Технология обустройства висячей стропильной системы для двускатной крыши

Монтаж 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 висячей конструкции стропила 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 надежно фиксируются между стропильными ногами без применения дополнительных крепежных 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 сращенных частей. Примеры конструктивных решений висячая конструкция стропила двускатной крыши для различных величин пролета представлены на схеме ниже. В зависимости от способа устройства основных узлов соединения конструкции висячая стропильная система подразделяются 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 трехшарнирной системы висячие стропила. Отличия между ними заключаются в наличии дополнительных усиливающих элементов – бабок, ригелей, подкосов, которые повышают жесткость стропильных ног. При значительной длине стропил увеличивается и длина затяжки. Чтобы не использовать цельный длинномерный брус, затяжку составляют из двух частей, соединяя их посередине пролета косым срезом, к которому хомутом крепят бабку.

Данная ферма представляет собой замкнутую треугольную конструкцию типа висячая стропильная система, образованную двумя наклонными балками, которые нижними концами опираются на горизонтальный брус (мауэрлат), а в верхней части сходятся в коньковом узле. Противоположные точки опирания конструкции висячие стропила 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 пролета. 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, работающая на растяжение, противодействует этому распору. При этом сама она в системе висячая конструкция стропила двускатной крыши не является несущим элементом в полном смысле этого слова. Ее допускается изготавливать не только из древесины, но и заменять металлическим профильным тяжем.

В данной конструкции вида висячая стропильная система 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. Стропильные ноги 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 висячая конструкция стропила двускатной крыши позволяет увеличить полезный объем мансардного помещения за счет подъема затяжки в зону конька, но при этом требует более точного расчета 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 системы висячие стропила исключают возникновение распорных напряжений в стенах, однако накладывают ограничения на жесткость 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 учетом розы ветров и снеговой нагрузки.

В данной схеме конструкции висячая стропильная система 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 системе висячая конструкция стропила двускатной крыши рассчитывается с учетом 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 пролетах (свыше 6 м) затяжку рекомендуется усиливать подвесками к коньковому узлу, чтобы снизить ее провисание и перераспределить нагрузку. При расчете необходимо учитывать возможные осадки конструкции висячие стропила, изменения влажности древесины и ее усадку в процессе эксплуатации, особенно если используется пиломатериал естественной влажности. Только комплексный подход к расчету всех элементов арки с верхней затяжкой гарантирует надежность, долговечность и безопасность всей стропильной системы на весь период эксплуатации здания.

Трехшарнирная арка с ригелем внешне напоминает конструкцию висячая стропильная система 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 жесткую фиксацию посредством врубки. Она дополнительно усиливается опорным бруском. Такое решение кардинально меняет характер работы всей системы. В результате жесткого закрепления стропильных ног на опорах конструкция начинает работать на распор – стропила стремятся раздвинуть наружные стены в стороны. При этом горизонтальный элемент, соединяющий в верхней зоне в висячей конструкции стропила двускатной крыши, перестает 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 жесткости 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 ее длины. Такое расположение создает дополнительную опорную точку, уменьшая расчетный пролет стропила и снижая изгибающий момент в наиболее нагруженном сечении. Подвеска, закрепленная на коньковом брусе, работает на растяжение, воспринимая вертикальные нагрузки от подкосов и передавая их на коньковый узел. В результате образуется жесткая 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 мансардных крыш с большими пролетами и сложной конфигурацией скатов. Необходимо учитывать, что узлы соединений в данной системе требуют высокой точности изготовления и надежных 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.

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