Как рассчитать стропила: рассчитываем правильно

Погодные условия нашей страны непостоянны, поэтому система стропил строящегося дома должна обладать достаточно высокими надежностью и прочностью. В данной статье рассказано о том, как рассчитать стропила и стропильную систему, различные нагрузки на них и приведен пример такого расчета.

Независимо от выбранной формы будущей крыши ее система стропил должна быть достаточно прочной, для чего необходимо прежде всего грамотно и правильно рассчитать систему стропильную.

Первоочередной задачей проектировщика и архитектора является не проектирование внешнего вида здания, а качественно выполнить расчет прочности планируемого дома, в том числе и его системы стропил.

Расчет системы стропил включает в себя целый ряд различных параметров, к которым относятся:

• вес кровельных материалов, используемых для покрытия кровли, например – мягкая кровля, ондулин, натуральная черепица и т.д.;
• вес используемых при внутренней отделке материалов;
• вес самой конструкции системы стропил;
• расчет балок и стропил;
• внешние погодные воздействия на кровлю и другие.

В процессе выполнения расчета стропильной системы следует обязательно рассчитать следующие позиции:

1. Расчет сечения стропил;
2. Шаг стропил, т.е. расстояние между ними;
3. Пролеты системы стропил;
4. Проектирование стропильной фермы и выбор, какая схема крепления стропил – наслонные или висячие – будет применяться при строительстве;
5. Анализ несущих возможностей фундамента и опор;
6. Расчет таких дополнительных элементов, как затяжки, связывающие конструкцию стропил, предотвращая ее «разъезжание» и раскосы, позволяющие «разгрузить» стропила.

При использовании типового проекта нет необходимости задумываться о том, как рассчитать стропильную систему, поскольку все расчеты уже выполнены. В случае же строительства по индивидуальному проекту все необходимые расчеты следует выполнять заранее.

Заниматься кровельными работами своими руками и расчетами должен специалист, обладающий достаточной квалификацией и имеющий необходимые знания и умения.

Требования к элементам конструкции стропил

Для изготовления элементов конструкции стропил используют древесину хвойных пород, влажность которой не должна превышать 20%.

Современный кровельный деревянный материал предварительно обрабатывают специальными защитными препаратами. Такие параметры, как толщина стропил, выбираются в соответствии с расчетами, рассмотренными ниже.

Нагрузки, оказывающие влияние на конструкцию стропил и в связи с которыми может  потребоваться усиление стропильной системы, в соответствии с продолжительностью воздействия разделяются на две категории: временные и постоянные:

1. Постоянные нагрузки включают в себя нагрузки, создаваемые собственным весом конструкции стропил, весом материалов для кровли, обрешетки, теплоизоляции и использованных при отделке потолка материалов. На них оказывают непосредственное влияние размеры стропил;
2. Временные нагрузки, можно также разделить на кратковременные, длительные и особые. Кратковременные нагрузки включают в себя вес рабочих, выполняющих кровельные работы, а также вес используемых ими инструментов и оборудования. Кроме того, к кратковременным нагрузкам относят ветровые и снеговые нагрузки на кровлю. Особые нагрузки включают в себя довольно редко возникающие воздействия, такие как землетрясения.

Чтобы рассчитать стропильную систему, используя предельные состояния данных групп нагрузок, необходимо учитывать их наиболее неблагоприятное сочетание.

Расчет снеговой нагрузки

Наиболее полное рассчитываемое значение нагрузки снежного покрова вычисляется при помощи формулы:

S=Sg*µ

• где Sg – принимаемое из таблицы расчётное значение массы снежного покрова на 1 м² горизонтальной земной поверхности;
• µ — коэффициент, определяющий переход от веса снежного покрова на земле к снеговой нагрузке на кровельное покрытие.

Значение коэффициента µ выбирается в зависимости от угла уклона скатов кровли:

µ=1, если углы уклона ската крыши не превышают 25°.

µ=0,7 в случае, когда углы уклона скатов находятся в диапазоне 25-60°.

Важно: в случае, если угол уклона кровельного ската превышает 60 градусов, значение нагрузки снежного покрова не учитывается при выполнении расчета системы стропил.

Расчет ветровой нагрузки

Для вычисления расчетного значения средней ветровой нагрузки на определенной высоте над уровнем земли используется следующая формула:

W=Wo*k

Где Wo – установленное нормативами значение нагрузки ветра, принимаемое из таблицы согласно ветрового района;

k — учитывающий изменение давления ветра в зависимости от высоты коэффициент, выбираемый из таблицы, в зависимости от того, в какой местности ведется строительство:

1. В столбце «А» указываются значения коэффициента для таких местностей, как открытые побережья водохранилищ, озер и морей, тундры, степи, лесостепи и пустыни;
2. Столбец «В» включает значения для городских районов, лесных массивов и прочих местностей, покрытых равномерно препятствиями, высота которых превышает 10 метров.

Важно: тип местности при расчете ветровой нагрузки на кровлю может изменяться в зависимости от направления ветра, используемого при расчете.

Расчёт сечений стропил и прочих элементов системы стропил

Сечение стропил зависит от следующих параметров:

• Длина стропильных ног;
• Шаг, с которым установлены стропила каркасного дома;
• Расчетная величина различных нагрузок в данной местности.

Приведенные в таблице данные не являются полноценным расчетом системы стропил, они являются лишь рекомендуемые для использования при расчетах, когда стропильные работы будут производиться для простых кровельных конструкций.

Приведенные в таблице значения соответствуют максимально возможным нагрузкам на систему стропил для Московской области.

Приведем для системы стропил размер прочих элементов конструкции стропил:

• Мауэрлат: брусья сечением 150х150, 150х100 или 100х100 мм;
• Диагональные ендовы и ноги: брусья сечением 200х100 мм;
• Прогоны: брусья сечением 200х100, 150х100 или 100х100 мм;
• Затяжки: брусья сечением 150х50 мм;
• Ригели, выступающие в качестве опор для стоек: брусья сечением 200х100 или 150х100 мм;
• Стойки: брусья сечением 150х150 или 100х100 мм;
• Доски короба карниза, подкосы и кобылки: брусья сечением 150х50 мм;
• Подшивочные и лобовые доски: сечение (22-25)х(100-150) мм.

Пример расчета системы стропил

Приведем конкретный пример расчета системы стропил. В качестве исходных данных возьмем следующие:

• расчетная нагрузка на кровлю равна 317 кг/м²;
• нормативная нагрузка составляет 242 кг/м²;
• угол уклона скатов равен 30º;
• длина пролетов в горизонтальных проекциях составляет 4,5 метра, при этом L₁ = 3 м, L₂ = 1,5 м;
• Шаг монтажа стропил составляет 0,8 м.

Крепление ригелей к ногам стропил производится при помощи болтов во избежание «размочаливания» его концов гвоздями. В связи с этим значение сопротивления изгибу древесного материала второго сорта с ослабленным сечением составляет 0,8.

R_изг=0,8х130=104 кг/см².

Непосредственно расчет системы стропил:

• Расчет действующей на один метр погонной длины стропила нагрузки:

q_р=Q_р х b=317 х 0,8 = 254 кг/м

q_н=Q_н х b=242 х 0,8 = 194 кг/м

• В случае, если уклон скатов кровли не превышает 30 градусов, стропила рассчитываются как изгибаемые элементы.

Согласно этому выполняется рассчитывается максимальный изгибающий момент:

М = -q_рх(L₁³ + L₂³) / 8х(L₁+L₂) = -254 х (3³+1,5³) / 8 х (3+1,5) =-215 кг х м = -21500 кг х см

Примечание: знак «минуса» указывает, что направление изгиба действует противоположно прикладываемой нагрузке.

• Далее рассчитывается необходимый требуемый момент сопротивления изгибу для стропильной ноги:

W = M/R_изг = 21500/104 = 207 см³

• Для изготовления стропил обычно используются доски, толщина которых составляет 50 мм. Возьмем ширину стропила, равную стандартному значению, т.е. b=5 см.

Высота стропил при этом рассчитывается с использованием необходимого момента сопротивления:

h = √(6хW/b) = √(6х207/5) = √249 =16 см

• Получены следующие размеры стропила: сечение b = 5 см, высота h = 16 см. Сверяясь с размерами пиломатериалов согласно ГОСТ, выбираем ближайший размер, подходящий под данные параметры: 175х50 мм.
• Полученное значение сечения стропил проверяется на прогибание в пролете: L₁=300 см. Первым делом следует выполнить расчет стропильной ноги данного сечения на момент инерции:

J = bh³/12 = 5×17,5³/12 = 2233 см³

Далее рассчитывается прогиб в соответствии с нормативами:

f_нор = L/200 = 300/200 = 1,5 см

Наконец, следует рассчитать прогиб под воздействием нормативных нагрузок в данном пролете:

f = 5 х q_н х L⁴ / 384 х E х J = 5 х 1,94 х 300⁴ / 384 х 100000 х 2233 = 1 см

Значение расчетного прогиба в 1 см меньше значения нормативного прогиба, составляющего 1,5 см, поэтому выбранное ранее сечение досок (175х50 мм) подходит для строительства данной системы стропил.

• Рассчитываем усилие, действующее вертикально в месте схождения стропильной ноги и подкоса:

N = q_р х L/2 + M х L/(L₁хL₂) = 254х4,5/2 – 215х4,5/(3х1,5) = 357 кг

Данное усилие затем раскладывается на:

• ось стропила S = N х (cos b)/(sin g) = 357 х cos 49° / sin 79° = 239 кг;
• ось подкоса P = N х (cos m) / (sin g) = 357 х cos 30° / sin 79° = 315 кг.

где b=49°, g=79°, m=30°. Данные углы обычно задаются заранее или рассчитываются с помощью схемы будущей кровли.

В связи с небольшими нагрузками следует конструктивно подойти к расчету сечения подкоса и проверке его сечения.

Если в роли подкоса будет использоваться доска, толщина которой составляет 5 см, а высота – 10 см (общая площадь равна 50 см²), то выдерживаемая ей нагрузка сжатия рассчитывается по формуле:

Н = F х Rсж = 50 см² х 130 кг/см² = 6500 кг

Полученное значение почти в 20 раз превышает требуемое, составляющее 315 кг. Несмотря на это, сечение подкоса не будет уменьшено.

Более того, для предотвращения его выворачивания к нему будут пришиты с двух сторон бруски, сечение которых составляет 5х5 см. Данное крестообразное сечение позволит повысить жесткость подкоса.

• Далее произведем расчет распора, воспринимаемого затяжкой:

Н = S х cos m = 239 х 0,866 = 207 кг

Толщина ригеля-схватки задается произвольно, b=2,5 см. Исходя из расчетного сопротивления древесины растяжению, равного 70 кг/см²,  рассчитаем необходимое значение высоты сечения (h):

h = Н/b х R_рас = 207 / 2,5х70 =2 см

Сечение схватки получило довольно небольшие размеры 2х2,5 см. Допустим, что она будет изготавливаться из досок размером 100х25 мм и крепиться винтами диаметром 1,4 см. Для расчета необходимо использовать формулы, используемые при расчете винтов на срез.

Тогда значение рабочей длины глухаря (винта, диаметр которого превышает 8 мм) принимается в зависимости от толщины доски.

Расчет несущей способности одного винта выполняется следующим образом:

T_гл = 80 х d_гл х a = 80х1,4х2,5 = 280 кг

Крепление схватки требует установки одного винта (207/280).

Чтобы не допустить смятия древесного материала в месте винтового крепления, количество винтов рассчитывается с помощью формулы:

T_гл = 25 х d_гл х a = 25х1,4х2,5 = 87,5 кг

В соответствии с полученным значением крепление стяжки потребует трех винтов (207/87,5).

Важно: толщина доски для затяжки, составляющая 2,5 см, выбрана для демонстрации расчета винтов. На практике с целью использования одинаковых деталей толщина или сечение затяжки обычно соответствует параметрам стропил.

• Наконец, следует заново произвести пересчет нагрузок всех конструкций, изменив ориентировочный собственный вес на расчетный. Для этого с использованием геометрических характеристик элементов системы стропил рассчитывается общий объем пиломатериалом, необходимых для монтажа системы стропил.

Данный объем умножается на вес древесины, вес 1 м³ которой равен примерно 500-550 кг. В зависимости от площади кровли и шага стропил рассчитывается вес, который измеряется в кг/м².

Стропильная система обеспечивает в первую очередь надежность и прочность возводимой кровли, поэтому ее расчет, а также различные сопутствующие расчеты (например, расчет стропил и балок) следует выполнять грамотно и тщательно, не допуская ни малейшей ошибки.

Доверять выполнение таких расчетов рекомендуется профессионалам, имеющим необходимый опыт и соответствующую квалификацию.