Что такое распорная и безраспорная крыши
Виды наслонных стропильных систем. Или как с легкостью построить основу крепкой крыши
Рано или поздно перед вами станет вопрос, какую стропильную ферму строить для вашего деревянного дома из сруба. В этой статье вы познакомитесь с некоторыми разновидностями и решите, подойдут они под ваши требования или нет.
Наслонные стропила своими концами распирают стены здания, а средней частью опираются на опоры. В рубленых домах стропильные ноги опираются на верхние венцы. Такие крыши устанавливают на домах с внутренней несущей стеной или столбчатыми промежуточными опорами. Наслонные стропила устраивают в том случае, если расстояние пролетов не превышает 6 м. Наличие опоры в виде внутренней стены позволяет увеличить ширину пролета, перекрываемую наслонными стропилами до 10 м, а двух внутренних опор — до 14 м. Рассмотрим три схемы устройства наслонных стропильных систем:
Стропила без подкосов. Безраспорные и распорные наслонные стропила
Односкатные крыши с пролетом до 5 м и двухскатные крыши с пролетом около 9 м можно устраивать таким образом, что стропила опираются на две опоры без других дополнительных упоров (рис.). Стропильные ноги всей конструкции могут при различном подходе передавать распор на стену или не передавать распор. Рассмотрим ниже виды наслонных стропил.
Безраспорные наслонные стропила
Безраспорные наслонные стропила представляют собой конструкцию, при устройстве которой стропильная нога работает на изгиб и не передает горизонтально-распирающего давления на стены. Существует всего три варианта установки наслонных стропил, которые решают вопрос происхождения опасных нагрузок на стены здания:
Каждый вариант установки наслонных стропил предполагает правильно подобрать крепежи, которые будут препятствовать или позволять движению стропила в опоре. Три варианты установки несут в себе одно правило, при котором один конец стропильного бруса устанавливается по типу ползуна, а второй конец на шарнире, который допускает только поворот.
Расчет прочности наслонных стропил производится стандартной расчетной схемой, которая предполагает равномерную нагрузку на все плоскости крыши. Поскольку равномерного давления на скаты крыши не бывает практически никогда, поэтому, для удачного применения трех вышеуказанных вариантов, остается лишь условие жестко закрепить коньковый прогон от горизонтального смещения. Это произвести можно путем ввода концов балки во фронтальные стены или подпереть накосными стропилами.
Первый рассмотренный вариант хорошо сохраняет неравномерную нагрузку на скаты крыши, при абсолютной вертикальной установке стоек, что удерживают коньковый прогон от сдвига в сторону. В третьем и втором варианте крыша может пытаться съехать в сторону большей нагрузки. Эти условия следует учесть при возведении щипцовой крыши, и где прогоны не опираются концами на стены фронтонов, а только на стойки (рис.).
Во избежание потери устойчивости стропильной системы вводят дополнительный элемент – схватку (рис.). Устанавливают схватку на высоте около 2 м от перекрытия, но чем ниже она установлена, тем практичнее служит. Данный элемент обладает несколькими функциями. Например, в безраспорных стропильных системах, если нет никакой нагрузки на скаты крыши, то она не выполняет никакой функции. При появлении на скаты крыши небольшой равномерной нагрузки, то схватка работает на сжатие. Работу на растяжение ей может дать только аварийное положение, например, просадка фундамента здания или прогиб коньковой балки. Желательно, все пересечения схватки со стойками, которые поддерживают коньковую балку, скрепить методом гвоздевого боя.
Наиболее устойчивой конструкцией при всех сочетаниях нагрузок можно сделать во втором и третьем вариантах, если нижние узлы ползунов заменить другие конструктивные типы ползунов с выносом концов стропил за стены (рис.). Можно рассмотреть другой вариант для повышения устойчивости системы – если жестко закрепить низы стропил поддерживающих коньковый прогон, превратить нижний узел крепления в узел с жестким защемлением (рис.).
При возведении стропильной системы, схватку принимают таким же размером, как и стропила, но можно использовать схватку и с меньшим сечением. 
Сечение схваток принимают конструктивно, поскольку в них развивается небольшое напряжение. Схватки устанавливают с обеих сторон или с одной стропильной ноги и крепят болтами или гвоздями (рис.). Если схватка крепится гвоздевым боем, то ослабления в древесине стропильной ноги не происходит, но следует произвести расчет по количеству забиваемых гвоздей. Другими словами, в расчеты соединения схватки со стропилом гвоздями вводят распор (Н). В случае прикручивания схватки к стропилу болтом, то несущая способность древесины уменьшается с помощью коэффициента 0,8, по причине проделанных в балке отверстий под болты.
Устраиваются еще и добавочные опоры, например, подкосы, ригели или прогоны, для обеспечения противоаварийной устойчивости. Однако, безраспорная стропильная система достаточно устойчива, если у конькового прогона не появляется возможность смещаться по горизонтали, чего можно избежать, жестко его закрепив.
Распорные наслонные стропила
Распорные наслонные стропила – такое устройство системы, при котором, давления, что действуют на стропила, передаются на стены здания. Вот если взять все три вышерассмотренных способа устройства безраспорных наслонных стропил, и в каждом из трех случаев крепеж стропильных ног сменить на жесткое крепление, т.е. крепления по типу ползуна обратить в неподвижные соединения стропильных ног с мауэрлатом или брусьями. В данном случае вся система получает напряжение, которое будет проявляться в распирающем давлении на стены дома.
Закрепить стропила, например, в первом варианте схемы можно, таким образом: верхние концы стропильных ног, которые опираются на коньковый пролет, сшить гвоздевым боем или болтами и получим шарнирную опору. Основательно расчетные схемы стропильных систем не меняются (рис.). Внутренние напряжения системы изгиба и сжатия прежние, но появляется распор в нижних опорах стропил равный H = (qL/2)?ctg µ. Распор в верхних узлах стропил гасится направленным противоположно распором от конца других стропильных ног. Можно проверить на смятие древесины концы стропильных ног, которые уперты друг в друга или через коньковую балку, но практически этой проверки не требуется.
По своей конструктивности распорные наслонные стропила являются переходной схемой от безраспорных наслонных стропил к висячим стропилам. Но в схеме висячих стропил в коньковом прогоне уже нет большой необходимости. В результате усадки фундамента или под воздействием собственного веса прогон прогибается и выходит из общей работы. Давящие силы распределяются по стропилам и превращаются в висячие стропила. 
Схватка в распорных системах стропил срабатывает на сжатие, снижая распор на стены стропильных ног (рис.), но не препятствует снятию распора полностью. Снимает полностью распор схватка, если она приспособлена в самом низу между стропильных ног, но это уже является затяжка и применяется другая конструктивная схема.
Распор – это горизонтальная составляющая вертикальной нагрузки. В стропильной ноге возникает сжимающее напряжение S. Это не распор от прогиба стропильной балки, потому что в расчетах стропила считают стержневой составляющей, которая не имеет высоты, и распор от прогиба не учитывают. На распор от прогиба обращают внимание только при строительстве домов из газобетонов, блоки которого не держат изгиб и разрушаются. Снизить силу распора можно путем жесткого закрепления конькового прогона. Увеличить жесткость прогона можно за счет установки консольных балок, стоек или подкосов. Распорная стропильная система требует основательного жесткого крепления мауэрлата на стене здания, а стены должны быть достаточно массивными или содержать в себе железобетонный пояс, охватывающий весь периметр.
Два сочетания нагрузок принимается при расчете стропильной системы с применяемой в ней схваткой, что работает на сжатие. Стропила подбираются сечением по наибольшему прогибу и изгибающему моменту, не учитывая работы схватки.
Стропила с подкосами
Подстропильная нога, а иначе называют, подкос является третьей опорой стропильной ноги (рис.). Это подкос превращает однопролетную балку в двухпролетную неразрезную. Устанавливают подстропильную ногу по отношению к горизонту под углом 45°, что позволяет применять балки стропил с меньшим сечением, не уменьшая на стропильную ногу нагрузки, а пролеты перекрывать с большей длиной до 14 м.
Для расчета сечения двухпролетной неразрезной балки принимают максимальный изгибающий момент, находящийся над средней опорой (рис.).
Прогиб стропильной ноги считают по стандартной формуле прогиба однопролетной балки для максимального пролета, а в нашем случае для нижнего пролета – от узла слияния с мауэрлатом до узла сочленения с подкосом. Это объясняется тем, что балка подпирается наклонным подкосом и, прогибаясь, стропильная нога может сместить узел соединения с подкосом.
Крепеж подкоса не требует никаких расчетов, подкос подставляют под стропило и прибивают по двум бокам и снизу, фиксируя, таким образом, от смещения. Единственный обязательный момент заключается в том, чтобы подкос был срезан точно под углом наклона стропильной ноги, что не дало бы зазора для стропила при движении под нагрузкой, т.е. не дало бы ноге прогибаться. Расчетом на сжатие определяют сечение стропильной ноги, но чаще подбирают сечение конструктивно.
На верхней части рисунка изображена распорная стропильная система, которая не нуждается в схватке, потому что она не снимает распор, в системе определены элементы, что работают на сжатие – подкосы. Изображение в нижней части рисунка показывает безраспорную стропильную систему с затяжкой. Затяжка в данной системе незаменимый элемент, который принимает участие в работе целой системы. В этом случае схватку нужно приспособить немного ниже креплений подкосов, а то есть риск, что ползун при варьировании нагрузок может поползти по мауэрлату.
Стропила на подстропильных балках
Рассмотрим схему устройства крыши при наличии в сооружении двух несущих стен, не зависимо от расположения – продольного или поперечного. В таких случаях используют две подстропильные конструкции, которые состоят из балок, что уложены вдоль крыши. Балки опираются через брусья стоек на лежень и на внутренние стены (рис.). Можно обходиться и без устройства прогонов (второй рисунок в этой разделе), но в таком решении под каждую стропильную ногу подводят стойки.
Верхи стропильных ног стыкуем одну в другую и вяжем парой стальных или деревянных накладок, получаем таким образом коньковый узел. В данной схеме не применяем коньковый прогон, что дает в стропильной системе распор. 
Затяжка, которая устанавливается ниже сквозных прогонов, в безраспорной системе нейтрализует распор и работает растяжение. Стабильную устойчивость системы обеспечивают схватки, что идут по низу стоек. Расшивки тоже обеспечивают устойчивость стропильной системы, они предотвращают конструкцию от складывания, а крепятся накрест.
В распорной системе схватка будет приниматься уже как ригель и принимать работу на сжатие, правильно будет установить этот элемент по верху сквозных прогонов. Эта же схватка будет держать сквозные прогоны и стойки от опрокидывания.
Расчет наслонных стропил на прогиб принимается согласно формуле, которая учитывает влияние изгибающего момента на промежуточной опоре. Стойки или сквозные прогоны под стропильными ногами дают возможность возводить мансардные крыши, но стоит учитывать, что необходим расчет на дополнительную нагрузку для жесткого перекрытия. Для решения свободного полезного пространства в мансардных помещениях можно в безраспорных конструкциях расшивки установить с наружной стороны стоек и приладить их к нижним концам стропильных ног.
У многих мог возникнуть вопрос, почему многие рисунки про кирпичные дома. На самом деле — это не ошибка, просто чаще всего такие системы используют при строительстве кирпичных домов, но и для строительства сруба они подойдут и будут служить долгие годы.
Виды стропильной системы двухскатной крыши: для маленьких и больших домов
В основе каждой крыши лежит большое количество балок, стропил, стоек и прогонов, которые все вместе называются стропильной системой. За многовековую историю видов и способов ее организации накопилось немало, и каждая имеет свои особенности в построении узлов и врубок. Подробнее о том, какой может быть стропильная система двухскатной крыши и как при этом должны крепиться стропила и другие элементы системы поговорим подробнее.
Конструкция стропильной системы двускатной крыши
В разрезе двухскатная крыша представляет из себя треугольник. Состоит она из двух прямоугольных наклонных плоскостей. Две эти плоскости соединяются в высшей точке в единую систему коньковым брусом (прогоном).
Схема двускатной крыши
Теперь о составляющих системы и их назначении:
В системе могут еще присутствовать кобылки. Это доски, которые удлиняют стропильные ноги для образования свеса. Дело в том, что для защиты стен и фундамента дома от осадков желательно чтобы кровля заканчивалась как можно дальше от стен. Для этого можно взять длинные стропильные ноги. Но стандартной длины пиломатериалов в 6 метров для этого часто не хватает. Заказывать нестандарт — очень дорого. Поэтому стропила просто доращивают, а доски, которыми это делают называются «кобылки».
Конструкций стропильных систем довольно много. В первую очередь их разделяют на две группы — с наслонными и висячими стропилами.
Разница в конструкции наслонных и висячих стропил
С висячими стропилами
Это системы, у которых стропильные ноги опираются только на наружные стены без промежуточных опор (несущих стен). Для двускатных крыш максимальный пролет составляет 9 метров. При установки вертикальной опоры и системы подкосов увеличить его можно до 14 метров.
Висячий тип стропильной системы двускатной крыши хорош тем, что в большинстве случаев нет необходимости ставить мауэрлат, а это делает установку стропильных ног проще: не нужно делать врубки, достаточно скосить доски. Для связи стен и стропил используется подкладка — широкая доска, которую крепят на шпильки, гвозди, болты, ригеля. При таком строении большая часть распирающих нагрузок компенсирована, воздействие на стены направлено вертикально вниз.
Виды стропильных систем с висячими стропилами для разных пролетов между несущими стенами
Стропильная система двухскатной крыши для небольших домов
Существует дешевый вариант стропильной системы, когда она представляет собой треугольник (фото ниже). Такое строение возможно, если расстояние между наружными стенами не более 6 метров. Для такой стропильной системы можно расчет по углу наклона не делать: конек должен быть поднят над затяжкой на высоту не менее 1/6 длины пролета.
Но при таком построении стропила испытывают значительные изгибающие нагрузки. Для их компенсации или берут стропила большего сечения или врубку коньковой части делают так, чтобы их частично нейтрализовать. Для придания большей жесткости в верхней части с обоих сторон прибивают деревянные или металлические накладки, которые надежно скрепляют вершину треугольника (тоже смотрите не картинке).
На фото также показано, как дорастить стропильные ноги для создания свеса кровли. Делается врубка, которая должна выходить за пределы линии, проведенной от внутренней стены вверх. Это необходимо, чтобы сместить место надреза и уменьшить вероятность надлома стропила.
Коньковый узел и крепление стропильных ног к подкладной доске при простом варианте системы
Для мансардных крыш
Вариант с установкой ригеля — используется при организации под крышей жилого помещения — мансарды. В этом случае он является основой для подшивки потолка расположенного ниже помещения. Для надежной работы системы такого типа, врубка ригеля должна быть безшарнирной (жесткой). Лучший вариант — полусковороднем (смотрите на рисунке ниже). В противном случае крыша станет неустойчивой к нагрузкам.
Стропильная система двухскатной крыши с приподнятой затяжкой и узел врубки ригеля
Обратите внимание на то, что в этой схеме присутствует мауэрлат, а стропильные ноги для повышения устойчивости конструкции должны выходить за пределы стен. Для их закрепления и стыковки с мауэрлатом делается врубка в виде треугольника. В этом случае при неравномерной нагрузке на скаты, крыша будет более стабильна.
При такой схеме почти вся нагрузка ложится на стропила, потому их необходимо брать большего сечения. Иногда приподнятую затяжку укрепляют подвеской. Это необходимо для предотвращения ее прогиба, если она служит опорой для материалов обшивки потолка. Если затяжка небольшой длины, ее можно подстраховать по центру с двух сторон досками, прибитыми на гвозди. При значительной нагрузке и длине таких страховок может быть несколько. В этом случае тоже достаточно досок и гвоздей.
Для больших домов
При значительном расстоянии между двумя наружными стенами устанавливается бабка и подкосы. Такая конструкция обладает высокой жесткостью, так как нагрузки компенсированы.
Стропильная система двухскатной крыши для большого пролета и узлы врубки конька и стропил
При таком длинной пролете (до 14 метров) сделать затяжку цельной сложно и дорого, потому ее делают из двух балок. Соединяется она прямым или косым прирубом (рисунок ниже).
Прямой и косой прируб для соединения затяжки
Для надежной стыковки место соединения усиливается стальной пластиной, посаженной на болты. Ее размеры должны быть больше размеров врубки — крайние болты вкручиваются в цельную древесину на расстоянии не менее 5 см от края врубки.
Для того чтобы схема работала нормально, необходимо правильно сделать подкосы. Они передают и распределяют часть нагрузки от стропильных ног на затяжку и обеспечивают жесткость конструкции. Для усиления соединений используются металлические накладки
Крепление подкосов для стропильной системы висячими стропилами
При сборке двухскатной крыши с висячими стропилами сечение пиломатериалов всегда больше, чем в системах с наслонными стропилами: точек передачи нагрузки меньше, следовательно на каждый элемент приходится большая нагрузка.
С наслонными стропилами
В двускатных крышах с наслонными стропилами, концами они опираются на стены, а средней частью опираются на несущие стены или колонны. Некоторые схемы распирают стены, некоторые нет. В любом случае наличие мауэрлата обязательно.
Простейший вариант наслонных стропил
Безраспорные схемы и узлы врубок
Дома, сложенные из бревен или бруса плохо реагируют на распорные нагрузки. Для них они критичны: стена может развалиться. Для деревянных домов стропильная система двухскатной крыши должна быть безраспорной. О видах таких систем поговорим подробнее.
Простейшая безраспорная схема стропильной системы приведена на фото ниже. В ней стропильная нога упирается в мауэрлат. В таком варианте она работает на изгиб, не распирая стену.
Простая безраспорная система двускатной крыши с наслонными стропилами
Обратите внимание на варианты крепления стропильных ног к мауэрлату. В первом, площадку опирания обычно скашивают, ее длина при этом — не более сечения балки. Глубина врубки — не более 0,25 ее высоты.
Верх стропильных ног укладывается на коньковый брус, не скрепляя его с противоположным стропилом. Получаются по строению две односкатные крыши, которые в верхней части примыкают (но не соединяются) одна с другой.
Такую схему без наличия опыта делать не рекомендуется: при малейшей неточности выполнения появляются распорные силы и конструкция становится нестабильной.
Намного проще в сборке вариант со скрепленными в коньковой части стропильными ногами. Они практически никогда не дают распора на стены.
Вариант крепления стропил без распора на стены
Для работы этой схемы стропильные ноги внизу крепятся при помощи подвижного соединения. Для закрепления стропильной ноги к мауэрлату сверху забивается один гвоздь или снизу ставится гибкая стальная пластина. Варианты крепления стропильных ног к коньковому прогону смотрите на фото.
Если кровельный материал планируется использовать тяжелый, необходимо увеличить несущую способность. Достигается это увеличением сечения элементов стропильной системы и усилением конькового узла. Он приведен на фото ниже.
Усиление конькового узла под тяжелый кровельный материал или при значительных снеговых нагрузках
Все приведенные выше схемы двускатных крыш стабильны при наличии равномерных нагрузок. Но на практике такого практически не бывает. Предотвратить сползание крыши в сторону большей нагрузки можно двумя способами: установкой на высоте около 2 метров схватки или подкосами.
Варианты стропильных систем со схватками
Установка схваток повышает надежность конструкции. Чтобы она нормально работала, в местах ее пересечения со стоками крепить нужно к ним гвоздями. Сечение бруса для схватки используют такое же, как и для стропил.
Схемы стропильных систем двускатных крыш со схватками
К стропильным ногам крепятся ботами или гвоздями. Могут устанавливаться с одной или двух сторон. Узел крепления схватки к стропилам и коньковому прогону смотрите на рисунке ниже.
Крепление схватки к стропильным ногам и коньковому брусу
Чтобы система была жесткой и не «поползла» даже при аварийных нагрузках достаточно в таком варианте обеспечить жесткое крепление конькового бруса. При отсутствии возможности его смещения в горизонтали, крыша выдержит даже значительные нагрузки.
Системы наслонных стропил с подкосами
В этих вариантах для большей жесткости добавлены подстропильные ноги, которые еще называют подкосами. Они устанавливаются под углом 45° по отношению к горизонту. Их установка позволяет увеличить длину пролета (до 14 метров) или уменьшить сечение балок (стропил).
Подкос просто подставляется под требуемым углом к балкам и прибивается гвоздями с боков и снизу. Важное требование: подкос должен быть срезан точно и плотно прилегать к стойкам и стропильной ноге, исключая возможность ее прогиба.
Системы с подстропильными ногами. Сверху распорная система, снизу — безраспорная. Узлы правильной рубки для каждой расположены рядом. Внизу — возможные схемы крепления подкоса
Но не во всех домах средняя несущая стена расположена посередине. В этом случае есть возможность установить подкосы с углом ннаклона относительно горизонта 45-53°.
Система стропил со смещенным относительно центра вертикальным прогоном
Системы с подкосами необходимы если возможна значительная неравномерная усадка фундамента или стен. Стены садиться по-разному могут на деревянных домах, а фундаменты — на слоистых или пучнистых грунтах. Во всех этих случаях рассматривайте устройство стропильных систем такого типа.
Система для домов с двумя внутренними несущими стенами
Системы с подстропильными балками
В данных системах коньковый прогон не ставят: он дает распорные силы. Стропила в верхней части соединяются одна с другой (подрезаются и стыкуются без зазоров), места соединения усиливаются стальными или деревянными накладками, которые прибиваются гвоздями.
В верхней безраспорной системе распирающую силу нейтрализует затяжка. Обратите внимание, что затяжка ставится под прогоном. Тогда она работает эффективно (верхняя схема на рисунке). Устойчивость может обеспечиваться стойками, или расшивками — балками, установленными наискосок. В распорной системе (на картинке она внизу) поперечине — это ригель. Он устанавливается над прогоном.
Есть вариант системы со стойками, но без подстропильных балок. Тогда к каждой стропильной ноге прибивается стойка, которая вторым концом опирается на промежуточную несущую стену.
Крепление стойки и затяжки в стропильной системе без подстропильного прогона
Для крепления стоек используются гвозди дляной 150 мм и болты 12 мм. Размеры и расстояния на рисунке указаны в миллиметрах.