Расчет стропильной системы вальмовой крыши

Итак, так что же собой представляет стропильная система вальмовой крыши? Это четырехскатная конструкция, т.е. таковая, какая имеет четыре плоскости. Такая крыша куда сложнее двускатной, зато прочнее и надежнее в эксплуатации. Да и вид у нее во всем мире признан как один из самых удачных и эстетичных.

Вот главные преимущества такой конструкции:

• Благодаря наличию треугольных торцевых скатов в вальмовой крыше можно устанавливать обычные мансардные окна.
• Ввиду отсутствия острого выступа у вальмовой крыши более высокая стойкость к разным атмосферным явлениям.
• Вальмовая крыша считается экономичной – благодаря тому, что у нее нет фронтонов.
• Временные деформации такой крыши сведены к нулю – все благодаря ее особой конструкции.
• Утепление такой крыши значительно проще, чем двускатной (нет все тех же проблемных фронтонов).
• Большая стойкость к ветровым нагрузкам местности – благодаря низким углам наклона.
• Возможность легче и проще переоборудовать чердачное помещение в удобную мансарду. А это уже ценное увеличение жилой площади дома.

Из недостатков выделим основной: стропильная система вальмовой крыши сложнее, чем у обычной, а потому монтаж ее вам обойдется дороже, хотя вы и сэкономите на кирпичной кладке.

Виды конструкции вальмовой крыши

Итак, давайте разберемся, каких типов и подтипов сегодня строят вальмовые крыши:

• Вальмовая. Это традиционная четырехскатная крыша с треугольными скатами со всех торцевых сторон.
• Крыша, у которой вальма не доходит до карниза, называется полувальмовой.
• Шатровой называют вальмовую крышу, у которой одинаковые треугольники соединены вместе одной верхней точкой. К слово, когда-то на Руси поголовно строили именно такие крыши.
• Крестообразная вальмовая крыша – более редкий вид ввиду дороговизной исполнения и высокой трудоемкостью работ. Обычно ее строят на домах со сложной планировкой или отдельно только над входными дверьми.

Разобраться подробнее вам поможет наша схема:

Как мы уже говорили, если вальма не доходит до карниза, кровля называется полувальмовой. Как раз в этих местах ставят слуховые окна, чем полностью решается проблема необходимости в наклонных мансардных окнах. Но по сложности и по стоимости сооружения полувальмовая крыша выше других.

Самый простой пример вальмовой крыши (вполне эстетичный, заметим), это крыша треугольной формы. Все скаты здесь имеют одинаковый размер, и все углы равнозначны. Если вам подходит такая высота и конструкция, тогда отдайте предпочтение именно этому варианту – вы избежите мн??жества подводных камней и нюансов!

Единственный момент: вальмовая крыша в ее классическом варианте плоха тем, что у нее нет вертикальных плоскостей и мансардные или чердачные окна приходится располагать на наклонных стенах. В итоге такие элементы становятся самыми незащищенными в плане протечек во время дождя.

Как избежать ошибок при расчете?

А теперь давайте избежим самой первой и самой досадной ошибки проектирования вальмовой крыши – отсутствия замеров самого дома. Проблема в том, что даже обученные мастера умудряются начинать работу с составления плана и чертежа крыши, но никак не работают с основой – стенами. А ведь только на первый взгляд кажется, что стены идеально ровные, все параллельно друг другу и тому подобное, а на деле далек от идеала даже совершенно новый дом. И потом, уже только в процессе строительства обнаруживаются определенные погрешности, которые мешают правильно установить первые опоры.

Поэтому первым делом, перед тем, как провести какие-либо расчеты по вальмовой крыше, вооружаемся линейкой и уровнем. Проверяем высотные отметки, параллельности стен, диагонали (правильность прямоугольных стен) и составляем обмерный план дома. Скажем, вы будете удивлены некоторым неточностям. И теперь решаем, как что будем исправлять:

• Незначительную погрешность в параллельности исправляем мауэрлатом.
• Незначительную разницу высот разных стен исправляем прокладками.
• Значительные разницы исправляем дополнительными элементами стропильной системы, которые обязательно вносим в расчеты.

Кроме того, мы рекомендуем вам делать не простой двумерный чертеж крыши, а создать объемную модель, которая даст вам четкое представление о вашей вальмовой крыше. С первого взгляда вы сможете понять, нравится вам то, что получится, или нет. Переделывать что-то довольно сложно. А помогут вам в этом современные компьютерные программы, какие достаточно много.

Как рассчитываются элементы вальмовой стропильной системы

Итак, впереди самый ответственный этап – провести проектирование будущей вальмовой стропильной конструкции. В этом вопросе следует придерживаться определённой последовательности.

Основные конструктивные особенности вальмовой крыши

Итак, что собой представляет вальмовая крыша с конструктивной точки зрения.

Это – четырёхскатная конструкция. Два ската, проходящие вдоль длинно стороны здания, имеют форму трапеции, верхняя сторона которой является коньком, а боковые ребра расходятся от него к углам здания. С обеих фронтонных сторон скаты имеют форму равнобедренного треугольника, который своей вершиной упирается в крайнюю точку того же конька.

Так выглядит классическая четырёхскатная вальмовая крыша

Теперь, если виртуально аккуратно снять с крыши кровельное покрытие, убрать, чтобы не мешали рассмотрению, стены дома, то откроется примерно такая картина – собственно. Сама деревянная конструкция вальмовой стропильной системы.

Базовая схема вальмовой стропильной системы.

Теперь познакомимся с самыми основными конструктивными элементами вальмовой стропильной системы.

Основные элементы стропильной системы вальмовой крыши

1 – мауэрлат – мощный деревянный брус, закрепленный по периметру верхнего торца стен дома. Является базовой основой для установки стропильной конструкции.

2 – коньковый брус (прогон). Должен располагаться строго по продольной оси дома, на высоте от уровня перекрытия, зависящей от запланированной крутизны скатов крыши.

3 – центральные основные стропила. Располагаются с расчётом опоры на мауэрлат и на края конькового прогона. Всего таких стропил – 4 штуки, по два на каждый боковой скат.

4 – центральные вальмовые стопила. Расположены строго по оси конька, делят треугольный вальмовый скат ровно пополам. Общее количество – две штуки.

5 – угловые или диагональные стропила (иначе – накосные ноги). Опираются на угол мауэрлата и на оконечность конькового прогона. Самые длинные из всех стропильных ног. Общее количество – 4 штуки. Таким образом, на каждом конце конька сходится по пять стропил – два основных центральных, одно центральное вальмовое и два диагональных (накосных).

6 – промежуточные стропила. Устанавливаются по боковым скатам между центральными стропилами, имеют такой же размер, опираются так же — на мауэрлат и на коньковый прогон. Количество зависит от выбранного шага установки. При маленькой длине конька могут и вовсе отсутствовать.

Конек на этой вальмовой крыше настолько короткий, что необходимости в промежуточных стропилах просто нет

7 – укороченные стропила. Устанавливаются по боковым трапециевидным скатам между центральным стропилом и углом крыши. Опираются на мауэрлат и на накосные (диагональные) ноги. Количество зависит от шага установки. Длина деталей меняется – уменьшается по мере приближения к углу системы.

8 – укороченные стропила вальмового ската (нарожники). Расположение, количество и размеры в целом аналогичны с боковыми укороченными стропилами.

Это был показан простейший, базовый вариант стропильной вальмовой конструкции. На практике же, когда крыша возводится над жилым домом, приходится прибегать к усилению, то есть установке дополнительных элементов:

Элементы усиления конструкции вальмовой крыши

9 – стойки, подпирающие коньковый прогон. Они могут опираться на лежень, уложенный ровно по центру перекрытия параллельно коньку (например, если снизу имеется капитальная внутренняя стена). Другой вариант – упор стоек в балки перекрытия или в затяжки (ригели) соединяющие пары стропильных ног.

10 – затяжки (ригели), которые одновременно могут выполнять и роль балок перекрытия. Другой вариант – это действительно балки, врезанные в мауэрлат или вмурованные в стены дома. Затяжки могут располагаться и выше, ближе к коньковому прогону. Зачастую в этом случае она становится основой для подшивки потолка чердачного помещения. Затяжки или балки становятся основой не только для стоек, но и для некоторых других усиливающих элементов конструкции.

крепление для стропил

11 – если основные или промежуточные стропила получаются слишком длинными, более 4,5 м, то их необходимо усилить, установив диагональные подкосы, упирающиеся в расположенный снизу прогон или в балки перекрытия (затяжки). Подкосы обычно устанавливаются под углом 45 ? 60°, и использование таких промежуточных опор позволяет уменьшить сечение пиломатериалов, идущих на изготовление стропильных ног.

12 – самыми длинными всегда получаются диагональные стропила (накосные ноги). Как правило, они в первую очередь нуждаются в усилении, так как будут служить опорой для целого ряда укороченных стропил (нарожников). Один из вариантов – это установка шпренгеля, как показано на рисунке. Устанавливается угловая шпренгельная балка, которая врезается в мауэрлат, а от нее к накосной ноге идет вертикальная стойка. Другой вариант усиления диагональных стропил – те же подкосы, которые снизу будут опираться на центральный лежень.

13 – ветровая балка, которая наискось прибивается изнутри к стропильным ногам, как правило, с наветренной стороны здания. Практикуется ее использование и с обеих сторон, когда дом возводится в ветреном регионе, а направление ветра – неустойчиво.

14 – для формирование карнизных свесов можно увеличивать длину стропильных ног, так, чтобы они выходили за внешние стены на определенное расстояние. Это, правда, бывает не всегда возможно или оправдано – из-за ограничений по стандартной длине пиломатериалов или из соображений экономичности. Выход – применение удлиняющих стропила деталей, кобылок, которые и сформируют карнизный свес требуемой ширины от уровня стен дома.

Выбор угла наклона ската

Уклон скатов выбирается после сбора и учета всех факторов влияния, включая ветровую и снеговую нагрузку, допустимый угол укладки кровельных покрытий, потребность в использовании внутреннего пространства и других факторов (сметы строительства, соображений дизайна, наличия или отсутствия пристроек).

При этом влияние снеговой нагрузки преобладает над остальными. При допустимом нормами диапазоне от 5 до 60 ° в регионах с сильными снегопадами угол скатов рекомендуют поднимать до максимально возможного, т.е. – до 40-60 °.

В остальных случаях вес снега добавляют к весу пирога с учетом региона проживания (усредненная табличная величина) и поправочного коэффициента (уменьшаемого с 1 до 0,33 по мере роста наклона, приравниваемого к 0 при 60 °).

После выбора оптимального значения, угол укладки рядовых стропил и ската в верхней зоне находится по формуле: ?=90-?.

Подробнее об определении угла наклона вальмовой кровли читайте здесь.

Определение высоты конька

По формуле ниже определяется высота крыши (она же – расстояние до одиночного конькового прогона или высота вертикальной опорной стойки):

h=(D•tan?)/2, где D – расстояние между нижними точками боковых трапециевидных скатов, т.е. ширина здания.

В идеале коньковый прогон размещается строго по центру, с одинаковым расстоянием до нижней линии боковых скатов и вальмы (по сути, все рекомендуемые формулы подогнаны именно под этот вариант).

При таком исполнении уклоны скатов максимально совпадают, а нагрузки компенсируют друг друга. Но в ряде случаев торцевые и вальмовые скаты имеют разные уклоны, что обязательно учитывается при расчете стропил и других конструкций.

Длина центральных стропил вальмы

Длина рядовой стропильной ноги  находится как сумма квадратов высоты крыши и расстояния от нижней точки крепления вертикальной стойки (или условной точки начала прогона) до мауэрлата.

Для заложения этих конструкций используются доски или брус толщиной от 50 мм, первые предпочтительней при планировании утепления вальмовой крыши. Полученное значение длины нуждается в корректировке, а именно – умножении на поправочный коэф., в свою очередь зависящий от уклона вальмовой крыши (см. табл. ниже)

Размер конькового прогона

Данный параметр получают путем вычитания двух отступов от середины вальмовых скатов до нижней точки крепления вертикальных опор, удерживающих конек или условной оси узла крепления диагональных стропил.

При равном расстоянии края каждого ската lконька=L-D, где L- длина постройки.

Данная величина оказывает прямое влияние на длину лежня (при наличии в каркасе), определяемого как lл=L-D/2. Но этот параметр нуждается в согласовании с внутренним планом дома.

Длина угловых стропил

Эту величину проще всего определить с помощью теоремы Пифагора, как гипотенузу треугольника, образованного центральным рядовым стропилом, половинкой нижней части вальмового ската и самой диагональной ногой.

В простом приближении ее получают, выделив квадратный корень из суммы квадратов катетов. По аналогии с промежуточными стропилами полученную величину умножают на поправочный коэффициент.

Найденные значения в точности используются на следующих этапах расчета кровли (определении площади скатов, параметров свеса, выборе укрепляющих узлов), но при расчете пиломатериалов его всегда увеличивают на 5-10%. Игнорирование этого требования приводит к проблемам при стыковке или креплении.

Не менее важное влияние на надежность каркаса оказывает сечение диагональных стропил. По нормам их закладывают из бруса толщиной от 100 ??м или из сдвоенных досок от 50 мм.

Второй вариант предпочтителен из-за лучшей выдержки сдвоенных элементов нагрузок на изгиб.

Чрезмерно длинные стропила рекомендуется сращивать в верхней точке с помощью гвоздей, вставок или других методов.

Определение количества и сечения опор

В вальмовом скате закладывается по одной центральной стропильной ноге, но в боковых их число увеличивается в зависимости от длины вытянутой стороны дома. Как правило, 4 таких элемента размещаются практически вплотную с узлом крепления диагональных ног. Остальные – укладываются с равным шагом от 60 см и выше.

Верхний предел зависит от габаритов вальмовой кровли, ожидаемых нагрузок и сечением пиломатериалов. Специалисты рекомендуют выбирать оптимальный интервал по таблицам, с округлением в меньшую сторону.

Укороченные опоры и нарожники для вальм

Полуноги и вальмовые нарожники рассчитываются после получения размеров остальных стропильных ног и выбора шага их размещения.

Строительные калькуляторы при расчете используют принцип пропорционально уменьшаемых треугольников (длина каждого следующего нарожника уменьшается на величину, пропорциональную удалению от центральной стропильной ноги).

• Длина первого укороченного стропила находится по формуле: L1=2/3L;
• Длина второго укороченного стропила находится по формуле: L2=1/3L

По аналогии с остальными рядовыми стропилами полученное значение рекомендуют увеличивать на поправочный коэффициент или добавлять к длине ширину отрезка на привязку к мауэрлату.

Все элементы размещают с равномерным шагом, при увеличении числа нарожников формулу корректируют, но сам принцип расчета не меняется.

Карнизный свес

При первичном, ориентировочном расчете площади скатов и определении нагрузки на 1 м2 крыши длиной карнизных свесов пренебрегают.

Но при детализированном расчете способ их обустройства и размеры всегда определяются заранее с учетом рекомендуемого выступа от стен в диапазоне от 40 до 70 см, не более.

Необходимую величину удлинения стропила находят как отношение отступа от стены до крайней точки карниза к косинусу уклона кровли: ?=k/cos?.

Единого мнения об оптимальном способе обустройства свесов нет, из-за упомянутого выше ограничения в длине пиломатериалов и упрощения расчета параметров скатов некоторые специалисты рекомендуют формировать их с помощью кобылок.

Такой метод считается более сложным в исполнении и менее надежным. В ряде случаев владельцы отказываются от свесов в принципе или делают их укороченными, чаще всего такое исполнение выбирается при необходимости исключения влияние ветровых нагрузок.

Размеры укрепления

Укрепляющие элементы (подкосы, шпренгели, затяжки) подбираются после уточнения нагрузок и расчета несущего каркаса. Единых формул для них нет, в каждом случае вальмовая крыша усиливается индивидуально.

К обязательным элементам относят подкосы (от 1 шт. при длине диагональной ноги до 7,5 м, от 2 – при длине от 7,5 до 9 м), закрепляемые под углом в 45-53° с упором в верхнюю часть стропилины. При больших габаритах каркас укрепляется дополнительными вертикальными стойками.

Этапы работы по монтажу вальмовой крыши

Если для крыши дома выбрана вальмовая конструкция, то работу над ней нужно вести в строгой последовательности:

• Любой проект начинается с составления схемы стропильной системы.

Начинают всегда с вычерчивания базового плана вальмовой крыши

• Следующим шагом идетрасчет всех параметров, которые будут зависеть от ширины расстояния между стен дома и наличия внутри строения капитальных перегородок.
• Далее, согласно расчетам, приобретаются необходимые материалы и подготавливаются нужные для работы инструменты.
• Затем следует подготовка к обвязке стен для установки стропильной системы — настил гидроизоляционного материала.
• Выполняется разметка стен под монтаж стропильной системы.
• Самый важный этап — установка всей системы в соответствии с проектом.
• Завершающая стадия — устройство кровли.

Подготовка схемы крыши

Схема крыши может быть разной — это будет зависеть от фантазии и возможностей владельца дома, а также от расположения стен постройки. При составлении схемы нужно учесть и то, что чем сложнее будет конструкция крыши, тем больше материала для нее понадобится, а также дольше будет длиться монтаж системы.

Если конструкция будет очень сложной, то лучшим вариантом будет обратиться за помощью к профессионалам, которые помогут правильно рассчитать толщину и количество необходимых для надежности системы элементов. Конечно, на составление такого проекта уйдет какое-то время и будут потрачены определенные финансовые средства, но лучше воспользоваться разработкой специалистов, чем действовать наугад и получить ненадежную конструкцию.

Расчет параметров системы

Если же принято решение положиться на собственные силы, то, производя расчеты, нужно учесть следующие факторы:

• Надежность несущих стен и фундамента строения, над которым будет возводиться крыша.
• Тип стропильной системы (наслонная или навесная).
• Размер сечения стропил и брусков для других элементов системы.
• Угол наклона скатов и расстояние прогона между стропил.
• Размеры таких элементов, как выступы и проемы для дымоотводных труб, вентиляции, окон.

Для расчета точных пропорций конструкции можно воспользоваться специально разработанными для этого формулами, которые позволят сделать крышу надежной и прочной. Обозначение параметров в формулах:

S — общая площадь скатов крыши;

h — высота системы от перекрытия до потолка;

d — длина боковых или диагональных стропильных ног;

e — длина промежуточных стропил;

a — расстояние между стропилами по длине здания;

? — угол наклона ската;

b — расстояние между стропилами с торцевой вальмовой стороны.

Формулы для расчетов устройства простой вальмовой крыши, выглядят следующим образом:

• Высота конька:

Формула высоты конька

• Длина промежуточных фронтальных стропил:

Определение длины стропил

• Длина торцевых, вальмовых стропил:

Длина вальмовых стропил

• Площадь скатов крыши:

Определение площади скатов крыши

Рассчитав основные параметры системы, можно, опираясь на них, приобретать материалы для постройки.

Материалы для возведения крыши

Для монтажа стропильной системы понадобится не только хорошо просушенная качественная древесина, но и металлические крепления, а также кровельные гвозди, саморезы и анкерные болты.

Металлические крепления для соединения конструктивных элементов системы

• Из металлических элементов нужно будет приобрести уголки и крепления различной конфигурации, которые помогут сделать конструкцию более надежной и крепкой.

Плавающее крепление для соединения стропил с мауэрлатом

Одним из них является скользящее крепление. Его устанавливают в нижней части стропил, закрепляя их таким образом к мауэрлату. Установив его, можно исключить риск деформации системы крыши при усадке несущих стен.

Плавающие крепления предотвратят деформацию системы крыши при усадке стен

Еще одним давно применяемым креплением являются скобы. Ими соединяют разные детали системы, например, стропила и балки перекрытия или мауэрлат, если крыша возводится, например, на здании, которое уже давно дало усадку.

В ряде случаев можно обойтись и обычными скобами

• Для изготовления деревянных элементов понадобится:

Особое внимание — качеству древесины для монтажа системы

— для укладки мауэрлата нужен будет брус, имеющий сечение 100?150 мм;

— стропила и конек изготавливают из бруса сечением 50?150 мм. Строители, занимающиеся возведением стропильных систем, рекомендуют производить монтаж всей системы из бруса или досок, имеющих одинаковое сечение — это дает гарантию прочности и надежности постройки;

— сверху системы стропил набивается обрешетка из досок, сечение которых должно составлять 25?150 мм.

Выбирая древесину для системы стропил, можно опираться на составленную специально для этого таблицу. В ней приведены допустимая длина стропил (в метрах) из хвойной древесины (лиственница, ель, кедр, сосна), в зависимости от ее качества, сечения бруса и средней величины снеговой нагрузки в данном регионе.

Сорт Сечение	Расстояние между стропилами в мм
	мм	300	400	600	300	400	600
Снеговая нагрузка	1,0 кРа	1,5 кРа
Высший	38?89	3.22	2.92	2.55	2.81	2.55	2.23
38?140	05.06	4.60	04.02	4.42	04.02	3.54
38?184	6.65	06.05	5.28	5.81	5.28	4.61
38?235	8.50	7.72	6.74	7.42	6.74