Скелет крыши: нагрузка, стропила, обрешетка
В сознании массового обывателя крыша — это что-то, покрытое красивой черепицей или простым шифером. Нечто, защищающее от тоскливых осенних дождей и зимнего снега. Кто-то думает, что главное в крыше - это качественный кровельный материал. И он глубоко неправ.
Под кровлей находится, если так можно выразиться, узел всей проблемы, вернее, ее скелет, - стропильная конструкция и обрешетка. Вот на чем стоит вся крыша. Именно стропильная конструкция держит кровлю и определяет срок службы крыши. От нее зависит благополучие хозяина дома. Поэтому при устройстве крыши на стадии возведения стропил необходим чуткий хозяйский присмотр.
Но чтобы грамотно этот присмотр осуществить, надо хотя бы поверхностно (но лучше — поглубже) разобраться в принципах "работы" стропильных конструкций.
Прежде всего, определимся, что такое стропильная конструкция и из каких частей она состоит.
Стропила - конструктивные элементы, передающие нагрузку от собственного веса крыши, а также от различных атмосферных воздействий на стены и внутренние опоры. Стропила могут быть деревянными, стальными, смешанными - выбор за конструктором. Объединяет их одно - они все испытывают определенные нагрузки и должны эти нагрузки выдерживать.
Какие бывают нагрузки
Прежде всего, нагрузки бывают атмосферными. Что касается дождя и сосулек, это скорее проблема кровли, а не несущих конструкций крыши. А вот зимний снег - это уже серьезная тяжесть. Поэтому в сильно заснеженных районах рекомендуется делать крышу с крутыми скатами, лучше больше 30 градусов, чтобы снег долго на ней не залеживался.
Ветер - тоже достаточно серьезный враг крыши. Потоки ветра, встречая на пути препятствие в виде здания, обходят его, в результате, вокруг постройки образуются области положительного и отрицательного давления. Отрывающая сила ветра может оказаться достаточной для повреждения кровли (образования вздутий, отрыва части покрытий и т.п.). Чтобы исключить риск повреждения крыши, ее основание делают как можно более герметичным. Часто делают дополнительное механическое крепление кровли к основанию.
Температурные колебания (а в нашей полосе это более чем актуально) тоже могут повредить крыше. Как известно, все материалы в той или иной степени подвержены термическому растяжению и сжатию. Поэтому во избежание деформаций и разрушения очень важно, чтобы материалы, "работающие" в единой конструкции, имели близкие коэффициенты температурного расширения.
Водяной пар, скапливающийся внутри здания, крайне отрицательно воздействует как на деревянные, так и на металлические элементы конструкции крыши. Этот вопрос частично решается с помощью специальной пароизоляционной пленки. Для того чтобы крыша год от года не теряла свою теплоизолирующую способность, необходимо чтобы вся влага, накапливающаяся в теплоизоляционном материале зимой, летом выходила наружу.
Существенный ущерб конструкции крыши, особенно деревянным элементам, способны нанести различные насекомые и микроорганизмы. Особенно благоприятной средой для их жизнедеятельности является повышенная влажность. Для защиты деревянных конструкций используют специальные пропитки, защищающие материал от микроорганизмов.
Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод: конструкция крыши должна сопротивляться механическим нагрузкам, как постоянным (статическим) - от элементов монтажа, так и временным - снеговым, от движения людей и т.д.
Тем более важно грамотно рассчитать и правильно сконструировать несущие элементы крыши - стропильные конструкции.
Какие бывают стропила
По устройству и принципу работы все стропильные конструкции делятся на два вида. Первый вид - наслонные стропила. Это примитивно, своего рода детство инженерной мысли. Наслонные стропила применяются в домах, где есть внутренние стены или опоры. Суть в том, что есть стропильные ноги, по-русски говоря, это наклонно положенные балки.
Нижним концом такая нога опирается на стену, а точнее на специально проложенный по ребру стены подстропильный брус - мауэрлат. Он создает для нижних концов стропил удобную опору. А верхний конец стропильный ноги крепится на коньковый прогон (это горизонтальный брус под самым коньком крыши). Так вот, вся тяжесть крыши ложится не на наслонные стропила, а на коньковый прогон, который давит вертикально вниз на систему стоек и подкосов, а они передают нагрузку на внутренние опоры здания - внутренние стены и столбы. (Стойки - это вертикальные брусья, а подкосы - диагональные). Если бы коньковый прогон в этой конструкции ни на что не опирался, то крыша бы просто разъехалась, как буква "А" без перекладины.
Наслонные стропила применяют в зданиях при наличии промежуточных опор и пролетов размером до 16 м. В домах значительной ширины, когда длина стропильной ноги достигает 8 метров, необходимо подстраховаться и устроить промежуточные опоры на внутренних стенах. Делается это таким образом: по внутренним стенам укладываются лежни, на них устанавливают стойки и подкосы, на которых крепится продольный прогон. Он дополнительно (в помощь коньковому) поддерживает стропила. А вообще, чем больше длина стропильной ноги, тем целесообразнее устройство другой конструкции, которая называется стропильная ферма.
Выполняются стропила из брусьев, досок или бревен. По желанию заказчика стропила могут быть выполнены из металлических профилей или конструкция делается смешанной - метало-деревянной. Шаг стропил (расстояние между стропильными ногами) зависит от качества материала, типа кровли и сечения элементов обрешетки, от климатических условий. Обыкновенно он колеблется от 30 см до 1 метра.
Еще один вариант примитивной стропильной конструкции — висячие стропила. Они устанавливаются обычно на домах, не имеющих внутренних опор. Пролет не должен превышать 6 метров, только тогда будет обеспечена жесткость конструкции. Как и в случае с наслонными стропилами, нижний конец стропильной ноги опирается на стену через мауэрлат, а вот верхние концы просто скрепляются в коньке между собой простым прорезным шипом или вполдерева. Конечно, если стропильные ноги выполнены из бруса или бревна. Дополнительно верхние концы ног соединяют скобами. Чтобы стропила не прогибались, их скрепляют поперечной стяжкой - ригелем.
Стропильные фермы
Стропильная ферма - это уже более сложная конструкция, она применяется в домах, не имеющих внутренних опор, с большими пролетами и со свободной планировкой. Самая распространенная форма для стропильной фермы - это решетчатый треугольник, выполненный из дерева, железобетона или стали. Внутренние углы этого треугольника зависят от угла скатов.
Такие треугольники устанавливаются друг за другом через определенные промежутки (1-2 метра) и в совокупности образуют крышу. Треугольник - самая жесткая и экономичная конструкция для крыши, которую только можно себе представить. Стропильная ферма настолько "самодостаточна", настолько жестко скреплена, что ребра треугольника просто не способны прогнуться, они передают нагрузку исключительно на внешние стены дома.
Две стропильные ноги образуют верхний пояс фермы. Затяжка между ними - нижний пояс. Между этими поясами может располагаться решетчатая система стоек и подкосов, которая жестко скрепляет пояса и придает целостность конструкции. Чем больше пролет здания, тем сложнее эта система. Все это обеспечивает жесткость стропильной фермы и отметает необходимость создания внутренних опор. Иногда, чтобы обеспечить большую устойчивость ферм, их дополнительно скрепляют между собой горизонтальными связями.
В последние годы все большее распространение получают фермы трапецеидальной и полигональной формы, своим устройством напоминающие фермы для мостов. В первом случае крыша сооружается с минимальным уклоном, во втором она проектируется с двумя переломами и горизонтальной средней частью. Такая крыша выглядит практически плоской, являясь, однако же, скатной. Появлению трапецеидальной и полигональной ферм немало посодействовали новейшие рулонные кровельные материалы, которые не требуют таких больших уклонов, как традиционная черепица. Эти фермы достаточно экономичны, потому что элементы внутренней решетки (стойки и подкосы) коротки и не требуют больших затрат строительного материала.
Однако же, при устройстве такого рода крыш необходимо учитывать, что Вы лишаетесь чердака, хотя и экономите на материалах. Именно поэтому трапецеидальные и полигональные фермы используются, в основном, в производственных зданиях, а не в частных коттеджах.
Обрешетка
Обрешетка, по сути дела, это брусья, перпендикулярно уложенные на стропильные ноги. Брусья прибивают к стропилам гвоздями, длина которых равна толщине двух брусьев. Обрешетка нужна для того, чтобы равномерно передавать тяжесть кровельного покрытия и всех остальных нагрузок, поэтому без обрешетки крыша работает "в полсилы". Обрешетка может быть сплошной - когда зазор между брусьями не превышает 1 см - и разреженной - когда этот зазор составляет 3-4 см.
Сплошная обрешетка устраивается обыкновенно под металлочерепицу, мягкую черепицу, плоский асбестоцементный и безасбестовый шифер. Сплошная обрешетка всегда (!) устраивается в местах пересечения скатов (на коньке, ребрах, ендовах) и на карнизных свесах.
Разреженная обрешетка прекрасно подходит для стальной кровли, кровли из цементно-песчаной черепицы и для традиционной кровли из глиняной черепицы.
Чердаки и мансардные этажи
Под скатной крышей чердак неизбежен - хочет этого хозяин или нет. Треугольная система стропил обязательно обеспечит дом чердаком. И это очень удобно - ведь в чердачном пространстве можно разместить коммуникации, сделать склад ненужных вещей или вообще оборудовать еще одно жилое помещение.
В зависимости от условий эксплуатации чердачную крышу делают либо холодной, либо утепленной. В первом случае крыша защищает здание только от атмосферных осадков; теплозащита помещений верхнего этажа обеспечивается чердачным перекрытием. Но если Вы хотите обустроить мансардный этаж или на чердаке необходимо установить определенную температуру, между обрешеткой и кровлей прокладывается слой утеплителя. Такой чердак называется утепленным.
Для устройства в чердачном помещении еще одной жилой комнаты лучше всего заранее продумать мансардный этаж. Главной особенностью мансардных стропильных ферм является наличие полноценного межэтажного перекрытия вместо затяжки. Это вполне объяснимо - пол мансарды выдерживает те же нагрузки, что и полы верхних этажей.
Мансардная крыша является разновидностью двускатных крыш. Для лучшего использования пространства чердака ее часто делают с изломом в поперечном сечении. Излом крыши отделяет верхнюю, более пологую, часть скатов и стропил от более крутой нижней. В месте излома ставят прогоны.
"Мелочи жизни" - карнизные свесы, слуховые окна
Это только кажется, что карнизные свесы и слуховые окна - детали второстепенные. На самом деле они несут важную функциональную нагрузку. Карниз - самое эффективное средство для защиты внешних стен и фундамента от атмосферных осадков. Что может быть проще? Карниз просто отводит эти осадки подальше от стен. Минимальный вынос стропил за внешние стены - 50 см, максимальный - 2 метра. Все зависит от снеговых нагрузок, конструктивных и визуальных особенностей крыши.
Если стропильные ноги не выходят за пределы стен, то их удлиняют на величину карнизного свеса, прибивая к концам стропил "кобылки"- вырезанные по шаблону отрезки досок. Карнизы необходимо подгонять к стене как можно плотнее, это исключит продувание чердака и попадание на него снега.
Слуховые окна служат для вентиляции и освещения чердачного пространства. Но, помимо этого, они несут важную функцию украшения крыши. Существует несколько основных форм слуховых окон.
Четырехугольное слуховое окно принадлежит к самым традиционным элементам, вертикальные боковые стенки которого, как правило, покрываются малоформатными кровельными материалами.