Расчет четырехскатной крыши: как грамотно рассчитать конструкцию для частного дома

Особенности четырехскатных конструкций

Типичные представители четырехскатных крыш — вальмовые и шатровые разновидности с соответствующим количеством скатных плоскостей. Основным признаком является отсутствие торцевых стенок, благодаря чему создается своеобразная обтекаемая форма.

Подобная конфигурация популярна в регионах, характеризующихся высокой ветровой нагрузкой, а также востребована в местности с редкой растительностью и в горных районах.

Однако эффектные очертания вальмовых крыш послужили основанием для расширения сферы их использования. Означенные схемы применяют не только ради снижения действия порывистых ветров, но и из чисто архитектурно-дизайнерских соображений.

К тому же крыши с четырьмя скатами способствуют отводу дождевой воды, а при грамотном подборе крутизны — еще и препятствуют накоплению снежных залежей.

Элементы крыши с четырьмя скатами

Из-за наклонного положения торцевых плоскостей форма скатов этого вида конструкций далека от прямоугольника. По геометрическим показателям скаты вальмовых крыш представляют собой две симметричные пары равнобедренных треугольников и трапеций. Треугольники, называемые вальмами, как раз и легли в основу технического термина. У шатровых крыш с квадратом в основании есть только вальмы, без трапециевидных скатов.

Разберем устройство основного вальмового варианта как наиболее яркого представителя четырехскатных крыш. Если рассматривать их центральную часть без наклонных торцевых участков, то сложно не заметить сходства со стандартной двухскатной крышей.

Сооружают центральную часть по аналогии с двухскатными конструкциями, применяя наслонную или висячую технологию. Приоритеты у наслонного типа, согласно которому стропилины опираются на расположенную в вершине крыши прогонную балку. Она определяет коньковый излом или, другими словами, ребро. Сам прогон устанавливается на прогонную раму, состоящую из стоек и уложенного горизонтально лежня. Жесткость рамы обеспечивает несколько ветровых связей.

Прогонную раму вальмовой крыши необходимо опереть на надежное основание. Оптимальную базу представляет несущая стена, расположенная в центре обустраиваемой коробки. Вместо одного центрального прогона в многопролетных вальмовых стропильных системах может быть два параллельных аналога, опирающиеся на две несущие стены.

В случае отсутствия несущих стен, пригодных для установки на них прогонной рамы, основанием для устройства вальмовой крыши способно стать мощное перекрытие. Оно должно выдерживать давление стропильной системы вместе с компонентами кровельного пирога и со всеми разновидностями атмосферных нагрузок.

При использовании в качестве перекрытия бетонных плит можно сооружать крышу любой степени сложности. Бетонное основание без проблем выдержит установку многочисленных конструктивных деталей, вес материала, мощные снеговые залежи в разжелобках. Рассчитывать детали четырехскатной крыши дома с подобным верхним перекрытием нет необходимости, если оно было проверено на сосредоточенное воздействие.

При устройстве балочного деревянного перекрытия прогонную раму устанавливают на толстый брус 100х200 мм или 150х200 мм, из которого его и сооружают. Из аналогичного материала выполняют сам прогон и лежень, если он используется в строительстве крыши. Подставки под стойки прогонной рамы укладывают накрест балкам перекрытия. Их ветровые связи и подкосы стоек выполняют из бруса 100х150 мм.

Вся сложность устройства четырехскатной конструкции заключается в устройстве опоры для вальм и сопряженных с ними зон основных скатов. Для этого углы коробки соединяют с коньковым прогоном диагональными стропилинами, именуемыми иначе накосными стропильными ногами.

Плоскость скатов в зоне расположения вальм формируют нарожники — укороченные стропильные ноги, устанавливаемые с шагом, равным шагу установки рядовых наслонных стропилин. Диагонали в некотором роде выполняют функцию конькового прогона, т.к. опирание коротких стропильных ног производится именно на них. Потому их чаще всего выполняют из сдвоенной доски, используемой для устройства стропильной системы.

Сшивание двух досок для устройства диагональных стропил позволяет решить несколько значимых задач одновременно:

• Увеличивает несущую способность, благодаря чему насосная нога без повреждений и смещений относительно элементов системы держит вес кровельного пирога, осадков и обслуживающего работника при необходимости проведения ремонта.
• Позволяет сформировать условно неразрезанную балку длиной, необходимой для перекрытия пролета от края конькового прогона до угла. Стандартной длины доски, применяемой в строительстве стропильной системы, обычно для этого недостаточно. Сплачивание со смешением края доски позволяет увеличить длину и толщину.
• Предоставляет возможность применять в строительстве системы доски одной высоты, что исключает необходимость в подгонке и дополнительных расчетах.

Проще говоря, с материалом одного размера существенно проще работать: где надо, его используют попарно, а также применяют без сдваивания там, где это не надо.

Когда накосной стропилиной приходится перекрывать большой пролет, для обеспечения её жесткости устанавливают дополнительные опоры. Их выполняют в виде стоек из бруса или спаренной доски, подкоса или шпренгельной фермы.

Дополнительные опоры используются в следующем порядке:

• Если длина диагональной стропилины не превышает 7,5 м, жесткость конструкции обеспечивается одним подкосом. Низ его упирают в лежень, верх — в стропильную ногу. Элемент располагают ближе к коньковому прогону, устанавливают под углом 45–53° по отношению к горизонту.
• Если длина накосной стропильной ноги до 9 м, кроме подкоса, используется еще одна опора. Это стойка или шпренгельная ферма, установленная на расстоянии в четверть пролета от угла коробки.
• Если длина диагонального элемента больше 9 м, кроме перечисленных опор, вводится еще одна стойка по центру пролета. На ж/б перекрытие её устанавливают через гидроизоляцию прямо на основание. На деревянном перекрытии под нее устраивают горизонтальную балку-подставку.

Сращивание двух досок накосной стропилины выполняется так, чтобы места состыковки не приходились на опору. Отступить следует на расстояние равное 0,15*L, где L – это полная длина перекрываемого диагональю пролета.

Учитывая такое количество конструктивных нюансов, перед строительством вальмовой крыши необходимо все досконально спроектировать и рассчитать. В процессе создания проект будет корректироваться и изменяться, чтобы в конечном итоге элементы системы смогли взаимосвязано работать.

Чердак как конструктивная составляющая

Все элементы четырехскатной кровельной конструкции могут быть объединены в цельную систему, то есть не иметь чердака. Указанные виды крыш называют совмещенными. Их сооружают над мансардами или над хозяйственными постройками, в которых нет смысла отделять кровельную конструкцию от помещения верхним перекрытием. Если же они разделяются чердаком, крыши называются чердачными. Это более распространенный в жилищном строительстве вариант.

Чердачное пространство четырехскатных конструкций редко обустраивают с целью эксплуатации. Дело в том, что скошенное положение всех скатных плоскостей существенно ограничивает полезную площадь. Помещение с просветом, достаточным для распрямления в полный рост, получается слишком маленьким, что особенно заметно, если загородный дом не отличается внушительными габаритами.

Если предпосылок для обустройства чердака нет, утепление проводят по верхнему перекрытию. Если все же планируется использовать пространство под крышей, то теплоизоляцию закладывают между стропилинами. Ввиду перечисленных причин необходимо еще на стадии разработки собственного проекта определиться с назначением чердака, так как это решение повлияет на последующие расчеты четырехскатной крыши.

Шаг установки стропильных ног

Обычно шаг между стропилинами — величина относительная, её можно слегка увеличить или уменьшить в пределах, указанных производителем кровельного покрытия. Например, под укладку металлочерепицы стропила можно устанавливать через равные расстояния, значения которых находятся в интервале 0,6-0,9 м.

Разброс заметный, но практически не влияющий на несущую способность стропильной системы. При увеличении шага некоторое ослабление конструкции нивелирует обрешетка, для устройства которой берут брусок большего размера. Таким же образом поступают, если укладывать предстоит профнастил. А вот под битумную черепицу шагу стропилин позволено достигать значений в 1,0-1,2 м, потому что такая кровля укладывается на сплошную обрешетку из листовой фанеры.

Традиционный алгоритм выбора шага для конструкций без утеплителя строится на разбивке стены на равные отрезки. При сооружении утепленной крыши ориентируются на ширину плит теплоизоляции, чтобы они смогли полностью заполнить пространство между стропилинами без дополнительных кусков.

Подбор угла наклона скатов

Определение верного наклона скатных плоскостей избавит вас от проблем в эксплуатации и многократно увеличит срок службы кровельной системы. Указанный угол задает высоту конька и геометрические пропорции конструкции. Потому перед тем, как начать рассчитывать размеры стропилин для четырехскатной крыши, следует досконально разобраться с этим параметром.

Вальмовая конструкция может быть практически плоской, пологой или довольно крутой. Выбор угла наклона скатов зависит от множества факторов, среди которых:

• Вес кровельного покрытия. Чем больше удельная масса материала, распределенного на один метр крыши в проекции на основание, тем круче должна быть конструкция. Таким способом снижается общая нагрузка на стропильную систему.
• Размер элементов покрытия. Чем меньше детали штучной кровли, к примеру, керамической черепицы, тем больше вероятность просачивания воды через её многочисленные соединения. Чем меньше стыков между крупногабаритными листами, тем более низким разрешено быть углу ската.
• Регион строительства. В областях с обильным выпадением снега зимой скаты крыш принято располагать под углом от 45°, что полностью исключает задержку осадков на поверхности кровли. В местностях с внушительной ветровой нагрузкой оптимальная крутизна крыш составляет 4–7°.
• Высота дымоходной трубы. Учитывается для твердотопливных печей и каминов. Общая высота дымового канала должна быть не менее пяти метров с учетом отрезка за пределами кровли. Для небольшого одноэтажного домика с пологой крышей подобный вариант не подойдет, придется выбрать другой дымоход и тип отопительного агрегата.
• Противопожарные требования. Необходимо соблюдать для чердачных конструкций. Размер чердака обязан обеспечивать сквозной проход по верхнему перекрытию высотой не менее 1,6 м. Минимальная ширина прохода 1,2 м. Для небольших чердачных отсеков длиной до 2 м размеры прохода в обоих направлениях допускается уменьшить на 0,4 и 0,3 м соответственно.

Все вышеописанные обстоятельства необходимо учитывать при проектировании крыши. Без грамотного проекта нельзя приступать к расчетам четырехскатной крыши. Не стоит пугаться многократных переделок и подгонок под реальный материал и специфику коробки дома. Корректировки неизбежны, но провести их лучше на бумаге или мониторе, чем исправлять на объекте.

Кроме того, на стадии проектирования нужно выбрать способ формирования карнизных свесов. Их можно обустроить установкой стропильных ног с выпуском за мауэрлат и стену. Второй вариант — полное опирание спиленной в горизонт нижней пятки стропильной ноги на мауэрлат без выпуска за  стену.

Алгоритм расчета нагрузки

Расчет несущей способности элементов четырехскатной крыши производится по суммарной нагрузке в зимний период, так как именно в это время крыша нагружена больше всего. На стропильную систему давят снежные залежи, ветра, вес кровельного пирога и внутренней обшивки. К примеру, при намокании масса утеплителя увеличивается, потому в расчетах принято применять коэффициент запаса.

Для расчета сечения стропильных ног общее давление снега, кровельного пирога и ветра складываются банальным способом, а результат перемножается на коэффициент запаса прочности 1,1. Полученное значение выражается в кг/м², так как распределяется на условный квадратный метр площади.

Отметим, что для точных расчетов полученный результат необходимо перевести в линейную величину, которая должна выражаться в кг/м. Ведь стропила устанавливаются не сплошняком, а с заданным шагом, а суммарная нагрузка действует на крышу в целом. А нам нужно определить давление, действующее вдоль оси продольного элемента системы.

Для перевода в требующиеся нам единицы суммарную нагрузку следует помножить на шаг установки стропилин. Если итог вас не устроит, расстояние между стропилинами можно несколько расширить или сократить. Корректировкой площади сбора нагрузки производится уменьшение или увеличение её значения.

Как найти нагрузку от снега и ветра

По правилам вычисление несущей способности элементов стропильной системы проводят по двум предельным состояниям:

• На разрушение. Имеется в виду такое состояние стропильной системы, когда полностью исчерпан лимит прочности и устойчивости. По-другому её именуют расчетной нагрузкой, обозначающей максимально возможный предел, превышение которого приводит к полному разрушению конструкции.
• На прогиб. Это состояние характеризуется развитием деформаций, в результате которых нарушаются соединения и раскрываются узлы. Иначе это состояние называется нормативной нагрузкой, итогом превышения которой бывают внушительные прогибы. Конструкция в результате будет не разрушена, но без ремонта её эксплуатация не представляется возможной.

В строительных организациях расчеты несущей способности проводятся для обоих состояний, чтобы исключить вероятность прогиба или разрушения проектируемой крыши. Чтобы облегчить себе задачу, можно пойти простейшим путем и узнать в строительной компании требуемые значения.

Частнику, намеревающемуся один раз спроектировать, рассчитать и построить крышу, необязательно вникать во все премудрости и формулы. Достаточно уяснить, что для определения предельного состояния на разрушение понадобится нагрузка от массы снега.

Обозначим её Q_{расч.сн.}— это расчетное значение. Это и есть расчетное значение, для поиска которого при отсутствии других источников следует обратиться к карте районирования территории РФ, составленной по среднестатистической снеговой нагрузке.

Простейший путь получения нормативной нагрузки, которую мы обозначим Q_{норм.сн.} состоит в умножении расчетного значения на коэффициент 0,7.

То есть действуем по следующей схеме:

1. Нашли свой населенный пункт на карте и выяснили, к какой зоне он относится.
2. Определили по таблице среднестатистическую величину расчетного значения нагрузки от осадков согласно типу региона.
3. Помножили расчетное значение на 0,7 для вычисления предельного состояния на прогиб.

Скатную крышу можно смело сравнить с холмом или скалой, возвышающейся над остальными точками рельефа. Понятно, что в зависимости от крутизны и направления ветра на подобной возвышенности снежные залежи будут распределяться неравномерно.

Потому для сложных в архитектурном отношении конструкций, имеющих несколько вальмовых ребер и ендов, применяется поправочный коэффициент µ.

В указанных ситуациях на оба предельных значения зачастую влияет угол наклона скатов и направление преобладающих ветров. Если в районе строительства наблюдается повышенная ветровая активность и изобилие осадков, то в расчеты коэффициент следует включить.

Ветровая нагрузка определяется схожим способом. Для её вычисления необходимо воспользоваться соответствующей картой районирования с делением РФ на области с равными показателями давления ветра. Но на карте мы найдем не расчетную ветровую нагрузку W_р, а значение, которое следует умножить на k_(z) — коэффициент зависимости силы ветра от высоты z и c — табличный аэродинамический коэффициент.

Нормативное значение ветра находим по уже знакомой схеме умножением на 0,7.

Определение веса кровли

Общий вес кровли складывается из веса кровельного покрытия, приблизительное значение которого можно взять из специальных таблиц, веса обрешетки и утеплителя, если он применяется в обустройстве крыши.

Массу обрешетки надо будет рассчитать исходя из её вида, способа установки и веса материала. К примеру, вес кубометра бруска составляет 500 кг/м³. Если разреженную обрешетку под металлочерепицу устраивают путем установки решетин размерами 30х50 мм через каждые 0,3 м, то на квадратный метр крыши придется 3 элемента обрешетки.

Разберем пример. На один квадрат крыши берется 3 элемента разреженной обрешетки, каждый из которых вычисляется так: 1 м длины * 0,03 м высоты * 0,05 м ширины * 500 кг/мз. В итоге получится вес одной решетины 0,75 кг, вес всей обрешетки 2,25 кг.

А при сооружении сплошной обрешетки нужно будет просто помножить удельный вес материала (у ОСП или фанерной плиты это 650 кг/м³) на её толщину. Удельный вес теплоизоляции обычно указывается производителем, а его массу, приходящуюся на метр площади, найти несложно.

Полученные значения веса кровли, теплоизоляции и обрешетки суммируются, переводятся в линейное значение, результат которого следует сверить с требованиями СНиП 2.01.07-85. Для ориентира значение расчетной нагрузки обычно не превышает 450 кг/м², нормативной — 315 кг/м².

Выводы

Для изготовления стропил под металлическую кровлю или битумную черепицу отлично подходит доска 50х100 или 50х150 мм. Для утепленной конструкции рекомендовано предпочесть второй вариант, чтобы не было необходимости наращивать дополнительную контробрешетку и тем самым незапланированно утяжелять крышу.

Для опор, прогона и лежня прогонной рамы потребуется материал размерами 100х150 мм, для устройства подкосов, ветровых связей, ветровой доски по периметру достаточно доски 25х100 или 25х150 мм. Диагональные ноги сшиваются из двух досок.

Данная информация носит исключительно информационный (ознакомительный) характер и не является рекомендацией.

Автор

Смирнова Яна

Копирайтер-редактор

Эксперт

Новиков Игорь

Строитель, блогер