Расчет стропильной системы: полевой справочник

Нагрузки делятся на постоянные (вес стропильной системы, обрешетки, кровельного пирога, инженерного оборудования) и временные (снег, ветер, обслуживающий персонал). Снеговая нагрузка берется по карте зонирования СП 20.13330 для района строительства с учетом коэффициента формы ската. Ветровая нагрузка зависит от высоты здания, категории местности и аэродинамического коэффициента формы крыши.

Постоянная нагрузка складывается из удельных весов каждого слоя. Для металлочерепицы на обрешетке 50×50 с шагом 350 мм и пароизоляцией масса составляет 15–25 кг/м², для керамической черепицы — 40–60 кг/м². Массу стропильной системы принимают предварительно 10–15 кг/м² проекции, уточняют после выбора сечения. Не допускается округление в меньшую сторону — запас 10% на неучтенные элементы обязателен.

Специальные нагрузки: сейсмические (по СП 14.13330), от крана при монтаже, от конденсата и обледенения в холодных чердаках. Если крыша эксплуатируется (солнечные панели, кондиционеры, пешеходные переходы) — добавляется эксплуатационная нагрузка не менее 150 кг/м² в зоне доступа.

Схема определяется пролетом, наличием внутренних несущих стен, высотой конька и архитектурными требованиями. Основные схемы: настоющая (простая, не требует средней стены), настоющая с подкосами (для пролетов свыше 6 м), висячая (нет опоры посередине), висячая с подвесом и рубкой (пролеты до 12–14 м), с выносом за пределы стены (маркиза, навес).

Для мансардных крыш применяют схемы с пролетом балок перекрытия: двухскатная с настоями на средней стене, ломаная для увеличения объема мансарды. Каждая схема имеет свои узлы растяжения: пуф, перетяжка, подвес. Отсутствие или неверный расчет растяжения — частая причина разворота ног стропилы и проделки Mauerlat.

При выборе схемы учитывают длину доступной древесины. Стандартная длина бруса 6 м, реже 4,5 м. Если длина ноги стропилы пределяет длину бруса — предусматривают удлинение (нахлест, накладки, металлические пластины) или меняют схему на более высокую с меньшей длиной ног.

Расчет ведется по предельному состоянию первой группы (несущая способность) и второй группы (прогибы). Для древесины проверяют напряжения на сжатие вдоль и поперек волокон, на изгиб, сдвиг. Для металла — нормальные и касательные напряжения, устойчивость сжатых элементов. Прогиб ограничивают L/200 для стропильных ног и L/250 для перетяжек пуфов (L — расчетная длина пролета).

Шаг установки ног стропилы подбирают из условий: переносимость обрешетки под выбранную кровлю, стандартные размеры листовых материалов (ОСП, фанера, профлист), экономичность сечения. Типовые шаги: 600, 800, 1000, 1200 мм. При шаге 1200 мм сечение ноги стропилы увеличивается на 30–50% по сравнению с шагом 600 мм. Экономия на древесине стропилы часто перекрывается удорожанием обрешетки и кровельного материала.

Расчетный пролет ноги стропилы — расстояние между осями опор (Mauerlat и коньковая балка или перетяжка). Для настоющих схем с подкосами пролет разбивают на участки. Эффективная длина для проверки устойчивости на изгиб изгибаемого сжатого стержня принимают с коэффициентом μ в зависимости от условий закрепления концов (обычно 1,0 для шарнирного закрепления).

Узел Mauerlat — нога стропилы воспринимает поперечную силу (сдвиг) и вырывающий момент от ветра. Основные способы: нарез в ноге стропилы с закреплением гвоздем/самрезами/болтом, металлические уголки с гвоздями/болтами, скобы и хомуты. Нарез не должен ослаблять сечение более 1/3 высоты бруса. При ветровых нагрузках II–III зоны обязательно применение металлических крепежей расчетной устойчивости.

Коньковый узел: стык ног стропилы накладкой с болтами/гвоздями, нарез «в лапу» с болтом, металлические пластины МЗП. Передача осевых усилий через коньковую балку (при наличии) или напрямую через стык. При висячих фермах пуф работает на растяжение — стык пуфа с ногой стропилы рассчитывают на сдвиг и вырыв крепежа.

Крепление обрешетки к ногам стропилы: гвозди 70–90 мм, саморезы 50–60 мм, кронштейны. Шаг креплений по длине обрешетки — не менее двух в каждом пересечении. Для тяжелых кровель (керамика, бетонная черепица) применяют усиленную обрешетку 50×50 или 60×40 с шагом не более 300 мм и двойное крепление.

Продольная устойчивость стропильной системы обеспечивается стропильными связями (диагоналями в плоскости скатов), вентовыми связями (по коньку и у основания) и жесткостью обрешетки. Диагональные связи монтируют в каждом 3–4-м поле стропильной фермы под углом 45°. Отсутствие продольных связей приводит к потере устойчивости всей системы как несущего каркаса.

Поперечная жесткость ферм проверяют на вынос ветром. Критичны концевые фермы и фермы у парапетов, где возникают аэrodynamicческие сосредоточения. Усиление: дополнительные распорки, увеличение сечения коньковой балки, жесткие связи с перегородками.

Для металлических стропильных систем (ЛССТ, двутавры, трубы) обязательна проверка устойчивости сжатых элементов (ног стропилы, стоек) на изгиб и кручение. Эффективная длина определяется по схеме статической модели с учетом жесткости узлов. Не допускается принятие μ = 1,0 для всех элементов без обоснования.

Полевой расчет применим для индивидуального жилого строительства невысотных зданий (до 3 этажей), простых геометрических форм, стандартных кровлевых материалов. Не подходит для: зданий высотой более 10 м (требуется ветровая нагрузка по полной аэродинамике), сложных многоскатных крыш с валмами, ендовами, слуховыми окнами, зданий в сейсмических районах 7 баллов и выше, объектов общественных зданий с ответственностью КС2–КС3.

При замене кровельного материала на более тяжелый (металлочерепица → керамика) полевой расчет стропильной системы обязателен. Усиление только обрешетки не решает проблему — растут усилия в ногах стропилы, Mauerlat, фундаменте. Требуется полная перепроверка по новой нагрузке.

Для восстановления аварийных крыш, исторических зданий, конструкций с повреждениями (гниль, насекомые, пожар) полевой расчет не применяется. Необходим технический обследование, определение остаточной несущей способности, проект укрепления/восстановления.

Результат расчета — ведомость стропильной системы с колонками: марка фермы, схема, длина ног, сечение ног/пуфа/подвесов/стойки/подкосов, марка древесины/профиля, расчетные нагрузки, устойчивость по ПГ1/ПГ2, узлы крепления (тип крепежа, количество, диаметр), объем древесины/металла на ферму и всего. Ведомость подписывает расчетчик и прораб.

Спецификация крепежа: гвозди/саморезы/болты по ГОСТ с указанием покрытия (оцинковка не менее 20 мкм для наружных работ). Металлические пластины МЗП — только сертифицированные, с паспортной устойчивостью. Болты высокой прочности (Кл. 8.8, 10.9) — с гайками и шайбами увеличенной формы. Запрещено заменять расчетный крепеж на «похожий» без перерасчета узла.

Чертежи узлов: схема фермы с размерами, детализация нарезов, схема крепления к Mauerlat и коньку, схема диагональных связей. Чертежи исполняются в масштабе 1:50 (общая схема) и 1:10–1:20 (узлы). На чертежах указываются допуски монтажа: ±5 мм по осям, ±3 мм по вертикали, зазоры в нарезах не более 2 мм.

Перед началом монтажа стропильной системы проверяют: готовность Mauerlat (уровень, привязка к осям, анкеринг в стену), наличие всех элементов по ведомости, соответствие сечений и марок, комплектность крепежа, наличие инструмента для контроля (уровень, нивелир, рулетка, квадрат, динамометрический ключ для болтов).

Контрольная сборка одной фермы на земле: проверка геометрии, зазоров в нарезах, удобства монтажа узлов. Выявленные недочеты устраняют до подъема на крышу. Первая ферма монтируется на концевом свесе — она задает геометрию всей крыши. Ее положение фиксируют временными стропами и проверяют по двум диагоналям и уровню конька.

После монтажа 3–4 ферм выполняют промежуточный замер: осевые расстояния, вертикальность ног, высота конька, отсутствие кручения ферм. Отклонения устраняют до укладки обрешетки. Обрешетка монтируется только после принятия стропильной системы скрытыми работами.