Основа для кровли

Глядя на красивую, грамотно и со вкусом выполненную кровлю, редко кто задумывается о том, что находится глубоко под кровельным «пирогом». А ведь опорой кровли, гарантом ее надежности и безопасности являются скромные труженики – стропила. О типах стропил, новых и традиционных материалах, а также о программном обеспечении для автоматизированного проектирования стропильных систем и пойдет речь в этой статье.

1. Что такое стропила? Типы стропильных систем

Стропила – это, образно говоря, «скелет» кровли. Шарнирно соединенные между собой элементы стропильного каркаса поддерживают кровлю и передают на стены или другие присутствующие опоры постоянные (вес кровельного покрытия, элементов безопасности, установленных на кровле, и т.д.) и временные (снег, ветер, гололед и т.д.) нагрузки. Стропильные системы могут быть простыми и сложными. Простая система состоит из двух стропильных ног, упирающихся в горизонтальный брус, – затяжку. Сложная включает в себя: стропильные ноги, прогоны, лежни, стойки, подкосы (подстропильные ноги), распорки и мауэрлаты. В зависимости от того, является ли стропильная система безраспорной или распорной конструкцией, стропила разделяются на две основные группы: висячие и наслонные (рис. 1 и 2). Висячие стропильные системы сложнее в изготовлении, требуют более тщательного надзора при эксплуатации, к тому же их труднее ремонтировать и усиливать. Применяются такие стропила в том случае, когда внутренние стены отсутствуют и система опирается только на наружные ограждения. Их стропильные ноги работают на сжатие и изгиб. Кроме того, конструкция создает значительное горизонтальное распирающее усилие, которое передается стенам. Уменьшить это усилие помогает деревянная или металлическая затяжка, соединяющая стропильные ноги. Она монтируется как у основания стропил (и в этом случае служит ригелем – именно этот вариант наиболее часто используется при строительстве мансардных крыш), так и выше. Чем выше она располагается, тем больше должно быть ее сечение и надежнее сопряжение со стропилами. Наслонные стропильные системы являются конструктивно простейшей и экономичной альтернативой. Применяют их в тех случаях, когда в здании имеются два или несколько рядов вертикальных опор (стен или колонн), расстояние между которыми, обычно, не превышает 5–8 м. Такие пролеты легче перекрыть стропилами, раскладываемыми вдоль скатов на небольшом расстоянии друг от друга.

В практике деревянного домостроения помимо общепринятых стропил в последнее время набирают обороты в применении и скользящие стропильные системы. Суть данных систем заключается в том, что скользящее опирание предотвращает выпячивание и скручивание стропил. Данное воздействие, возникающее при усадке здания, в свою очередь, приводит к незамедлительному нарушению кровельного «пирога». Разрабатывать проект для данного вида стропильных систем следует специализированной организации, имеющей опыт в проектировании и монтаже подобных конструкций.

2. Традиционные материалы
Для нужд многоэтажного монолитного или кирпичного домостроения, а также для строительства большепролетных сооружений промышленного или социально-культурного назначения фермы стропильных систем выполняются чаще всего из металлических профилей или массивных железобетонных статически определимых балок-ригелей. Однако ряд технико-экономических исследований, а также анализ российского и зарубежного опыта позволяют обратить более пристальное внимание на деревянные элементы: цельные или клееные. Их с успехом можно применять в покрытиях тех же производственных зданий пролетами до 18 м, спортивных, выставочных и других общественных большепролетных сооружений. Деревянные стропила применяют также в качестве несущих конструкций временных зданий, зданий промышленного назначения с химически агрессивной средой и хозяйственно-бытовых помещений (беседок, бунгало, навесов т.д.). В строительстве же индивидуальных малоэтажных деревянных или кирпичных домов дерево является очевидным лидером.

3. Инновационные материалы

3.1. Обычный клееный брус и брус LVL

Основная идея производства разнообразных клееных материалов – получение однородных изделий из неоднородного сырья. Деревянные ламели, распиленные вдоль линий напряжения и склеенные качественными смолами, образуют материал, намного более прочный, чем его прародитель – натуральная древесина. Еще более прочный и монолитный материал образует склеенный деревянный шпон. Любой клееный брус в отличие от обычных пиломатериалов способен сохранять точные линейные размеры вне зависимости от сезонных факторов и климатических условий. Он не деформируется и не коробится от сырости, не трескается и не гниет, имеет минимальные показатели естественной усушки, практически не впитывает влагу, а потому собственный вес балки во влажной среде остается неизменным. Стабильность линейных размеров бруса гарантирует высокую точность сопрягаемых деталей, благодаря чему конструкции долговечны и не теряют свою привлекательность со временем, чего нельзя сказать об изделиях из обычной древесины, которые подвержены разбуханию и короблению. Продукция LVL была изобретена в США в 1930-х годах. Первоначально этот материал использовался для производства самолетных пропеллеров и других высокопрочных авиационных компонентов во время Второй мировой войны. В 1970-х годах основатели компании Trus Joist International Арт Траутнер и Герольд Томас стали использовать параллельно набранные склеенные слои шпона для формирования строительных двутавровых балок, балок перекрытия, ферм. Клееный брус обладает высокими прочностными характеристиками при сравнительно малом весе. Длина цельных элементов может достигать 20 м. В единственном экземпляре в мире существует даже 60-метровый пресс для непрерывного производства LVL! Производство бруса ведется по технологии непрерывного прессования с микроволновым предподогревом. Она способствует лучшему проникновению смолы в древесную структуру и образованию нового, однородного, высокопрочного материала.

Брус LVL (рис. 3) активно используется в строительстве и особенно в реконструкции мансардных помещений. Малый вес конструкции позволяет использовать этот материал в зданиях с ограниченной несущей способностью, т.е. старый фундамент и несущие стены здания можно полностью сохранить. Основная сложность задачи реконструкции зданий зачастую связана с работой в условиях плотной городской застройки, не позволяющей использовать тяжелую строительную технику – однако в работе с LVL-брусом она и не нужна. Наряду с широко применяемыми плоскостными несущими конструкциями (стропильными фермами, рамными и арочными несущими конструкциями) интерес представляют объемные пространственные системы (сетчатые своды, купола, тонкостенные и ребристые своды оболочки). Применение LVL-бруса в пространственных конструкциях позволяет значительно разгрузить фундамент здания путем равномерного распределения нагрузки от покрытия по контуру здания. LVL-брус и изделия из него легко поддаются обработке лакокрасочными покрытиями, антисептиками и антипиренами, а его естественная древесноволокнистая структура позволяет применять его не только как материал несущих конструкций, но и как составную часть интерьера. Существует несколько технологий старения балки из LVL и покрытия различными лаками и красками. Современные конструкторы и архитекторы с успехом используют этот прием.

Тимур Исхакович Акчурин, генеральный директор ООО «Талион Трейдинг» 

При возведении спортивного сооружения в Grossachsenheim, Германия, первоначально было запланировано использование стального профиля для перекрытия прогонов несущего каркаса. Здание построено полностью из клееных строительных элементов с применением каркасных технологий и массивных деревянных панелей. В проекте использованы перекрытия с расстоянием между опорами более 6 м и нагрузками в 500 кг/м2. Однако вместо того, чтобы использовать для всех прогонов несущего каркаса первого этажа стальной профиль HEB 340, был использован брус Ultralam шириной 75 мм и длиной 600 мм. В результате: 14 м3 Ultralam заменили 9 т стали, что привело к экономии 60% стоимости и 45% веса материала. Для стропильных систем используется брус типа R и X – в первом из них все слои шпона имеют параллельное направление волокон, а во втором отдельные слои имеют перпендикулярное направление волокон.

3.2. Двутавровые балки

3.2.1. Дерево + OSB (HDF)

Двутавровые балки изготавливаются из композитных плит (OSB или HDF), соединяющих цельнодеревянные или клееные полки. HDF (High Density Fiberboards – древесноволокнистая плита высокой плотности) – материал, получающийся прессованием очень мелких древесных опилок. OSB (Oriented Strand Board – ориентированно стружечная плита) (рис. 4) – это древесные плиты, полученные путем трехслойного формирования и горячего прессования крупноразмерной древесной стружки (щепы). Длинные тонкие щепы длиной до 140 мм и толщиной около 0,6 мм укладываются в ковре тремя слоями. Внешние слои образуются щепой, ориентированной параллельно длине готовой плиты. Во внутреннем слое щепа укладывается перпендикулярно длине готовой плиты. Балки из композитных плит выдерживают большую нагрузку и не дают изгиба, усадки или трещин после укладки. В стенках деревянных балок можно легко прорезать отверстия для канализации, электропроводки, газоснабжения, водоснабжения, вентиляции и т.д. Мировыми производителями деревянных двутавровых балок являются компании GP, Nascor (со стенкой из OSB) и Steico (стенка из HDF). В России по собственному ТУ двутавровые деревянные балки перекрытия и стропил производит компания DOMMA System. Одно из интересных решений – полностью композитная деревянная двутавровая балка с полками из LVL-бруса длиной до 13 м (рис. 5). На подобную продукцию предоставляется пожизненная гарантия.

3.2.2. Дерево + металл

Пояса деревометаллических двутавровых балок изготавливаются из высококачественной химически защищенной древесины. Поперечную нагрузку обеспечивают стенки из высоколегированной и защищенной двойным горячим цинкованием стали. Для устойчивости сталь профилируется и имеет волнистую форму. На ребрахвыштампованы зубья с шагом 50 мм, в горизонтальной проекции образующие букву S: это сделано для того, чтобы во время запрессовывания в дерево не происходило расщепления. Незначительный собственный вес таких конструкций практически не дает их усадки. Это важно в сложных условиях, когда несущая способность фундаментов и конструкций ограничена, невозможно применение тяжелой техники, а доставка материалов затруднена. Балка длиной 6 м и шириной 230 мм весит всего 40 кг, при этом при нагрузке в 2 т она прогибается всего на 7 мм. Возможно также производство этих балок из LVL-бруса. Прирост прочности по сравнению с деревометаллической балкой, при одинаковом сечении, достигает 25%, при этом вес и стоимость отличаются очень незначительно. В Германии деревометаллические двутавровые балки производятся уже больше 40 лет. В России единственным производителем таких балок является предприятие HTS Rusland, входящее в группу компаний MEISER GmbH.

Андрей Герасимов, компания DOMMA System

Двутавровые балки идеально подходят для перекрытия основания плоской кровли, они успешно используются в кровлях любых типов, в том числе и эксплуатируемых. За счет высокой несущей способности балка пригодна для возведения кровель, которые планируют покрыть натуральной черепицей или сланцем. Для соединения балок между собой применяется в основном классический крепеж – кронштейны, но для прочности и экономии можно при проектировании заложить опирание на несущие стены и элементы. Сопряжение кровельной системы из двутавровых балок со стенами дома принципиально не отличается от такового для цельнодеревянных балок.

4. Основные параметры деревянных стропил: толщина бруса и шаг установки

Стропильные конструкции могут изготавливаться из одиночных брусьев, а также из цельных или клееных дощатых составных профилей. По экономическим соображениям, чем массивнее применяемые брусья и доски, тем дороже стропила. Строительные нормативы предписывают для тяжелого типа кровли (покрытие – керамическая черепица) брать в качестве стропил брус минимум 70х150 мм, при этом шаг стропил рекомендуется брать минимальный, кратный ширине плиты утеплителя, т.е. около 600 мм. Если рассматривать легкое кровельное покрытие – металлочерепица, рулонный материал, металлические штучные пластины (ромбы, гонты), дранка, – то шаг стропил можно увеличивать до 2 м, а сечение профиля стропилины можно принять 50 х150 мм. Безусловно, шаг установки стропил принимается в каждом конкретном случае свой. Нужно просчитать несколько вариантов установки стропил, подобрать их сечение, удовлетворяющее требованиям расчета по несущей способности (первая группа предельных состояний) и по деформациям, не препятствующим нормальной эксплуатации (вторая группа предельных состояний), с учетом характера и длительности действия нагрузок, сравнить расход материалов для того, чтобы выбрать экономически выгодный вариант. Наименьшая материалоемкость, при прочих равных показателях, указывает на правильность принятого шага установки стропил. Элементы стропильной системы, на которые опираются стропильные ноги, должны быть горизонтальными. В противном случае наклон опорных площадок приводит к сползанию стропильной ноги или потере устойчивости стропильной системы. Мауэрлаты в зданиях с наружными стенами из облегченных кладок, а также в случаях частого расположения стропил (шаг стропильных ног менее 700 мм) устраиваются непрерывными. При шаге стропильных ног более 700 мм мауэрлаты можно устраивать из коротышей длиной 500–700 мм. Чтобы предохранить мауэрлат и другие части стропил от отсыревания и загнивания, в местах соприкосновения конструкций с кладкой прокладывают гидроизоляцию. Не рекомендуется делать врезки в мауэрлатном брусе и в коньковом прогоне для опирания на них стропильных ног, так как это вызывает ослабление мауэрлата и прогона и повышает возможность их загнивания при попадании влаги во врезку. По конструктивным требованиям, мауэрлаты выполняют из брусьев сечением 140х160 или 160х180 мм. Расстояние от мауэрлата до верха чердачного перекрытия не следует делать больше 500 мм, а до низа среднего лежня – больше 400 мм. В свою очередь, расстояние от чердачного перекрытия до низа ригелей для удобства передвижения по мансардному этажу не должно быть меньше 1,8 м. Несмотря на все рекомендации по изготовлению элементов стропильной системы, сечения сжатых и изгибаемых элементов стропильной фермы определяются согласно требованиям прочности и жесткости по СНиП II-25-80 «Деревянные конструкции» и подбираются в зависимости от их длины, нагрузок, действующих на них, и узлов сопряжения элементов системы.

5. Узлы сопряжения
Прочность и долговечность кровли проектируемого здания во многом зависят от грамотного решения узлов сопряжения элементов стропильной системы друг с другом. Соединение должно обеспечивать передачу расчетных усилий, обеспечивать работу узлов при усадке деревянных конструкций, высыхании древесины и появлении трещин от усушки. Если необходимо увеличить размеры деревянных элементов, а также образовать узловые сопряжения, используют следующие способы соединений:
• сплачивание (в поперечном направлении) (рис. 6);
• сращивание или наращивание (в продольном направлении) (см. рис. 6);
• узловые соединения (под углом).

На практике строительства существует много способов соединений элементов стропильного каркаса между собой:
• соединение на лобовой врубке (в узловых соединениях брусчатых и бревенчатых конструкций (рис. 7, а), лобовым упором (в узловых соединениях и стыках сжатых элементов);
• соединение прямыми продольными, наклонными и поперечными шпонками;
• соединение зубчатыми металлическими пластинами (рис. 7, б) (для выполнений узловых сопряжений дощатых элементов);
• соединение на растянутых связях, работающих на выдергивание (гвозди, шурупы, скобы (рис. 7, в), стяжные болты, в которых действующее усилие направлено по оси стержня);
• соединение уголками (рис. 7, г);
• клеевое соединение.
Все детали для соединения элементов стропильной систе мы должны быть выполнены качественно и надежно, согласно ГОСТ, ТУ и Техническим рекомендациям. Запилы должны быть точными, с плотным прилеганием. Не рек омендуется использование различных подкладок, подложек и про чих элементов, которые могут со временем вылететь, деформироваться, тем самым разрушив пространственную жесткость системы. Клеевые соединения должны отвечать следующим требованиям: водо-, био-, теплостойкости, монолитности, устойчивости адгезионных связей (сцепление со склеиваемыми ма териалами), а также равнопрочности с древесиной (кроме растяжения вдоль волокон).

6.

А

Автоматизированное проектирование: шаг вперед!
Кровельные работы, особенно на ответственных и сложных объектах, невозможно грамотно осуществить без детальных планов стропильной системы и технической поддержки профессионалов. Ускорить и упростить процесс проектирования призвано специальное программное обеспечение. С его помощью инженеры-проектировщики могут сформировать полный пакет документов, достаточный для реализации проекта, в самый короткий срок! Этот пакет включает в себя всю рабочую документацию – чертежи, пояснительные записки и сметы. На современном рынке автоматизированного проектирования существует много программ для быстрого и наглядного конструирования, статического расчета и последующей визуализации стропильных систем. Если рассматривать немецкие программы, то на российском рынке наиболее популярными являются: CadWork, SEMA Experience и Dietrich´s. Программа CadWork (рис. 8) предназначена для свободного конструирования деревянных конструкций, поддерживающая полный цикл проектирования от создания эскиза до формирования производственной чертежной документации. Данная САПР содержит в себе ряд модулей, один из которых, например, «CadWork 3D – Стропильные конструкции», позволяющих грамотно разработать проекты зданий различного назначения.

Преимущества данной программы заключаются в следующем:
• в ходе разработки проекта проектировщик может использовать простые прямоугольные и круглые сечения, стальные, деревянные или специальные профили, а также перекошенные и S-образные детали свободной формы;
• система содержит каталоги соединительных элементов известных производителей, кроме этого конструкторы могут создавать свои собственные библиотеки;
• все строительные элементы можно свободно резать и сочетать друг с другом;
• для беспроблемного обмена данными между CadWork и другими САПР-системами поддерживаются несколько интерфейсов, которые позволяют обмениваться чертежными данными с большинством современных САПР.

Это: Интерфейс ACIS-3D (формат SAT), предназначенный для обмена сложными 3D-конструкциями c AutoCAD или другими, поддерживающими этот формат программами и их дальнейшую обработку; Интерфейс DTH, который делает возможным обмен данными между несколькими столярно-строительными программами и системами автоматизированного проектирования. С помощью этого интерфейса происходит передача свойств, важных для строительства из деревянных конструкций, таких например, как ось бруса, материалы и строительные группы; Интерфейс 3D-HLI (интерфейс высокого уровня) позволяет принимать модели зданий из архитектурных систем ArCon, Speedikon или Spirit, для последующей разбивки их на элементы в модуле «CadWork – Строительные элементы»; Интерфейс IGES или интерфейс DXF/DWG (CadWork понимает информацию как в DXF, так и в DWG-формате), в которые можно экспортировать объемные 3D-фигуры; Интерфейс STEP/ STP, через который CadWork поддерживает также обмен данными в статических программах, например, RSTAB. Dietrich´s так же имеет модульную систему построения и состоит из независимых, но совместимых программных комплексов, что позволяет конструировать необходимые стропильные системы (рис. 9).

Основные преимущества данной программы заключаются в следующем:
• конструирование стропильной системы посредством использования включенных в программу или разработанных в процессе типовых решений вальм, примыканий, обрамлений проемов;

• возможность создания как отдельных блоков стропильной системы, так и большепролетных деревянных ферм;
• учет всех нагрузок и автогенерирование грузовых сочетаний при расчете статики фермы; автоматический подбор сечений древесины для стропильных ферм.

Один из программных комплексов – «Крыша» (рис. 10, 11) разработан специально для профессионалов в области деревянного строительства и предназначен для проектирования крыш разного уровня сложности геометрии и конструкции. Программный пакет состоит из трех модулей: «Базис», «Крыша» и «Крыша Плюс», которые позволяют выполнять сложнейшие заказы быстро и точно. Программа охватывает, как обычно, полный цикл разработки проекта, включающий конструирование, статический расчет и последующее формирование проектной документации. Простой интерфейс и дополнительные иллюстрации обеспечивают простое пользование программой. По сравнению с другими программами включает в себя только болтовое соединение конструкций кровли, что существенно снижает потребность в данной программе при использовании другого рода соединений стропильной системы.

SEMA Experience представляет собой единый программный комплекс, осуществляющий разработку проектов коттеджного типа (рис. 12, 13). Позволяет как создавать проекты с нуля без использования AutoCAD, так и импортировать DWG-файлы в систему с последующей автоматической расстановкой или самостоятельной проработкой стропильной системы.

Минус данной программы в том, что при не точно обведенном контуре здания, от которого программа строит модель, возможны несостыковки. То есть при неточном чертеже кровли и стен программа может неправильно построить модель, поэтому следует либо тратить время и создавать проект заново, либо до импортирования DWG-файла проверять чертеж на наличие погрешностей. Статический расчет по кровле заключается только в расчете элементов стропильной системы, сложные фермы программа не считает, что является явным минусом при проектировании деревянных сооружений. Однако данная программа позволяет конвертировать Sema-файлы в такие расчетные программы, как Lira, Scad. Также возможен импорт файлов таких программ, как MiTek 2020 и Profcon, для дальнейшей проработки и изменений проекта.

Помимо немецких программ на российском рынке также широко распространена и американская технология MII2020 (MiTek 2020). Программное обеспечение включает в себя разнообразные рабочие модули. Что касается разработки кровли здания, то это: Layout (модуль для конструирования крыш, создания монтажных схем, трехмерных моделей (рис. 14)); Engineering (осуществляет статический расчет и конструирование деревянных ферм (рис. 15); Repor ting (содержит рабочую документацию); PrimeCAD (2D CAD модуль – создание монтажных чертежей, библиотека примитивов). Данная программа позволяет возводить объекты жилого (рис. 16), промышленного, спортивного, сельскохозяйственного назначений, а также изготавливать отдельные конструкции (крыши, мансарды, надстройки, перекрытия, большепролетные конструкции).

Основные преимущества данной программы заключаются в следующем:
• конструирование стропильной системы посредством использования включенных в программу типовых решений вальм, примыканий, обрамлений проемов;
• использование широкого набора стандартных ферм, отличающихся не только формой, но и расположением раскосов;
• создание ферм произвольной формы как в самой программе, так и с использованием AutoCAD в особо сложных случаях;
• учет всех нагрузок и автогенерирование грузовых сочетаний при расчете статики фермы; полный доступ к результатам расчета – эпюры моментов, деформации в элементах и узлах конструкции; автоматический подбор сечений древесины для стропильных ферм;
• автоматический подбор крепежных элементов (уголки, кронштейны т.п.), подбор и размещение металлических зубчатых пластин; готовый набор рабочей документации для изготовления и монтажа.

На российском рынке представлены:
• программное обеспечение MiTek 2020 для управления заказами,
расчета и проектирования конструкций, а также оформления про-
ектной документации;
• программное обеспечение WoodEngine, разработанное MiTek
в сотрудничестве с AutoDesk;
• оборудование для производства деревянных конструкций;
• зубчатые пластины и соединительные элементы для деревянных
конструкций.

Максим Красников, ООО «Баурекс»

При классическом решении крыши вертикальную нагрузку воспринимают стропильные ноги, опирающиеся на мауэрлат стены, создавая горизонтальный распор. При этом статическим расчетом стропильных ног обычно никто серьезно не занимается, что приводит к перерасходу материала в несколько раз. Если такой расчет осуществить, то для монтажа стропильной системы нужно будет всего лишь расставить фермы и связи в проектное положение и закрепить. Также можно одновременно решить конструкцию перекрытия верхнего этажа. Нет необходимости его отдельно проектировать и монтировать, нижний пояс ферм служит несущими балками перекрытия. При этом за счет того, что нижний пояс фермы растянут, достигается экономия сечения пиломатериала, по сравнению с классическими балками, где древесина работает на чистый изгиб.

Все эти товары сертифицированы для использования в России. При проектировании кровли, помимо представленных выше, существуют и другие немецкие программы, такие как: Alphaschift, ArCon Eleco Professional, Das Abbund-CAD, комплекс немецких программ Abbund –3D-CAD/CAM и Statikanbindung. Но в отличие от своих конкурентов данный ряд программ не представлен на российском рынке интерфейса.

Бесспорно, для того чтобы грамотно разработать проект и осуществить точный расчет для дальнейшего монтажа кровельной системы, каждая проектная организация индивидуально выбирает пакет расчетных программ, исходя из экономических соображений. В заключение хотелось бы привести слова профессора кафедры архитектуры Московского государственного строительного университета А.И. Герасимова: «Стропильные конструкции при кажущейся своей второстепенности оказываются на первом месте по обеспечению безопасности объектов. Необходимо уделять самое пристальное внимание не только внедрению современных методов расчета прочности и выносливости, но и применению в одной конструкции различных материалов, наиболее полно отвечающих нагрузкам того или иного элемента. И не следует забывать, что в ряде случаев стропильная система является частью интерьера. Поэтому она должна удовлетворять не только требованиям по прочности и надежности, но и эстетическим критериям».

Виктория МИРЗАБЕКОВА, инженер-конструктор, Dr.Schiefer