Расчет балок и стропил на крышу – нагрузки, количества, длины, фермы системы дома из дерева, калькулятор, СНиП

нагрузки, количества, длины, фермы системы дома из дерева, калькулятор, СНиП

Ни один дом невозможно построить без крыши, и ни одну кровлю невозможно возвести без несущей конструкции. Любое строительство начинается с проектирования и расчетов. Рассмотрим, как выполняется расчет стропил.

Проведение таких расчетов чрезвычайно важно. Недопустимо строить стропильные системы «на глазок» или «приблизительно». Необходимо учесть все нагрузки, которые будут оказывать действие на кровлю. Они делятся на:

• Постоянные. Это собственный вес покрытия, гидроизоляции, обрешетки и прочих составных частей «пирога». Если на крыше планируется установка какого-либо оборудования, то необходимо учесть и его вес.
• Переменные. К этому типу нагрузок относят массу попадающих на кровлю осадков и прочие воздействия, которые не постоянно действуют на кровлю.
• Особые. В сейсмически опасных районах или в местностях, в которых регулярно бывают ураганные ветры необходимо закладывать дополнительный запас прочности.

Как рассчитать вес кровельного пирога?

Прежде всего, нужно подсчитать, сколько будет весить сама кровля дома.

Это необходимый расчет – стропила должны выдерживать эту постоянную нагрузку в течение длительного времени.

Произвести расчет несложно, нужно подсчитать массу одного метра квадратного каждого из слоев «пирога» кровли. Затем вес каждого слоя суммируется, а полученный результат умножается на поправочный коэффициент 1,1.

Пример расчета. Возьмем для примера кровлю, покрытую ондулином. Крыша состоит из следующих слоев:

• Обрешетка крыши, собранная из дощечек толщиной 2,5 см. Вес метра квадратного этого слоя составляет 15 кг.
• Утеплитель (вата минеральная) толщиной10 см, вес квадратного метра утеплителя10 кг.
• Гидроизоляция – полимерно-битумный материал. Вес гидроизоляционного слоя –5 кг.
• Ондулин. Вес квадратного метра этого кровельного материала составляет3 кг.

Складываем полученные значения – 15+10+5+3 =33 кг.

Умножаем на поправочный коэффициент 33×1.1=34,1 кг. Это значение является весом пирога кровли.

В большинстве случаев, при строительстве жилых домов, нагрузка не достигает значения50 кгна метр квадратный.

Совет! Опытные строители рекомендуют опираться именно на эту цифру, хотя она является явно завышенной для большинства кровельных покрытий. Но зато, если через несколько десятилетий хозяева дома захотят поменять кровлю, то им не придется менять все стропила – расчет был произведен с солидным запасом.

Таким образом, нагрузка от веса кровельного «пирога» составляет 50×1,1 = 55 кг/кв. метр

Как произвести расчет снеговых нагрузок?

Снеговая нагрузка – это достаточно серьезное воздействие на конструкции кровли, так как снега на крыше может скопиться достаточно много.

Чтобы подсчитать этот параметр, можно воспользоваться формулой:

S=Sg x µ.

В этой формуле:

• S – это снеговая нагрузка,
• Sg – вес снегового покрова, который покрывает квадратный метр горизонтальной поверхности. Это значение меняется в зависимости от места расположения дома. Найти данный коэффициент можно в снип  — стропильные системы.
• µ — это поправочный коэффициент, значение которого зависит от угла наклона кровли. Так для плоских крыш, которые имеет угол наклона 25 градусов и меньше значение коэффициента – 1,0. Для крыш с углом наклона более 25 и менее 60 градусов, коэффициент составляет 0,7. Для крыши, имеющей крутые склоны, снеговые нагрузки можно не учитывать.

Пример расчета. Например, необходимо рассчитать снеговую нагрузку для кровли дома, строящегося в Московской области, причем угол наклона ската составляет 30 градусов.

Московский регион расположен в III снеговом районе, для которого расчетное значение массы снега на квадратный метр горизонтальной поверхности составляет 180 кгс/ кв. м.

180 x 0,7 = 126 кгс/кв. м.

Это расчетная снеговая нагрузка на кровлю.

Как рассчитать ветровые нагрузки?

W = Wo x k

• Wo – это нормативный показатель, который определяется по таблицам, в зависимости от района страны.
• k – это поправочный коэффициент, который позволит определить изменение ветровой нагрузки в зависимости от типа местности и высоты здания.

А – это открытые местности: степи, побережье моря или озера;

Б – местности, равномерно покрытые препятствия, например, городская застройка или лесной массив.

Пример расчета. Рассчитать ветровую нагрузку для дома высотой5 метров, расположенного в лесистой местности в Подмосковье.

Московский регион расположен в I ветровом районе, нормативное значение ветровой нагрузки в этом районе 23 кгс/кв. м.

Поправочный коэффициент в нашем примере составит 0,5

23 x 0,5 = 11,5 кгс/ кв. м.

Это значение ветровой нагрузки.

Как рассчитать сечения стропил и других элементов кровли?

Чтобы произвести расчет длины стропил, требуется знать, какой кровельный материал планируется использовать, а также из чего сделаны чердачные перекрытия (деревянные балки  или плиты из железобетона).

Стандартные стропила, которые поступают в продажу, имеют длину 4,5 и6 метров. Но, в случае необходимости, длина стропил может быть изменена.

Сечение бруса, который идет на изготовление стропил, зависит от следующих факторов:

• Длина стропил;
• Шаг установки стропил;
• Расчетные величины нагрузок.

Данные в представленной таблице являются рекомендательными, их нельзя назвать полноценной заменой расчетам. Поэтому расчет фермы стропильной является необходимостью для определения несущей способности кровли.

Данные таблицы приведены в соответствии с атмосферными нагрузками, характерными для Московского региона.

Сечения бруса для изготовления других элементов кровли:

• Мауэрлат – 100х100, 100х150, 150х150;
• Для ендов и изготовления диагональных ног – 100х200;
• Прогоны – 100х100, 100х150, 100х200;
• Затяжки — 50х150;
• Ригели – 100х150,100х200;
• Подкосы – 100х100, 150х150;
• Доски подшивочные – 25х100.

Определившись с сечением и длиной, а также с шагом расположения стропил, несложно произвести расчет количества стропил, ориентируясь на длину стен дома.

При проектировании, помимо расчета на прочность, конструктор должен выполнить расчет на прогиб.

То есть, нужно не просто гарантировать, что стропила не сломаются под оказываемой нагрузкой, но и выяснить, насколько балки могут прогибаться.

К примеру, расчет деревянной стропильной фермы для строительства мансардной крыши должен быть выполнен так, чтобы величина прогиба не превышала 1/250 часть от длины участка, на который оказано давление.

Таким образом, если использованы стропила длиной5 метров, то максимальный допустимый прогиб может достигать20 мм. Данная величина кажется совсем незначительной, однако при ее превышении, деформация кровли будет заметна визуально.

Требования к качеству материала

Если осуществляется расчет деревянных стропил, то помимо таких параметров, как длина и сечение, нужно учитывать и качество строительного материала.

Стропила для крыши своими руками изготавливают из древесины лиственных и хвойных пород.

Основные требования к материалу изложены в ГОСТ 2695-83 и ГОСТ 8486-86. Среди них:

• Допускает наличие сучков в количестве не более трех на метровый участок, размер сучков не должен превышать30 мм.
• Допускается наличие несквозных трещин, не превышающих ½ длины;
• Влажность пиломатериала не должна быть выше 18% при измерении влагометром.

При приобретении материала, из которого планируется монтировать стропильные системы – снип предписывает проведение проверки документа о качестве, в котором указаны:

• Данные о производителе;
• Номер стандарта и название изделия;
• Размер изделия, влажность и использованная порода древесины;
• Количество отдельных элементов в упаковке;
• Дата выпуска данной партии.

Поскольку дерево материал натуральный, оно требует проведение предмонтажной подготовки. Эта подготовка планируется на стадии, когда проектируется стропильная система – снип предусматривает проведение защитных и конструктивных мероприятий.

К защитным  мероприятиям относят:

• Обработку древесины антисептиками для предотвращения преждевременного загнивания;
• Обработку древесины антипиреновыми пропитками для защиты от возгорания;
• Обработку биозащитными составами для защиты от насекомых-вредителей

К конструктивным мероприятиям можно отнести:

• Установка гидроизоляционных прокладок в месте соприкосновения кирпича и деревянных конструкций;
• Создание гидроизоляционного слоя под кровельным материалом и пароизоляционного – со стороны помещений перед слоем утеплителя;
• Оборудование вентиляции подкровельного пространства.

При соблюдении все требований технологии стропильная система деревянного дома приобретет более высокие прочностные качества, и конструкция крыши прослужит долго, не требуя проведения ремонта.

Программы для проектирования и расчета стропильных систем

Как видно из вышесказанного, произвести расчет строительных систем крыш довольно сложно. Нужно обладать достаточным запасом теоретических знаний, обладать навыками рисования и черчения. Естественно, что далеко не каждый человек обладает такими профессиональными навыками.

К счастью, сегодня задача проектирования значительно облегчена, поскольку имеются очень удобные компьютерные программы позволяющие разрабатывать проекты различных строительных элементов.

Конечно, некоторые программы рассчитаны на профессионалов (например, Автокад, 3D Max и пр.). Неопытному человеку достаточно сложно разобраться с этим софтом.

Но существуют и более простые варианты. Например, в программе Аркон очень просто можно создавать разнообразные эскизные проекты, чтобы наглядно посмотреть, как будет выглядеть та или иная крыша.

Есть там и удобный калькулятор для расчета стропил, который позволяет эффективно и быстро произвести расчеты. Программа Аркон прекрасно подходит для профессионалов, но может быть использована и частными пользователями.

В сети можно найти и калькулятор расчета стропил, работающий в режиме онлайн. Однако произведенные на нем расчеты – это исключительно рекомендательные величины и не могут заменить разработки полноценного проекта.

Выводы

Выполнение расчетов при проектировании – важный этап создания крыши. Его выполнение необходимо поручать профессионалам. Но предварительные расчеты можно провести и самостоятельно, это поможет лучше разобраться в готовом проекте.

Расчет стропил: определение длины, сечения, шага

Прочность кровли здания зависит от того, насколько правильно выполнен расчет стропил. В данной конструкции значение имеют все параметры: длина, угол наклона крыши, сечение балок.

Перед тем как рассчитать длину стропил, их сечение и шаг, следует принять во внимание особенности региона, в котором ведется строительство, параметры будущего здания и характеристики кровельных материалов.

Факторы, которые необходимо учитывать при расчете

Расчет сечения стропил и их длины выполняется в несколько этапов. На первом этапе производится расчет снеговой и ветровой нагрузки для выбранной конфигурации крыши с учетом поправочных коэффициентов для высоты строения и угла наклона ската.

Затем прибавляется нагрузка от веса кровельного материала, утеплителя и обрешетки. К полученной суммарной нагрузке прибавляется 10 % для запаса по прочности. Итоговое значение используется для расчета стропил.

Выполнить грамотный расчет довольно трудно, если не учитывать силу и частоту оказываемых на них нагрузок.

Перед тем как правильно рассчитать стропила на крышу, следует отметить все факторы, воздействующие в разные сезоны на кровлю.

Факторы, оказывающие влияние на крышу, делятся на три группы:

• постоянные нагрузки;
• переменные нагрузки;
• особые нагрузки.

Постоянные нагрузки действуют на элементы конструкции, не переставая, независимо от времен года.

К ним относятся масса крыши, гидроизоляция, обрешетка, пароизоляция, теплоизоляция и все отдельные части кровли, имеющие неизменяемый вес и оказывающие давление на стропильную систему.

Масса односкатной или двухскатной крыши увеличивается, когда на ней устанавливаются массивные устройства и аппараты – антенны, вентиляция, снегозадержатели и прочее.

Сильное влияние на прочность стропил односкатной и двускатной кровли оказывает вес снегового слоя, дующий ветер и поднимающиеся на крышу рабочие.

Видео:

Такие нагрузки называются переменными, так как она имеет периодичный характер – сильное давление сменяется его отсутствием.

К особому типу относятся нагрузки, возникающие в регионах, где часто бывают ураганы или землетрясения.

При таком типе нагрузок во время конструирования и постройки зданий учитывают дополнительный запас прочности.

Расчет для стропил крыши – довольно непростая задача, неспециалист с ней может не справиться.

Поэтому задумавшись, как рассчитать стропила, лучше обратиться за помощью к специальным программам, чтобы точно установить размер стропил односкатной и двухскатной крыши.

Расчет нагрузки на стропила

Ветровая нагрузка рассчитывается упрощенно следующим образом: региональный показатель ветровой нагрузки умножаем на поправочный коэффициент. Региональный показатель берется из СНиП по карте ветровых нагрузок.

Поправочный коэффициент для строений по высоте:

• ниже пяти метров берется в диапазоне 0,5 – 0,75;
• от пяти до десяти метров – 0,65 – 1,0;
• от десяти до двадцати метров – 0,85 – 1,25.

Меньшее значение коэффициента применяется для застроенных или лесистых территорий, где сила ветра усмиряется препятствиями, большее значение берется для открытой местности.

В том случае, если строение расположено на открытой хотя бы с одной стороны территории, тоже применяется большее значение диапазона.

Снеговая нагрузка вычисляется сходным образом – показатель снеговой нагрузки умножаем на поправочный коэффициент.

Коэффициент зависит от угла наклона крыши:

• пологий скат с наклоном до 25 градусов имеет коэффициент, равный 1,0;
• у ската с углом наклона от 25 до 60 градусов коэффициент составляет 0,7;
• если угол наклона ската превышает 60 градусов, то снеговая нагрузка не учитывается.

Показатель снеговой нагрузки указан на соответствующей карте СНиП аналогично карте ветровых нагрузок.

Если строение расположено близко к границе двух регионов, то используется значение для региона с наибольшим показателем.

Полученные значения ветровой и снеговой нагрузки суммируются. Итоговое значение, полученное на данном этапе расчетов, называется показателем переменных нагрузок.

Видео:

Расчет постоянных нагрузок, действующих на стропильную систему, зависит от выбранного типа кровли.

Постоянные нагрузки рассчитываются для кровельного «пирога» путем сложения веса его компонентов — обрешетки, утеплителя, гидроизоляции, кровельного материала.

Вес наиболее распространенных кровельных материалов:

• цементно-песчаная черепица: 20 — 30 кг на метр квадратный;
• шифер: 10 — 14 кг на метр квадратный;
• битумная черепица: 6 — 8 кг на метр квадратный;
• металлочерепица: 3,5 — 4,5 кг на метр квадратный;
• ондулин: 3 кг на метр квадратный.

Из приведенных данных следует, что статическая нагрузка может варьироваться в зависимости от выбранного типа используемого кровельного материала.

Сложив значения статической и переменной нагрузок и прибавив 10 % для запаса по прочности, получаем итоговое значение, которое будет использоваться для дальнейшего расчета стропил.

Расчет размера и шага стропил для односкатных и двухскатных крыш

Для точного расчета стропильной системы существуют специализированные программы и онлайн-калькуляторы.

Однако для простой односкатной и двухскатной крыши необходимые параметры можно вычислить самостоятельно без их помощи.

Нужную длину стропила можно рассчитать из теоремы Пифагора, приняв за один катет высоту крыши, а за второй — ширину строения от стены до проекции конька на балку перекрытия.

Следует учесть, что стропило должно выступать наружу за край стены не менее чем на 60 см. Стандартная длина стропила составляет 6 м. При необходимости, проводя расчет длины, ее можно нарастить.

Видео:

Расчет шага для стропил должен учитывать расстояние между ними в диапазоне 60 — 100 см. Чем больше нагрузка, тем чаще необходимо устанавливать стропила.

Общее количество стропил на скат крыши равно длине ската, деленной на величину шага стропил, плюс одно стропило. Соответственно, для двухскатной крыши это число надо удвоить.

Чем рассчитанный шаг стропил реже, тем шире стропильный брус. Для несущих конструкций двускатной или односкатной крыши этот размер должен составлять не менее 15 см для крупных строений, а для дачных построек (сараев, беседок и бань) – 10 см.

Затем устанавливается количество стропил на один скат. Для этого его длину следует разделить на шаг установки. Если дом двускатный, то полученное значение следует удвоить.

Выбор подходящего сечения стропила зависит от шага стропил и их длины:

Для уменьшения деформаций стропил и балок в процессе эксплуатации лучше всего для стропильной системы использовать сухой пиломатериал.

При выборе балок для стропил необходимо обратить внимание на отсутствие трещин и сучков.

В самом распространенном случае для двухскатной крыши одноэтажного строения, крытого шифером, целесообразно использование деревянного стропила сечением 5х15 см.

Разновидности стропильных конструкций

Перед началом кровельных работ нужно подобрать оптимальный вариант стропильной конструкции. Каждый из них имеет свои плюсы и минусы.

Классификация стропильных систем:

• висячие;
• наслонные;
• гибридные.

Если кровля стандартной ширины 6 м (соответственно, такая длина ноги стропила), то подойдут висячие системы. За счет фиксации концов к коньку крыши и несущей стене производится крепление.

Кроме того, устанавливают затяжку, препятствующую деформации давления и напряжения стропильной конструкции. Помимо этого, они берут на себя роль несущих балок.

Наклонные системы подходят для крыш любой ширины. Фиксация лежня по отношению к мауэрлату обеспечивает устойчивость и надежность всей конструкции.

В результате давление сглаживается стойкой, а напряжение снижается. Плюсы наслонной стропильной системы в достаточно простом монтаже, но работа потребует больших затрат, так как для обустройства лежней потребуются дополнительные пиломатериалы.

Гибридные конструкции наиболее подходят для многоскатных кровель, в которых переходы сопровождаются повторяющимися многочисленными балками, усилениями, лежнями, стойками, скосами и другими элементами, обеспечивающими устойчивость системы.

Возведение гибридной конструкции дорого и достаточно сложно, поэтому заниматься разработкой проекта и постройкой должны заниматься квалифицированные специалисты.

Кажущийся простым на первый взгляд вопрос о расчете стропил (их сечение, длина, шаг и остальные параметры) на самом деле требует основательного и ответственного подхода.

Недостаточно только прикинуть расстояние от верхней части внешней стены строения, чтобы купить подходящее количество кровельных пиломатериалов, потому что при таком расчете придется постоянно корректировать работу.

Видео:

Чтобы избежать проблем во время строительства, необходимо принять во внимание множество важных параметров: от толщины и длины брусов до площади будущей кровли.

Кроме того, большое значение имеет рельеф местности и климат региона, в котором ведется строительство.

Расчет деревянной балки на прочность в стропильной системе

Как строительный и отделочный материал древесина используется повсеместно. Но если при ее подборе в качестве облицовочного покрытия важен, в первую очередь, ее внешний вид и геометрия, то для несущих частей конструкции  прежде следует обращать внимание на другие характеристики.

Ни одно здание невозможно покрыть кровельным материалом, не обустроив соответствующую стропильную систему (исключение составляют только дома, для которых в качестве перекрытий используются ж/б плиты). Вот для такого «скелета» и используются заготовки из древесины.

Тот, кто знаком с курсом «Сопротивление материалов», знает все сам, тому, кто о нем только слышал, формулы не помогут. Поэтому рассмотрим этот вопрос в виде практических советов, чтобы понимать, что и где посмотреть.

Нас должно интересовать, не сломается ли балка под нагрузкой? Нужно знать, что какая бы конструкция системы не обустраивалась, есть общее требование – величина максимального прогиба балки должна быть менее 0,004 ее длины. Например, при стандартной в 6000 мм прогиб не должен превышать 24 мм (6000 х 0,004).

Учесть нужно 2 фактора – собственный вес конструкции и максимальную нагрузку, которую она будет испытывать (снежный покров, порывы ветра). Существуют специальные таблицы, а также онлайн-калькуляторы в интернете, по которым, имея исходные данные, все легко просчитать.

Вводятся следующие параметры: сечение балки, ширина пролета и расстояние между стропилами. Максимальную нагрузку для хвойных пород принимают равной 130 кг/м². Под весом конструкции подразумевается общий вес как деревянных элементов системы (стропила, обрешетка), так и слоев гидро-, паро- и теплоизоляции + кровельного покрытия.

Необходимо увеличить расчетные величины с учетом веса работающего на крыше человека (обслуживание, ремонт кровли), различных устройств (например, мачта антенны, громоотвода и тому подобное).

Нужно принять во внимание и целостность балки, ведь при нехватке ее длины заготовки соединяются между собой. Кстати, такие элементы системы считаются более надежными.

Можно привести некоторые значения для расчета сечения стропил в зависимости от длины:

• от 3 м и менее – 10 х 8 при шаге 1,2 м;
• 3-4 м – 9 х 18, 8 х 18 и 8 х 16 при расстоянии между стропилами 1,8; 1,4 и 1 м соответственно;
• 4-6 м – 8 х 20 (шаг 1 м) и 10 х 20 (шаг 1,4 м). 

Рекомендации

• Для стропильной системы нельзя применять древесину сортности ниже 2-й.
• Оптимальным вариантом являются балки с прямоугольным профилем (соотношение – 4:1).
• Для клееных заготовок методика расчетов и используемые формулы остаются такими же, как и для цельных.
• Нельзя использовать лиственничные деревья, так как они имеют недостаточную прочность на изгиб.
• Концы опорных балок должны быть не менее 12 см.

Расчёт стропильной системы с несущим коньком

Калькулятор расчёта двухскатной стропильной системы с несущим коньком выполняет расчёт прочности и прогиба стропил под действием снеговых, ветровых нагрузок и их сочетаний; позволяя подобрать оптимальные сечение и шаг стропил.

Двухскатная стропильная система с несущим коньком

Стропильная система с несущим коньком является одной из самых простых и распространённых схем наслонных стропильных систем для реализации двускатной кровли. При правильном исполнении площадок опирания стропил и конька одним из огромных её преимуществ является фактически полное отсутствие горизонтального распора стропил.

Стропила

В стропилах должны быть выполнены специальные опорные площадки (запилы) для опирания на мауэрлат (верхнюю обвязку) и конёк. Глубина запилов не должна превышать 1/4 ширины используемой доски, а получившаяся площадка опирания должна быть не менее 38 мм.

Конёк

Конёк может быть выполнен самыми различными способами. Основное требование к нему — отсутствие значимого прогиба под действием вертикальных нагрузок, в противном случае появляется горизональный распор стропил.

Несущая стена

При наличии несущей стены по центру дома она может использоваться для восприятия и передачи нагрузок от конька. Коньком может являться смонтированный поверх стены мауэрлат (верхняя обвязка), либо же уложенная горизонтально доска сечением не менее 38×140 уложенная на вертикальные стойки сечением не менее 38×89, установленные с шагом не более 1.2 м.

Коньковые балки

В качестве несущего конька можно использовать коньковые балки выполненные из различных материалов и имеющие различные конструкции. При этом необходимо учитывать, что просадка конька под вертакальной нагрузкой в рассматриваемой стропильной системе неминуемо приводит к возникновению горизонтальных распорных сил на концах стропил. В то же время предельная величина перемещения концов стропил ограничена и линейно зависит от просадки конька, что позволяет учесть её при проектировании.

Наиболее просты в исполнении и расчёте коньковые балки, выполненные из трёх и более сплочённых досок. Для исполнения коньковых балок под большие пролёты возможно использование LVL балок и плоских ферм.