Технология обустройства висячей стропильной системы для двускатной крыши

Монтаж стропил несущего каркаса кровли, когда предусмотрена висячая стропильная система, начинается с разработки проектной документации. Ключевая конструктивная особенность данной системы — отсутствие вертикальных опорных стоек в центральной части перекрытия внутри подкровельного пространства. Именно эта простота устройства висячих стропил для двускатной крыши привлекает многих застройщиков, однако на практике существует множество вариантов исполнения опорных узлов кровельной конструкции. На стадии проектирования необходимо детально рассчитать совокупность всех воздействий, которые будет воспринимать кровля, — постоянных, временных и особых. Итоговые значения напрямую определяют требуемое сечение деревянных несущих элементов, включая висячие стропильные ноги. Шаг расстановки стропил является величиной постоянной и принимается равным 600 мм между осями балок. Данный стандарт продиктован унифицированными размерами теплоизоляционных материалов, выпускаемых промышленностью. В результате промежуток в свету между соседними стропилами составляет порядка 580 мм, что позволяет укладывать плиты или маты из минеральной ваты или иного утеплителя с небольшим натягом. Благодаря такому размерному соотношению слои теплоизоляции надёжно фиксируются между стропильными ногами без применения дополнительных крепёжных приспособлений.

При расстоянии между наружными стенами, превышающем 6 м, стропильный каркас нуждается в усилении дополнительными элементами — подкосами, вертикальными подвесками (бабками), а также затяжками, составленными из двух сращённых частей. Примеры конструктивных решений висячей стропильной системы для различных величин пролёта представлены на схеме ниже. В зависимости от способа устройства основных узлов соединения висячая стропильная система подразделяется на пять основных типов:

1. Треугольная арка классического типа с шарнирным сопряжением элементов;
2. Арочная конструкция с подвесным устройством;
3. Арка с верхним расположением затяжки;
4. Арка с ригельным элементом;
5. Арка с подкосами и подвесной стойкой. Все перечисленные разновидности висячих арок являются вариантами классической трёхшарнирной системы висячих стропил. Отличия между ними заключаются в наличии дополнительных усиливающих элементов — бабок, ригелей, подкосов, которые повышают жёсткость стропильных ног. При значительной длине стропил увеличивается и длина затяжки. Чтобы не использовать цельный длинномерный брус, затяжку составляют из двух частей, соединяя их посередине пролёта косым срезом, к которому хомутом крепят бабку.

Данная стропильная ферма представляет собой замкнутую треугольную конструкцию висячей стропильной системы, образованную двумя наклонными балками, которые нижними концами опираются на горизонтальный брус (мауэрлат), а в верхней части сходятся в коньковом узле. Противоположные точки опирания висячих стропил стягиваются затяжкой, одновременно выполняющей функцию балки перекрытия. Обязательное условие для формирования такой фермы — расстояние между коньковым ригелем и плоскостью перекрытия должно составлять не менее одной шестой длины пролёта. Под воздействием нагрузок от атмосферных осадков, ветрового давления, массы кровельного покрытия и собственного веса конструкции стропильные ноги испытывают изгиб и стремятся раздвинуть наружные стены. Затяжка стропил, работающая на растяжение, противодействует этому распору. При этом сама она в висячей стропильной системе не является несущим элементом в полном смысле этого слова. Её допускается изготавливать не только из древесины, но и заменять металлическим профильным тяжом.

В данной конструкции висячей стропильной системы затяжка выступает самостоятельным элементом и не совмещена с балкой перекрытия. Балку перекрытия поднимают вверх на такую высоту, чтобы она, помимо своей основной функции, служила также основой для обшивки потолка мансардного этажа. Висячие стропила опираются на мауэрлат через скользящие узлы сопряжения, компенсирующие подвижки древесины при колебаниях влажности и температуры. Для обеспечения устойчивости системы стропила выводят за наружные плоскости стен на величину до 500 мм. Такое конструктивное решение висячей стропильной системы позволяет увеличить полезный объём мансардного помещения за счёт подъёма затяжки в зону конька, но при этом требует более точного расчёта сечения самой затяжки, так как она испытывает не только растягивающие усилия, но и изгибающие от собственного веса и нагрузок от потолочной обшивки. Узлы скольжения на опорах висячих стропил исключают возникновение распорных напряжений в стенах, однако накладывают ограничения на жёсткость стропильного каркаса в продольном направлении, что требует устройства дополнительных ветровых связей в плоскости кровли. Вынос стропил за пределы стен формирует свес, защищающий фасады от косого дождя и талых вод, при этом длина выноса рассчитывается индивидуально для каждого региона с учётом розы ветров и снеговой нагрузки.

В данной схеме висячей стропильной системы затяжка поднимается вверх относительно уровня перекрытия, что позволяет использовать подкровельное пространство для организации полноценного мансардного этажа. Минимальная высота потолка в таком помещении должна составлять не менее 2,2 м — именно на этом уровне, как правило, располагается затяжка, выполняющая одновременно роль основы для потолочной обшивки. Следовательно, общая высота кровли в коньке при такой конфигурации достигает 3 м и более, что напрямую влияет на парусность конструкции и ветровые нагрузки. Несущая способность затяжки в висячей стропильной системе рассчитывается с учётом не только растягивающих усилий, возникающих от распора стропил, но и изгибающих напряжений от собственного веса элемента, а также массы подвесного потолка, утеплителя, инженерных коммуникаций и отделочных материалов. При значительных пролётах (свыше 6 м) затяжку рекомендуется усиливать подвесками к коньковому узлу, чтобы снизить её провисание и перераспределить нагрузку. При расчёте необходимо учитывать возможные осадки висячих стропил, изменения влажности древесины и её усадку в процессе эксплуатации, особенно если используется пиломатериал естественной влажности. Только комплексный подход к расчёту всех элементов арки с верхней затяжкой гарантирует надёжность, долговечность и безопасность всей стропильной системы на весь период эксплуатации здания.

Трёхшарнирная арка с ригелем внешне напоминает конструкцию висячей стропильной системы с верхней затяжкой, однако между ними имеются принципиальные конструктивные различия. Главное отличие заключается в способе сопряжения стропильной ноги с мауэрлатом. Висячие стропила вместо скользящего узла здесь применяют жёсткую фиксацию посредством врубки. Она дополнительно усиливается опорным бруском. Такое решение кардинально меняет характер работы всей системы. В результате жёсткого закрепления стропильных ног на опорах конструкция начинает работать на распор — стропила стремятся раздвинуть наружные стены в стороны. При этом горизонтальный элемент, соединяющий висячие стропила в верхней зоне, перестаёт испытывать растягивающие усилия и начинает работать на сжатие. Это принципиально меняет его функцию. Именно поэтому данный элемент называют не затяжкой, а ригелем. В отличие от затяжки, ригель воспринимает сжимающие напряжения и препятствует схождению стропильных ног в коньке, сохраняя геометрию конструкции под нагрузкой.

Данную схему применяют в случаях, когда значительная длина стропильных ног (свыше 6–8 м) приводит к возникновению недопустимых прогибов под действием собственного веса, снеговой нагрузки и массы кровельного покрытия. Для компенсации избыточных изгибающих напряжений и повышения общей жёсткости стропильного каркаса висячие стропила усиливают подкосами и вертикальной подвеской — бабкой. Подкосы представляют собой наклонные балки, которые нижним концом упираются в бабку — центральный вертикальный элемент, подвешенный к коньковому прогону, а верхним — поддерживают стропильную ногу примерно на середине её длины. Такое расположение создаёт дополнительную опорную точку, уменьшая расчётный пролёт стропила и снижая изгибающий момент в наиболее нагруженном сечении. Подвеска, закреплённая на коньковом брусе, работает на растяжение, воспринимая вертикальные нагрузки от подкосов и передавая их на коньковый узел. В результате образуется жёсткая пространственная система, в которой все элементы работают согласованно: стропильные ноги под действием внешней нагрузки прогибаются, передавая усилие на подкосы; подкосы, в свою очередь, сжимаются и опираются на бабку; бабка растягивается и удерживает коньковый брус от провисания. Одновременно с этим стропила поджимают подкосы, создавая замкнутый силовой контур, который эффективно сопротивляется как вертикальным, так и горизонтальным воздействиям. Такая схема особенно востребована при устройстве мансардной крыши с большими пролётами и сложной конфигурацией скатов. Необходимо учитывать, что узлы соединений в данной системе требуют высокой точности изготовления и надёжных креплений — металлических зубчатых пластин, болтов или хомутов, поскольку любые люфты в сопряжениях снижают эффективность работы всей фермы и могут привести к деформациям в процессе эксплуатации.

Висячая стропильная система — стропильный каркас двускатной крыши без промежуточных опор, в котором висячие стропила опираются на наружные стены, а распор удерживает затяжка. Висячие стропила — наклонные несущие балки кровли, нижние концы которых опираются на мауэрлат, а верхние сходятся в коньковом узле. Мауэрлат — горизонтальный опорный брус, уложенный по периметру несущих стен, на который опираются нижние концы стропил. Затяжка стропил — горизонтальный элемент, работающий на растяжение и стягивающий нижние точки опирания висячих стропил, противодействуя распору стен. Стропильный каркас — совокупность стропил, затяжек, подкосов и связей, образующая несущую основу кровли. Монтаж стропил — установка и крепление элементов стропильной системы на мауэрлате и в коньковом узле с соблюдением проектного шага и расчётных сечений. Мансардная крыша — кровельная конструкция с подкровельным пространством, пригодным для жилого помещения; при висячей стропильной системе затяжку часто поднимают для увеличения высоты потолка. Теплоизоляция — слой утеплителя между стропилами, укладываемый с шагом 600 мм между осями балок висячей стропильной системы.

Монтаж стропил висячей стропильной системы начинается с проектной документации и расчёта нагрузок на кровлю. Шаг расстановки стропил принимают равным 600 мм между осями балок. При расстоянии между стенами более 6 м стропильный каркас усиливают подкосами, бабками и составной затяжкой. Затяжка работает на растяжение и противодействует распору висячих стропил, а ригель при жёсткой врубке воспринимает сжатие. Схема с подкосами применяется при длине стропильных ног свыше 6–8 м.