затяжек к стропилам. Для нормального функционирования такой конструкции высота конька должна быть больше, чем 1/6 пролета фермы.
В такой схеме, считающейся традиционной, основная нагрузка приходится на стропила, изгибая их так, чтобы они расходились в разные стороны. Это усилие компенсируется затяжкой, которая, работая на растяжение, позволяет разгрузить стропильную систему. Затяжка в данном случае не относится к числу несущих элементов, поэтому вместо деревянной детали вполне можно использовать металлическую.
Чтобы снизить изгибающую нагрузку, которую испытывают стропильные ноги, коньковые элементы в данном случае устанавливаются с небольшим отклонением от центральной оси. Такая схема становится причиной появления дополнительного усилия с противоположно направленным вектором. Помимо снижения нагрузки на стропильный каркас, это также позволяет использовать балки меньшей толщины – а это прямой путь к оправданной экономии.
Чаще всего треугольные шарнирные арки используются для создания мансард, а находящиеся в нижней части конструкции затяжки отлично служат в качестве балок перекрытия. Все описанные дальше схемы висячих стропил представляют собой вариации описанной трехшарнирной арки, в которых дополнительные элементы всего лишь повышают жесткость стропил.
Основные узлы: виды соединений элементов
Любая из рассмотренных выше конструкций будет правильно работать лишь при грамотном соединении всех основных узлов. Только тогда они будут выполнять свою функцию, не деформируясь под воздействием внешних факторов.
Сверху стропильные балки совмещают под углом и соединяют встык, внахлест или путем врубки. Этот узел называют коньковым. Крепление встык предполагает стыковку срезанных под углом концов балок и скрепление их накладками из металла или дерева. При соединении внахлест верхние части стропилин схлестывают между собой и закрепляют болтом с гайкой или шпилькой.
Соединение врубкой вполдерева похожа на соединение внахлест. Но в этом случае верхушки стропил накладывают друг на друга после выпиливания выемок в половину толщины бруса. Потом выпиленные части соединяют, в них просверливают сквозное отверстие и стягивают их балтом.
В конструкциях арок также встречается (например, в обычной трехшарнирной арке) соединение нижней части стропил с затяжкой – карнизный узел. Соединение выполняется лобовой врубкой одинарным или двойным зубом с креплением болтами. Также для крепления могут быть использованы короткие доски или металлические пластины, наложенные на стык стропилины с затяжкой и скрепленные гвоздями.
Приподнятая затяжка врубается в стропила внахлест полусководнем с последующим болтовым скреплением.
В схеме с приподнятой затяжкой или ригелем стропила соединяются с мауэрлатом. При этом применяется скользящее (по типу ползуна) или жесткое крепление опор. Скользящее крепление выполняется с применением металлических скользящих опор, допускающих небольшие подвижки стропил. При жестком креплении применяют врубку зубом, также может быть использован опорный брусок.
https://youtube.com/watch?v=IjTPElbAxsc
Шарнирная арка с ригелем
Данная схема конструктивно схожа с предыдущей, но есть и одно отличие – вместо подвижных опорных элементов для шарнирной арки с ригелем используется жесткое крепление стропил, что достаточно надежно. Стропила врубаются в мауэрлат или крепятся к неподвижным опорным брусам. Благодаря изменению конструкции опоры меняются и возникающие в системе напряжения – основной нагрузкой становится распирающая, приходящаяся на мауэрлат и стены.
Затяжка фиксируется в верхней части арки, но вместо растяжения она теперь испытывает сжатие. Вместе с изменением характера нагрузок меняется и название затяжки – теперь она именуется ригелем. Такая арка с приподнятым ригелем может работать только при условии небольшой распирающей нагрузки, а при ее увеличении ригель нужно дополнительно усилить затяжкой. В результате получатся висячие стропила, аналогичные традиционной арке с тремя шарнирами, и мауэрлат в данном случае уже не понадобится.
Общие принципы расчета висячих стропил
Как вы уже успели убедиться, висячая стропильная система относится к сложным конструкциям и требует правильного расчета, основанного на множестве факторов. Ошибочные итоговые параметры приведут к тому, что крыша не сможет противостоять потенциальным нагрузкам, что чревато деформациями и обрушениями.
Поэтому желательно доверить расчет висячих стропил профессионалам или использовать уже готовый проект дома. В крайнем случае расчеты можно выполнить с помощью одного из онлайн-калькуляторов, которых достаточно много в сети интернет.
Для расчета используются следующие данные:
- размеры перекрываемого помещения;
- наличие мансарды;
- предполагаемая максимальная нагрузка;
- угол наклона скатов;
- тип стропильной системы;
- материал изготовления стен;
- материал кровельного покрытия.
В результате расчета определяют:
- сечение стропил;
- величину шага стропил;
- форму ферм.
Шарнирная арка с бабкой
Данная конструкция сложнее предыдущей, зато ее вполне можно использовать для перекрытия пролетов длиной более 6 м. Основной проблемой длинных конструкций является длинная затяжка – на нее приходятся существенные нагрузки, поэтому она изгибается под собственным весом. Для компенсации этих нагрузок используется бабка – деревянный брусок, при помощи которого подвешивается затяжка. При необходимости в качестве бабки можно использовать и металлические пруты, которые имеют достаточную прочность на растяжение.
Используя такой подвес, можно устанавливать висячие стропила с затяжкой большой длины, ведь ее изгиб будет компенсирован. Основной момент при монтаже такой конструкции – бабка не должна подвергаться сжатию, то есть ее нельзя использовать как вертикальную стойку. Конечно, конструктивно стойка и подвес очень похожи, но эти элементы выполняют совершенно разную работу.
Главное отличие бабки заключается в том, что она подвешивается к карнизному узлу, а затяжка крепится к ней посредством хомутов. Для создания затяжки нужной длины используются составные элементы, которые подгоняются посредством прирубов и фиксируются болтами. Перед сборкой стоит провести расчет затяжки стропил, чтобы конструкция была оптимальной.
Такая конструкция на сегодняшний день применяется редко по причине морального устаревания. Впрочем, заложенные в ней идеи и принципы все же находят применение в других, более современных стропильных системах.
Монтаж висячих стропил
После выбора стропильной конструкции и ее расчета можно приступать к монтажным работам.
Устройство висячих стропил на строительной площадке выполняется по следующей схеме:
- Для точности монтажа и удобства, отмечают центр крыши и высоту конька. Для этого по фронтонам в центре временно закрепляют две доски, на них делают отметку по высоте конька.
- Изготавливают шаблон для стропильных ног. Берут доску, прислоняют ее к мауэрлату нижним концом, а к отметке высоты конька – верхним концом. Отмечают места расположения верхнего и нижнего запилов.
- Используя шаблон, изготавливают необходимое количество стропильных балок. В зависимости от будущего расположения в ферме помечают их на правые и левые стропилины. Выкладывают их по парам (так как каждая ферма состоит из двух стропилин – правой и левой).
- Начинают сборку первой фермы (арки). Две стропильные балки соединяют вверху внахлест, встык или путем врубки.
- Устанавливают затяжку и, если это предусмотрено схемой конструкции, бабку и подкосы.
- Поднимают ферму на крышу и монтируют ее с торца постройки (на фронтоне). Крепление выполняется к мауэрлату с использованием уголков и гвоздей или саморезов.
- Со стороны второго фронтона устанавливают такую же арку.
- Между фронтонной парой арок натягивают бечевку, чтобы остальные арки были установлены четко по линии и обозначенному уровню.
- Оставшиеся арки выставляют между фронтонами с шагом, предусмотренным проектом. Уровень арок по высоте контролируют натянутой бечевкой. Для исправления небольших погрешностей в размерах, высоту регулируют путем подкладки под стропилины деревянных дощечек.
На этом установка стропил окончена. Теперь можно приступать к очередным кровельным работам: укладывать утеплитель и гидроизоляцию, набивать обрешетку, монтировать кровельный материал.
Арка с подвеской и подкосами
Такая схема является логическим продолжением темы арок с бабками. Арка с подвеской и подкосами используется для перекрытия пролетов длиной до 14 м – в подобных конструкциях нагрузка настолько велика, что стропила прогибаются из-за собственного веса. Для компенсации этих нагрузок используются подкосы.
Как правило, подкосы в стропильной системе упираются на внутренние стены постройки, но висячие стропила используются только при их отсутствии. Решить эту проблему помогает бабка, являющаяся единственной доступной опорой.
Собранная таким образом конструкция работает по следующему принципу:
- На стропила приходится внешняя нагрузка;
- Подкосы принимают на себя часть этой нагрузки;
- Подвеска растягивается и натягивает коньковый брус;
- Стропила захватываются за верхнюю часть и тянутся вниз, за счет чего прижимаются подкосы.
Для длинных стропильных ног, свойственных такой конструкции, используется длинная же затяжка. Лучше всего использовать брус из двух жестко соединенных балок. Затяжка крепится к бабке посредством хомута.
Устройство пола чердачного перекрытия и утеплённой крыши при стропильных фермах
После установки ферм заполняется пространство между затяжками, если они расположены в уровне опор. Состав слоёв аналогичен таковому при устройстве межбалочного пространства в чердачном перекрытии при наслонной стропильной конструкции.
Чёрный пол чердачного помещения укладывается на затяжки. Снизу затяжки закрываются материалом отделки потолка.
Если затяжки расположены выше уровня опор, то пол чердачного помещения монтируется по балкам, как это делается в обычном чердачном перекрытии.
При устройстве тёплых крыш утеплитель так же, как и в наслонных стропилах, закладывается между стропилами.
Стропильные фермы хороши, если в доме есть чердак (мансарда). При отсутствии чердака нижние пояса ферм открыты, они не «прячутся» в чердачном перекрытии. Это можно отнести к недостаткам висячих стропил, но, с другой стороны, фермы можно обыграть, придав им красивый вид.
ВЫВОДЫ:
- Правильный расчет и грамотно проведенный монтаж стропильной системы являются гарантией создания прочной и устойчивой конструкции.
- Устройство висячей системы целесообразно в строениях, не имеющих внутренних несущих стен.
- В висячих системах стропильные ноги работают на сжатие и изгиб без создания горизонтальных нагрузок.
- Для сокращения оказываемого на стены распирающего усилия используется затяжка, с помощью которой соединяются отдельные конструктивные элементы.
- При монтаже висячих стропил ширина пролета строения должна составлять 6-10 метров.
- Существует пять типовых конструкций стропил висячего типа.
- При монтаже висячих строил необходимо следовать определенным правилам и соблюдать очередность действий.
Пошаговое описание установки стропильной системы вы сможете посмотреть на видео.
