Узлы стропильной системы: Принципы крепления узлов стропильной системы

Принципы крепления узлов стропильной системы

Узлы крепления стропил должны обеспечивать необходимую прочность каркаса кровли. Важно правильно выбрать технологию монтажа элементов стропильной системы между собой и их крепления к несущему контуру, чтобы готовая крыша была способна выдержать расчетные нагрузки.

Особенности кровельных конструкций

Задача наслонных и висячих стропильных систем кровли – максимально равномерная передача нагрузки подстропильной конструкции, которая, в свою очередь, распределяет нагрузку на несущие стены и фундамент постройки. Подстропильная конструкция обычно является мауэрлатом (балкой, уложенной вдоль на каждой несущей стене). Также это могут быть опоры перекрытия (укладываются на стене поперек) или верхний венец сруба из бруса или бревна.

Выбор способа крепления стропил к мауэрлату зависит от их типа. Наслонная конструкция заставляет мауэрлат работать на срез, в то время, как висячие фермы – на сжатие, направление которого совпадает с ориентацией несущих стен.

Установка затяжки

Монтаж двускатной кровли требует установки стропильной системы наслонного или висячего типа. Чтобы смонтировать жесткую висячую стропильную ферму, не передающую распорные нагрузки на стены, требуется правильно выполнить узлы крепления горизонтальных перемычек – затяжек и ригелей.

В зависимости от того, какая была выбрана конструкция крыши, затяжка может монтироваться у основания стропил и выполнять функцию балки перекрытия. Стропильную ферму, которая крепится к мауэрлату, для придания жесткости оснащают ригелем – перемычкой, расположенной ближе к коньку. В мансардных крышах ригели служат основой для обшивки потолка.

Узел соединения при установке затяжки рекомендуется выполнять методом «врубки в стропило полусковороднем» с использованием крепежного винта. Данный способ монтажа требует точной подгонки элементов, так как при больших зазорах, в местах сопряжения, узел крепления под нагрузкой может разрушиться.

Более простой способ – монтаж внахлест. В этом случае перемычка выполняется из доски либо двух досок, установленных с обеих сторон стропильной ноги. В качестве крепления используются гвозди. Узел может представлять собой и болтовое соединение, но это снизит несущую способность стропил на 20%.

Еще один вариант – установка ригеля враспор. Монтаж узла такого типа стал возможен после изобретения гвоздевых пластин. Конструкция способна выдержать высокие нагрузки – надежность обеспечивается за счет плотного примыкания деталей и прочной фиксации с двух сторон благодаря большому количеству зубьев на пластине.

Сечение бруса или доски для изготовления распорного ригеля должно совпадать с сечением стропила.

Мауэрлат: узлы крепления стропильных ног

Опирание деревянных стропил на мауэрлат может выполняться по двум технологиям:

  • жесткое крепление к мауэрлату;
  • скользящее крепление к мауэрлату.

При жестком креплении полностью исключаются любые виды смещения стропильной ноги, которая упирается в мауэрлат (изгибы, сдвиги, кручение).

С этой целью при монтаже стропильной системы кровли установка стропил может выполняться с применением подшивного бруска, который предотвращает соскальзывание стропильной ноги в месте опирания. Боковые сдвиги при этом методе соединения исключаются благодаря установке металлических уголков.

Во втором варианте жесткого крепления стропильной ноги на мауэрлат необходимо выполнить запил (седло) в нижней части стропильного бруса или доски. Плоскость опирания должна быть горизонтальной, для этого запил в стропилах производится под углом, соответствующим наклону ската. Для фиксации узла с обеих сторон стропила под углом вбивается по гвоздю (внутри мауэрлата они должны быть скрещенными), сверху вертикально через стропило в мауэрлат вбивается третий гвоздь.

Скользящее крепление обычно используется при возведении стропильной системы на доме из бруса или бревна. Основанием для опирания стропильных ног в этом случае служит не мауэрлат, а верхний венец сруба. Чтобы избежать деформации крыши при усадке дома, необходимо выполнить узел с определенной степенью свободы для стропильной ноги. Нередко с этой целью используется специальный крепежный элемент из металла – скользящая опора («салазки»). Его верхняя часть представляет собой петлю, которая смещается по направляющей, закрепленной на стропильной ноге, при изменении геометрии сруба.

Используются и другие методы монтажа скользящего узла. В стропильной ноге выполняется запил, балка устанавливается срезом на верхний венец, после чего закрепляется одним из способов:

  • посредством одного вертикально забитого гвоздя;
  • с помощью забитых с двух сторон гвоздей, скрещивающихся в мауэрлате;
  • посредством скобы;
  • выполнив единичную фиксацию стальными крепежными пластинами.

Такой метод крепления оставляет возможность элементам системы смещаться друг относительно друга при изменении геометрии строительных конструкций.

Коньковые соединения

Устройство стропильной системы кровли с двумя скатами подразумевает наличие в верхней части крыши горизонтального ребра, образованного в результате примыкания скатов – конька. Коньковый узел может выполняться несколькими способами, выбор зависит от типа стропильной системы и особенностей самого здания.

Наслонная конструкция подразумевает крепление стропильных ног на коньковый прогон – горизонтальную балку, расположенную на стойках параллельно длинным стенам дома. Верхние концы стропильных ног следует запилить под углом, соответствующим углу наклона скатов. Примыкания срезанных торцов стропил к коньку должны быть максимально плотными. В качестве крепежных элементов используются гвозди. Наслонные стропила применяются, если есть возможность установить на внутренней стене или столбчатых опорах стойки для крепления конькового прогона. Кроме того, стены должны быть оснащены мауэрлатом для опирания стропил.

Сборка стропильной фермы висячего типа требует соединить верхние концы пары стропильных ног. Для этого торец каждого из стропил подрезается под углом, равным углу наклона крыши, балки соединяются плоскостями срезов — требуется обеспечить плотность их примыкания.

Фиксируются при помощи двух гвоздей, забитых под углом в верхние плоскости стропил. Затем с каждой стороны прибивается по деревянной накладке или металлической пластине, которые закрывают место стыка.

Чтобы обеспечить коньку необходимую прочность, может выполняться врубка в полдерева: в этом случае вместо плоскости сопряжения соединения встык, стропила соединяются уступом. Далее сверлится сквозное отверстие под шпильку или болт диаметром 12 или 14 мм, для крепления используются гайки с широкими шайбами.

Если на стене сруба предстоит установить скользящие опоры или создать примыкания (сопряжения стропила с мауэрлатом) с некоторой степенью свободы, коньку следует уделить особое внимание

. Рекомендуется выполнить подвижный узел соединения, чтобы крыша не деформировалась при неравномерной усадке сооружения. С этой целью концы стропил соединяются металлическим пластинчатым шарниром.

Узлы стропильной системы вальмовой крыши

Особенностью вальмовой кровли является форма ее скатов: длинные скаты имеют трапециевидную форму, торцевые скаты (вальмы) – треугольную. Монтаж такой стропильной системы требует установки диагональных (накосных) стропильных ног, которые формируют треугольные скаты. Принцип крепления диагональных стропил в верхней части зависит от особенности конструкций основной части крыши. Она может быть сформирована из стропильных ферм висячего типа, либо представлять собой каркас с коньковым прогоном и наслонными стропилами, прикрепленными к мауэрлату.

Если наслонные стропильные ноги трапециевидных скатов опираются на коньковый брус (прогон), то накосные стропила требуется опереть на консоли конькового прогона. Выпуски консоли за подстропильную раму должны составлять 100-150 мм. Нижней частью диагональные стропильные ноги крепятся к мауэрлату или балке, закрепленной на стене.

Если накосные стропила необходимо опереть на крайнюю висячую ферму, то принцип создания узла крепления зависит от сечения боковых стропильных ног. Шпренгель со стойкой монтируется в случае, если стропильные ноги выполнены из доски. На шпренгель опираются диагональные стропила.

В ситуации, когда для изготовления стропильных ног был использован брус, накосные стропила можно крепить к прибоине — доске толщиной от 5 мм, закрепленной на стропильной ферме.

На накосных стропилах выполняется запил под углом, соответствующим углу наклона вальмового ската, чтобы обеспечить плотное соединение со шпренгелем или прибоиной. Для прочности гвоздевого соединения дополнительно могут применяться хомуты и проволочные скрутки.

Укороченные стропильные ноги (нарожники) верхней частью опираются на накосное стропило, нижней крепятся к мауэрлату на стене.

Узел крепления к диагональной балке может выполняться:

  • методом запила с гвоздевым креплением;
  • посредством гнездового соединения;
  • с помощью крепления брусков сечением 50х50 мм с обеих сторон и по всей длине диагональных стропил и нарожников.

Вспомогательные элементы

Для усиления жесткости и надежности стропильных конструкций нередко требуется установка подкоса, дополнительного прогона или опорных стоек. Прогоны для наслонных стропил позволяют обеспечить стропильной ноге дополнительную точку опоры. Прогон представляет собой горизонтальную балку, закрепленную на вертикальных стойках, расположенную параллельно коньку. Узел крепления выполняется с помощью металлических угловых пластин либо внутреннего металлического стержня и внешней прямой скобы.

Подкосы деревянных стропил позволяют уменьшить пролет стропильных ног (включая накосные стропила). Угол наклона подкоса к горизонтальной плоскости должен составлять не менее 45°. Если стропило изготовлено из бревна или бруса, выполняется врубка подкоса с установкой стального нагеля под углом 90° к площадке примыкания, либо стык снаружи закрывается пластиной.

При необходимости усилить каркас крыши требуется установка подкоса под каждую стойку, на которую опирается наслонное стропило. При этом все подкосы одного ската упираются в общий лежень. Для крепления используются скобы.

Особого внимания требуют подкосы крайних пролетов, на которые воздействует максимальная снеговая и ветровая нагрузка. Узлы крепления при монтаже подкоса к стойке или прогону выполняются с использованием накладок и болтов.

Стропильная система крыши. Виды, узлы и особенности монтажа

Основные элементы стропильной системы

    Названия, принятые в обиходе строителей, имеют специфичную терминологию. А вы знаете что как называется?

  1. Хребты
  2. Примыкания стропильных ног
  3. Проемы в кровле
  4. Ендовы
  5. Коньковый прогон (конек)
  6. Изменение угла наклона крыши
  7. Перпендикулярные примыкания к стропилам
  8. Горизонтальная связка стропил по центру
  9. Горизонтальная связка стропил по низу
  10. Примыкание стропил к стене
  11. Фронтон в плоскости стены
  12. Фронтонный свес
  13. Подрез стропил для подшива карнизов
  14. Карнизный свес
  15. Карниз в плоскости стены
  16. Блок-балки между стропилами
  17. Примыкание стропильной ноги к стене

В этой статье мы будем разбирать каждый из этих терминов, говорить о роли элементов в структурной целостности, а также поговорим о типовых узлах и альтернативных решениях. Будет много полезной информации. А для начнем мы с базовых понятий.

Определение и виды стропильных систем

Стропильная система крыша — это деревянная каркасная конструкция,  которая воспринимает ветровые и снеговые атмосферные нагрузки. Конфигурация крыши наиболее широко варьируется по всей стране. Это связано с тем, что крыша играет самую активную роль из всех частей здания в защите от непогоды, а в России колебания погоды являются экстремальными. Одни крыши защищают в первую очередь от солнечного жара, другие должны укрывать жителей под тоннами снега. 

Выбор уклона крыши

Одна из наиболее очевидных вариаций формы крыши связана с наклоном (или уклоном) крыши. Основными факторами, влияющими на уклон крыши, являются стилистические соображения, тип используемого кровельного материала и желаемое пространство под крышей. Климат также оказывает сильное влияние на уклон крыши.  

В районах со значительным количеством осадков крыши делают с большим уклоном, чтобы “сливать” дождь, в то время как теплый, засушливый климат, как правило, благоприятствует более плоским крышам. Наклон или уклон крыши измеряется как отношение подъема к проекции длины (например, ½ или ¼), либо имеет измерение в градусах. К примеру, говорят, что угол наклона данной крыши — 30 град. 

Форма крыши

Формы крыш, как правило, имеют региональный характер, который  отражает не только климатические изменения, но и исторические влияния. Все формы крыши являются производными от четырех основных форм крыши, показанных ниже: плоская крыша,  односкатная крыша, двускатная крыша и шатровая крыша. 

Рисунок: базовые формы

Практически любая форма может быть выполнена путем объединения  четырех основных форм. Некоторые из этих сложных форм  настолько распространены, что имеют свои собственные названия. Например, двускатная (фронтонная) форма и четырехскатная могут сочетаться, образуя голландский фронтон. Два различных уклона двускатной крыши могут объединяться,  образуя вальмовую крышу. К двускатной крыше можно пристроить мансарду и так далее. Четыре общие комбинации показаны ниже. 

Рисунок: сложные (совмещенные) формы

Типы стропильной системы крыши

Крыши строятся либо из отдельных элементов — стропил (балочные каркасные  крыши), либо из ферм заводского изготовления. Классические системы обычно изготавливаются из бруса или доски, но могут также использоваться композитные  материалы, такие как двутавровые деревянные балки.  Балочные стропильные системы возникли еще до развития  каркасного строительства в 19 веке.  Предшественников современной каркасной стропильной системе можно увидеть на древних крышах по всему миру.   Современная деревянная поэлементная стропильная система остается популярной, потому что это самая удобная с точки зрения монтажа система крыши, а материалы наименее дороги.  Фермы изготавливаются из нескольких небольших элементов  (обычно 2х4 м), соединенных на заводе или в цехе для создания одного длинного конструктивного узла. Только в очень простых зданиях (например, ангарах или производствах) экономия труда при сборке ферменной системы конкурирует с  классической стропильной системы из отдельных элементов. 

Балочная стропильная система

Одно из преимуществ стропил из балок заключается в  том, что пространство внутри конструкции крыши может стать жилым пространством или неэксплуатируемым техническим помещением. Полуэтажные (мансардные) жилые помещения на верхних этажах и настоящие складские чердаки — примеры разнообразия использования. Второе преимущество заключается в том, что сложные крыши значительно экономичней сделать из отдельных элементов, нежели чем из ферм.   

Рисунок: балочная стропильная система

Фермы

Фермы позволяют перекрывать значительно большие пролеты, чем  стропильные системы из обычной доски, оставляя большие открытые пространства под ними  или позволяя перемещать перегородки без учета конструкции крыши выше. Фермы быстро поднимаются вверх при помощи спецтехники, что обычно приводит к экономии временных затрат при монтаже крыши в здания простой формы. Большим недостатком  ферм является то, что ферменную крышу практически невозможно реконструировать, так как фермы никогда не следует резать или иным способом нарушать целостность  готовых элементов. 

Рисунок: ферменная конструкция крыши

В дополнение к выбору высоты, формы и  структуры, рассмотренным выше, многие другие решения вносят свой вклад во внешний вид и форму крыши. К ним относятся выбор обшивки, подстилающего слоя и кровельного материала; форма карнизных и фронтонных выносов; желоба и водосточные трубы; изоляция и вентиляция кровли. Все эти вопросы обсуждаются в данной статье. 

Размеры сечения стропил

Размеры стропил обычно составляют 45х145, 45х195 мм, а  расстояние между ними обычно составляет от 60 см до 100 см. Распространенный шаг 60 см связан с шириной утеплителя. Размер стропил зависит в первую очередь  от пролета, шага, нагрузки на крышу, а иногда и от  требуемой толщины изоляции.  Ниже приведена таблица с соотношением размера стропильных ног и пролетов. 

Длина стропильного элемента, м
Шаг стропил, мм 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
600 45х145 45х145 45х145 45х145 45х175 45х195 45х195
800 45х145 45х175 45х195 45х195 75х195 75х195 75х195

Стропильная система односкатной крыши

Стропильная балочная система может поддерживаться стенами  здания, конструктивной коньковой балкой или прогонами.  Односкатная крыша—самая простая наклонная крыша— имеет стропила, которые простираются от одной стены до другой. Эти стропила должны быть достаточно прочными, чтобы выдержать вес самих балок и последующих конструктивных слоев, а также вес снеговой нагрузки. Стропила также должны быть достаточно высокими, чтобы между ними можно было установить достаточно толстый слой изоляции. Общая нагрузка на крышу переносится на концы стропил, где она опирается на стены. В простом примере на картинке: каждая стена несет часть постоянной и переменной нагрузки на крышу.  

Чертеж: стропильная система односкатной кровли

Двускатная кровля: висячие стропила

Висячая крыша (треугольное сечение, безконьковое)—стропила устанавливаются по парам без опирания на конек. Каждая стропила охватывает только половину  расстояния между двумя стенами (двускатная крыша,  показанная на чертеже, является самым простым вариантом).  Горизонтальные стяжки—потолочные балки или чердачные—  образуют треугольник со стропилами. Потолочные балки обычно расположены на верхней обвязке стен или мауэрлате, но также могут  быть расположены выше, образуя частично сводчатый потолок или полумансарду.  Соединения стропил в верхней точке обычно реализуется при помощи перфоленты или специализированного крепежа. Также часто узел усиливается дополнительными хомутами. Висячие стропила — достаточно слабая с точки зрения восприятия нагрузки схема. Поэтому используется при маленьких пролетах. Утепление осуществляется по горизонтальным стяжкам 

Чертеж: висячая стропильная система

Двускатная кровля с опорой на конек

Горизонтальных связей,  необходимых для двускатной крыши, можно избежать, если стропила прикреплены на коньке к несущей коньковой балке (или стене), что эффективно превращает двускатную крышу в две односкатные крыши, как показано на рисунке ниже.  

Чертеж: двускатная кровля с коньком

Стропильная система с прогонами

Прогоны — это горизонтальные элементы, которые поддерживают  несколько стропил, обычно в середине пролета. Прогоны используются для поддержки большепролетных конструкций или, когда нет возможности применять стропила большого сечения. Смысл прогонов в уменьшении пролета стропил и ,как следствие, увеличении несущей способности всей системы. Сами  прогоны должны опираться на столбы или на несущие стены как показано на рисунке ниже. 

Чертеж: стропильная система с прогонами

Потолочные балки

Потолочные балки очень похожи на балки пола. На самом деле балки  второго этажа двухэтажного здания служат  потолочными балками для нижнего этажа. Потолочные балки отличаются  от балок пола только тогда, когда над балками нет пола  (кроме мансардного этажа).  Потолочные балки имеют такие же размеры, как и балки пола. Пролет  балок зависит от расстояния между ними и от того, будет ли чердак над балками использоваться для хранения. 

Чертеж: узел опирания потолочных балок

Потолочные балки могут функционировать как стяжки, чтобы противостоять горизонтальным усилиям, возникающим на опоре стропил. Для этого важно надежно  прикрепить балки к стропилам и к стенам дома. 

Важно знать

По нижней плоскости потолочных балок часто устраивают дополнительную обрешетку для того чтобы избежать растрескивания чистовой отделки потолков из-за возможных перемещений и деформаций потолочных балок в процессе эксплуатации. 

В месте опирания стропил на стены или несущие балки делается специализированный вырез в стропильной ноге. В американской практике называется “bird’s mouth” — птичий клюв. У нас просто стропила “запиливаются”.  

Узел: устройство запила в стропильной ноге

ЭКСПЕРТНОЕ МНЕНИЕ

Хорошо, если ширина “запила” равна ширине площадки опирания и (или не обшитой стенки, если обшивка будет сделана позже). Минимальная ширина опирания “запила” на стену — 100 мм. 

Узел: устройство блок-балок за опорой

Узел: устройство блок-балок на опоре

Узел примыкания скатов кровли с разными углами наклона

Везде, где угол наклона крыши меняется от пологого  к крутому (как в вальмовой крыше) или от крутого к пологому (как в мансардной крыше), оба конца стропил должны иметь опору. Если изменение уклона происходит над стеной, то сама стена будет обеспечивать опору.  Если изменение  уклона не происходит над стеной, то опора должна быть обеспечена прогонами или балкой  (хребтом).  

Узел примыкания скатов на ендове с опорой

Узел примыкания скатов на ендове без опоры

Узел примыкания скатов на хребте на опоре

Узлы устройства мансардных окон, дымоходов, люков

Обрамление элементов, выступающих через  крышу здания—световые люки, дымоходы и слуховые окна—  начинается с прямоугольного отверстия в стропильной системе.  Для проемов в одной плоскости крыши, обрамленных полностью  общими стропилами, обрамление делается относительно легко.  Отверстие шириной в три стропила или меньше может быть сделано  путем прерывания стропил и удвоения  боковых стропил, как показано ниже. Очевидно, что это более  эффективно, если ширина и расположение проема соответствуют расстоянию между  стропилами. При устройстве больших проемов стропила должны быть проверены расчетами на несущую способность. Отверстия, которые пересекают коньки, хребты и ендовы или изломы при изменении высоты, должны иметь дополнительные точки опирания и должны быть отдельно рассчитаны по нагрузкам. 

Чертеж: обрамление мансардного окна

Обрамление отверстий в большинстве случаев  либо отвесны, либо перпендикулярны стропилам, как показано  на рисунке ниже. Материал обрамления ответных отверстий должен иметь сечение выше, чем стропила. 

Узел: обрамления проема в кровле

Устройство слухового окна в крыше

Мансардные окна часто имеют ширину более трех стропил , поэтому их конструкция должна быть рассчитана по прогибам по 2-му предельному состоянию проектировщиком. Отверстие в крыше должно быть сконструировано таким образом, чтобы выдерживать все нагрузки, налагаемые весом самого слухового окна и снеговой нагрузкой.  Мансардные стены и крыша имеют ту же конструктивную схему, как стены и крыша главного здания. 

Если стены мансарды не простираются ниже  уровня плоскости кровли, то стропильная система на краю проема  должна поддерживать мансарду.  Если слуховое окно имеет боковые стенки, которые простираются до пола,  пол может быть использован для поддержки слухового окна, а  стропила со стороны отверстия могут быть одинарными. 

Ендовы в стропильной системе крыши

Внутренний угол двух пересекающихся плоскостей крыши называется ендовой. В большинстве случаев ендовы — это сдвоенные стропильные ноги, которые опираются на стены и на коньковые балки. Эти ендовы воспринимают большие нагрузки и должны быть отдельно спроектированы. Соединительные стропила поддерживают область между стропилами ендовы и коньковой балкой.

Как показано на рисунках, стропила ендовы могут поддерживаться  сверху коньковой балкой или брусом обрамления. Система поддержки коньковой балкой более практична, когда коньки пересекающихся  крыш находятся близко друг к другу; однако система поддержки брусом обрамления лучше, когда нижний конёк пересекает основную крышу вблизи или ниже центра стропильного пролета.  Там, где не требуется пространство между пересекающимися крышами, можно построить более простую “имитацию кукушки”. Эта кукушка сделана без стропил ендовы. Одна крыша сначала строится полностью из обычных стропил без какого-либо специального обрамления. Затем две направляющие устанавливаются над стропилами или над обшивкой первой крыши, а доборные стропила крепятся к направляющим. 

Чертеж: крепление через ендовую балку

Чертеж: крепление через обрамление

Чертеж: фальш-кукушка

Устройство хребтов крыши

Хребет — это внешний угол, где сходятся две плоскости  крыши. Он состоит из хребтовых стропил в качестве основных несущих элементов на пересечении и доборных стропил от хребта до карниза. Хребты опирается на своем нижнем конце на стену на уровне обвязки (или на столб), а на своем верхнем конце на конек (или на стену).  Большинство вариантов стропильной системы подразумевают, чтобы хребты выступали ниже нижнего края основных стропил. Часто хребтовые балки делают бОльшего сечения, чем основные стропила. Это связано с тем, что хребты воспринимают всю нагрузку от стропил. 

Чертеж: устройство хребтовых балок

Узел примыкания стропил к хребту

Увеличенная высота сечения хребтов не представляет никакой проблемы в чердачном помещении, но если внутренняя поверхность крыши должна быть превращена в финишный потолок, то хребты должны быть в один уровень с основными стропилами, чтобы позволить плоскостям финишного потолка встретиться. В случае, если невозможно выровнять сечения основных стропила и хребтовой балки, то пускают по нижней плоскости стропил дополнительную обрешетку.  

Альтернативные варианты: стропила из деревянных двутавровых балок

Схема: кровля из деревянных двутавровых балок

Прочность, точность изготовления и большая  длина, которые делают деревянные двутавровые балки подходящими для каркаса  пола , также указывают на их возможность использование для  каркаса крыши. Двутавровые балки, используемые в качестве стропил, составляют основную массу  конструкционных пиломатериалов, используемых для стропильной системы; и они более жесткие, прочные и легкие, чем их  твердоспиленные аналоги.  Несмотря на множество преимуществ, инженерные конструкции в качестве каркаса  крыши не получили такого взрывного роста, как  в случае с каркасом перекрытий. Отчасти причина в том, что  крыша, выполненная из балок, требует больших трудозатрат и дополнительных знаний. Большинство узловых решений применяемых для обычных досок, не пригодны для двутавровых балок. Также требуется применение дополнительных вставок и заполнений в связи с формой двутавра. Это добавляет время и  трудозатраты.  

Узел опирания на мауэрлат

Еще одно различие между каркасными крышами из цельного пиломатериала или двутавровых конструкций заключается в том, что i-joists почти всегда требует несущей коньковой балки. Это означает, что нагрузка на крышу должна переноситься вниз к фундаменту через вертикальные несущие элементы -столбы или стены. Соотношение затрат и выгод для каркасных крыш с инженерным балками благоприятствует его использованию только для простых двускатных, четырехскатных, мансардных и шатровых кровель. 

Узел примыканию двутавров к коньковой балке

Однако многие строители нашли способы совместить преимущества как сплошных пиломатериалов (доски и бруса) и деревянных двутавров на одном и том же здании. В этих гибридных крышах двутавры используются для основных форм, а полнотелые пиломатериалы используются для более мелких деталей и более сложных форм. 

Узел обрамления проема в крыше из двутавров

Общие принципы каркаса, применимые к каркасу крыши из цельного пиломатериала, также справедливы для инженерных двутавров. Стоит отметить, что для выполнения проектных работ инженерные элементы кровли из двутавров должны быть установлены полностью в соответствии с инструкциями производителя. 

Автор статьи:

Ивочкин Алексей

Инженер-строитель

Инженер-строитель

Узлы стропильной системы. Металлические стропила для крыши – особенности устройства и монтажа. Стропильная система двухскатной крыши для небольших домов

Стропильная система – каркас крыши дома, который несет на себе и равномерно распределяет вес кровельного пирога, порой доходящий до 500 кг/м2. Надежность этого своеобразного остова зависит от трех факторов: точности расчета, исходя из чего подбирается количество и сечение опорных элементов, материал, из которого он изготавливается, а также от правильности технологии крепления. Зная, как правильно крепить стропила, можно существенно увеличить несущую способность каркаса, сделав его более прочным и надежным. Ошибки в монтаже, напротив, приводят к ощутимым потерям прочности и деформациям крыши. В этой статье мы расскажем об основных видах и способах креплений, с помощью которых можно качественно установить стропила своими руками.

Стропильный каркас крыши дома – система взаимосвязанных опорных элементов из дерев или металла, которые придают конструкции форму, уклон, а также равномерно распределяют ее вес между несущими стенами. Его главным компонентом являются стропильные ноги, представляющие собой установленные под углом балки, которые соединяются попарно вдоль ската, образуя в верхней точке своего соединения конек. Существует две основных разновидности стропил:

  • Наслонные. Наслонными стропилами называют опорные элементы, которые в конструкции крыши имеют две точки опоры – на коньковый прогон и мауэрлат. Стропильная система такого типа используется в сооружениях, имеющих внутри одну или более несущие стены, на которые можно «наслонить» стропила. Такое крепление стропил позволяет разгрузить их за счет использование дополнительных вертикальных опор.
  • Висячие. Висячими называются элементы, которые имеют только одну точку опоры, располагающуюся там, где происходит крепление стропил к стене или мауэрлату. Стропильная система висячего типа испытывает нагрузку не только на изгиб, но и на распирание, поэтому она усиливается горизонтальными компенсирующими элементами (ригелями, затяжками, схватками).

Обратите внимание! В большинстве наиболее популярных стропильных систем осуществляется крепление стропил к мауэрлату. Мауэрлатом называют массивный брус или балку с сечением 150х150 мм или 200х200 мм, укладываемый вдоль несущих стен сооружения, на которые впоследствии будут опираться стропильные ноги. Он смягчает давление на стены дома, а также равномерно распределяет вес кровельного пирога. Прикрепить мауэрлат к верхнему поясу стен можно с помощью анкерных болтов или вмурованных металлических шпилек.

Основные соединительные узлы

Стропильный каркас называют системой, потому что все его элементы тесно взаимосвязаны и зафиксированы, в результате чего конструкция крыши приобретает устойчивую форму, жесткость и высокую несущую способность. Каждый соединительный узел между его частями является уязвимым местом, которое может легко деформироваться под нагрузкой, поэтому все крепления должны выполняться строго по технологии. Опытные мастера выделяют типы соединений в конструкции кровли:

  1. Крепление стропил к коньковому брусу. Этот соединительный узел характерен только для наслонных стропильных систем, в которых верхней частью стропильная нога опирается на коньковый прогон, закрепленный на вертикальных стойках. Крепление стропил к нему может выполняться с помощью металлических накладок, гвоздей или скользящих креплений-ползунов.
  2. Крепление стропил к мауэрлату. Наиболее важным крепежным узлом стропильного каркаса считается место соединения мауэрлатного бруса со стропильными ногами. Зафиксировать стропила на нем можно с помощью гвоздей, металлических уголков или деревянных брусков.
  3. Соединение стропил между собой. Чтобы удлинить стропильные ноги, если длина ската превышает стандартную длину пиломатериалов, их собирают из нескольких элементов, соединенных между собой с помощью гвоздей, клея или металлических накладок.
  4. Соединение стропильных ног с вспомогательными опорными элементами. В конструкции стропильного каркаса стропила могут соединяться с затяжкой, ригелем или подкосами для увеличения жесткости, прочности и несущей способности.

Учтите, что любые запилы, выполняемые, чтобы прикрепить стропила к балкам, мауэрлату или другим конструктивным элементам каркаса приводят к уменьшению их прочности, поэтому опытные мастера рекомендуют соединять их между собой с помощью уголков и накладок.

Способы фиксации

Решая вопрос, как крепить стропила к мауэрлату или коньковому прогону, необходимо правильно подобрать крепежную фурнитуру. Современный строительный рынок располагает огромным ассортиментом разнообразных по конструкции и размеру креплений. Главными критериями выбора крепежа являются материал, использованный для изготовления стропила, их сечение, а также вид нагрузки, которому они подвергаются. Существуют следующие способы крепления стропил:


Опытные мастера считают, что наиболее надежным способом фиксации стропил является использование металлических уголков, которые прочно соединяют деревянные элементы между собой, жестко фиксируя угол между ними. Уголок, перекрывающий стык между стропильной ногой и коньковым брусом или мауэрлатом, служит своеобразным распором между ними.

Разновидности креплений

Дерево — природный материал, который в процессе выравнивания влажности и высыхания дает значительную усадку, из-за чего линейный размеры сооружения изменяются. Именно поэтому опытные мастера рекомендуют возводить крышу для брусовых и бревенчатых домов, спустя год после постройки, когда процесс усадки переходит из активной в пассивную фазу. Если зафиксировать деревянные элементы каркаса жестко, то после высыхания крыша дома может деформироваться. Поэтому для соединения стропил используют следующие виды креплений:


Интересно, что существует несколько вариантов комбинаций подвижных и неподвижных соединительных узлов. Наиболее распространёнными являются стропильные системы с одним жестким и двумя скользящими креплениями, которые обеспечивают достаточную подвижность при высокой прочности и жесткости конструкции.

Виды крепежных элементов

Среди опытных кровельщиков не стихают споры, чем эффективнее выполнять крепление стропил к балкам перекрытия и мауэрлату. Однако, в большинстве случаев загвоздка в том, что в данных условиях практичнее использовать – гвозди или саморезы. Оба эти крепежные элемента обладают своими достоинствами и недостатками:

  • Гвозди хороши тем, что для их забивания необходим только молоток, который есть в каждом хозяйстве. Однако, некоторые мастера сетуют на то, что забивать их вручную слишком долго. Стоит напомнить, что для фиксации стропил используются специальные зазубренные гвозди, которые надежно сцепляются с древесиной.
  • Для сборки стропильного каркаса используют оцинкованные саморезы, которые не боятся коррозии. За счет резьбы они прочно ввинчиваются в толщу древесины, надежно фиксируя элементы между собой. Завинчивать их быстро и удобно с помощью портативного шуруповерта. Минус этого вида крепежа в том, что при демонтаже удалять саморезы из дерева долго и муторно.

Большинство опытных кровельщиков сходятся на том, что для фиксации стропильных ног лучше использовать оцинкованные ершенные гвозди, длина которых на 5-3 мм превосходит толщину пиломатериалов. Правильно подобранные крепежные элементы – залог качественной и долговременной фиксации каркаса крыши, которой будет не страшны ни механические воздействия, ни ветровая нагрузка.

Видео-инструкция

Можно ли выделить какую-то главную деталь в кровле? Вряд ли это получится, так как здесь каждый элемент выполняет свою функцию. Например, стропила – это часть крыши, имеющей скаты, которую можно назвать каркасом. Именно на них будет укладываться кровельный материал, будут крепиться другие элементы. Именно от того, как собрана и установлена стропильная система, будет зависеть и итоговая форма кровли. Но если работы по созданию крыши выполняются самостоятельно, то как крепить стропила? На самом деле, это достаточно сложный этап работ, от которого будет зависеть и прочность, и надежность, и даже геометрическая правильность крыши.

Стропильная система – это каркас крыши со скатами, собранный из непосредственно самих стропильных ног, а также мауэрлата и конькового бруса. Мауэрлат – это опорный брус, который располагается по периметру верхней части стен дома, а коньковый брус устанавливается непосредственно в верхней части кровли в том месте, где происходит соединение двух противоположных стропильных ног под углом.

Проектирование стропильной системы – важная задача, во время которой приходится правильно рассчитывать ветровую и снеговую нагрузки, которые будут приходиться на кровлю, а также учитывать и другие параметры. Первые показатели будут зависеть от того, в каком климатическом регионе будет находиться строящийся объект. Далее на основе полученных данных производится расчет толщины непосредственно стен дома (несущих), а также выбирается качество и тип материала для самой кровли, высчитывается угол наклона ее скатов и другие моменты.

Внимание! Недочеты и ошибки, допущенные при проектировании, могут негативно сказаться на качестве кровли. В ряде случаев они могут привести к быстрому обрушению или разрушению крыши.

В конструкцию стропильной системы могут входить сами стропила, стяжки, которые будут располагаться между ними, прогоны, дополнительные опоры – так называемые подстропильные ноги – и прочие элементы. Собранная стропильная система опирается обычно на тот самый мауэрлат либо на балки перекрытия. Мауэрлат помогает равномерно распределять нагрузку по всему периметру стен. В этом главное отличие данного способа крепления. Если крепить стропильную систему на балки перекрытий, то есть без установки мауэрлата, то основная нагрузка будет приходиться на точки крепления, а не распределяться равномерно по всем стенам.

На заметку! Последний случай – не вариант, если стены сделаны из кирпича, который начнет разрушаться со временем в местах, испытывающих максимальную нагрузку. А вот для деревянного сруба такой способ вполне подойдет.

Таблица. Зависимость сечения стропильных ног от их длины и шага.

Шаг, см / Длина, см 300 350 400 450 500 550 600
60 4х15 4х17,5 5х15 5х15 5х17,5 5х20 5х20
90 5х15 5х17,5 5х20 7,5х17,5 7,5х17,5 7,5х20 7,5х20
110 7,5х12,5 7,5х15 7,5х17,5 7,5х17,5 7,5х20 7,5х20 10х20
140 7,5х15 7,5х17,5 7,5х20 7,5х20 7,5х20 10х20 10х20
175 10х15 7,5х20 7,5х20 10х20 10х20 10х25 10х25
215 10х15 10х17,5 10х20 10х20 10х25 10х25

Кровельная система представляет собой часть устройства крыши с наружной стороны, которая поддерживается несущей конструкцией. В ее состав входит обрешетка и стропильная система. Треугольник, лежащий в основе данной системы, должен являться жестким и наиболее экономичным конструктивным элементом, который содержит узлы крепления стропил кровли.

Главные характеристики узлов стропильной системы

Основные узлы крепления стропильной системы кровли показаны на рис. 1. Они подразумевают наличие стропильной ноги (мауэрлата – 1), стропильной ноги (конькового прогона – 2), стойки (затяжки – 3). Конструкция стропильной системы – это основной несущий элемент кровли.

Все узлы крепления кровли должны иметь достаточную прочность, это должно исключать значительную степень риска, связанного с обрушением кровли. Последствия допущенной ошибки при соединении элементов могут оказаться самыми непредсказуемыми.

Рисунок 1. Основные узлы крепления стропильной системы кровли: 1 – мауэрлат, 2 – коньковый прогон, 3 – затяжки.

Вначале производят установку стропил на мауэрлате при наличии у строения кирпичных стен. Аналогичные узлы предусматриваются и для блоков из бетона, тогда необходимо создать железобетонный пояс жесткости, а в его конструкцию обязательно вставить шпильки. Их расположение должно быть на расстоянии от 1 до 1,5 м друг от друга, а их диаметр должен составлять более 14 мм. Верх шпилек должен быть оснащен специальной резьбой.

Мауэрлат просверливают, делая отверстия, которые необходимы для крепления элементов на нем. Каждое из отверстий должно иметь размер, совпадающий с диаметром шпильки, а его шаг должен соответствовать расстоянию между шпильками. На каждый выступающий конец шпильки надевают гайку и затягивают ее, за счет чего и обеспечивается прочность соединения мауэрлата и стены. Соединять стропила с мауэрлатом следует так, чтобы не произошло ослабление их несущей способности.

Описание основных крепежных элементов для монтажа стропильной системы

Если в процессе строительства дома было использовано оцилиндрованное бревно либо брус, то создавать армопояс не обязательно. производят на верхнем брусе либо на бревне стенки. С данной целью соединения мауэрлата со стропилами применяют разные способы врубок (врезок).

Каким крепежом крепят металлические стропила:

  1. Пластинами.
  2. Крепежными элементами LK.
  3. Уголками.
  4. Кронштейнами WВ.
  5. Саморезами.
  6. Разновидностями уголка КР.
  7. Стяжками из проволоки.
  8. Монтажной лентой перфорированной ТМ.
  9. Болтами с гайками.
  10. Кронштейнами WВ.

Если при соединении стропил с мауэрлатом применяют кронштейны, то их врезку на стропилах не производят, что способствует укреплению несущей способности. Обычно производят металлические кронштейны, а металл является оцинкованным и имеет размер толщины в 0.2 см. Кронштейны укрепляют гвоздями, анкерными болтами или шурупами.

Применять крепежный элемент LK можно, создавая узлы крепления не только стропил с мауэрлатом, но и других различных элементов, составляющих конструкции кровли. Крепежный элемент LK укрепляется к древесине, как и кронштейны, при этом исключение будет составлять использование анкерных видов болтов.

Монтажная перфорированная лента позволяет усилить соединительные узлы при возведении кровельных систем. Ее применяют не только с целью создания более прочных узлов, но и для укрепления элементов для дополнительного применения с целью придания жесткости либо прочности системе в целом. Крепят перфорированную монтажную ленту шурупами или гвоздями, поэтому используется она с целью усиления конструкции системы стропил любой кровли, целостность которой не будет нарушаться.

С использованием уголков КР и их различных модификаций узлы крепления усиливают, чтобы они могли эффективно участвовать при соединении мауэрлата и стропил. Обеспечение соответствующей прочности узлам кровли допустимо при использовании уголков, что позволяет повысить несущие характеристики кровельной конструкции.

Использование соединительных элементов из металла не связано с врезкой уголков в систему кровли. Это не будет являться причиной понижения несущей способности кровельной системы. Применять уголки для соединения можно с применением шурупов либо гвоздей, выступы которых напоминают ерша.

Как соединяют узлы в коньковой части?

Существует три основных типа крепления в коньковых частях кровельной системы:

  1. Соединение встык.
  2. Крепление на основе конькового прогона.
  3. Коньковый стык внахлест.

С целью крепления первым способом обрезают коньковую часть с верхнего края под углом, который является одинаковым с углом ската крыши. Затем его упирают в необходимое стропило, которое должно быть тоже обрезано под углом, но с противоположной стороны кровли. Для обрезки углов иногда используют специальный шаблон.

Гвозди для соединения стропил под коньком должны быть размером 150 мм и больше, их понадобится две штуки. Каждый гвоздь забивается в стропила в их верхней части под соответствующим углом. Острый конец прибитого гвоздя обычно входит в срез стропила с противоположных сторон. Укрепления конькового стыка можно добиться путем наложения на него пластины из металла сбоку либо деревянной накладки так, чтобы достаточно было притянуть ее с помощью болтов либо гвоздей.

Соединение вторым способом, то есть через коньковый прогон, связано с укреплением стропил на коньковом брусе. Прогон представляет собой одну из дополнительных опорных балок или брусов, который является подпоркой стропил. Он располагается параллельно коньку или мауэрлату. Способ отличается от предыдущего тем, что между стропилами, которые спилены под углом, укладывается коньковая балка, что является трудоемким процессом, поэтому данный способ используется реже.

Более распространен способ, который схож с первым, но отличается он тем, что крепление производится внахлест, а метод стыка не применяется. Стропила должны при этом соприкасаться торцами, а не боковыми поверхностями. Стянуть стропила следует болтом или шпилькой, гвоздями. Это соединение применяется многими мастерами на практике.

В целом устанавливать стропила на мауэрлате можно путем создания конструкций кровельных стропильных систем, которые являются распорными либо безраспорными. Это определяет выбор соответствующего способа соединения мауэрлата и стропил, которые можно аналогично укрепить к коньку.

Основные недочеты при монтаже узлов крепления стропильной системы

Проблема выбора способа крепления стропильной системы к конструкции строения является очень важной при создании узлов крепления. Зачастую при создании узлов мауэрлат служит опорой для стропил. Крепление мауэрлатного бруса осуществляется “намертво” с помощью анкерных болтов к армированному поясу жесткости.

Возможным недочетом является незаанкерованный пояс жесткости, что может привести к опрокидыванию мауэрлатного бруса и нарушению устойчивости кровельной стропильной системы. Происходит расшатывание крыши, а кровля при этом сползает. Из-за ошибочного размещения анкерных болтов или неправильно выполненных отверстий крепление является уже неэффективным.

Если гайки навинчивают с перетягом на болты, то узел крепления становится непрочным и подвергается скорому разрушению. Для создания узла крепления при этом иногда применяется проволочная скрутка.

При строительстве стропильной системы следует соблюдать безопасность соединений.

Например, если стропильная конструкция совмещается с перекрытием без учета несущей способности перекрытия чердака, то это является наиболее опасным моментом, который может повлечь разрушение постройки.

Если затяжку меняют на сборную железобетонную балку перекрытия, предназначенную на изгиб, то использование сборных железобетонных балок должно быть эффективным за счет их жесткого закрепления в армированном поясе жесткости перекрытия, который устроен с использованием арматурного каркаса. Его ось должна идти в одном направлении с действующими силами.

Вместе с тем наличие недочетов в процессе создания стропильной системы, которая является несущей деревянной конструкцией перекрытия, зачастую возникает по причине недопонимания функций, выполняемых затяжкой и ригелем во всей кровельной системе. Затяжка отличается от ригеля тем, что она представляет собой продольную, а ригель – поперечную балку.

Строительство стропильной системы связано с созданием распорной системы, работающей по принципу расхождения внизу плоскостей, что происходит под влиянием не только их собственного веса, но и нагрузки, которая приходится на линию пересечения плоскостей, чему должна препятствовать поперечная балка, то есть затяжка.

Приступая к устройству крыши, следует выяснить все моменты, связанные с допущением определенных ошибок, возникающих при выполнении работ по устройству стропильной системы. Устройство кровли дома связано с возможными трудностями и недочетами, не позволяющими достичь поставленной цели.

Проектируя любое жилое строение, архитекторы особое внимание уделяют крыше, так как она выполняет не одну, а сразу несколько функций, в зависимости от ее конструктивных особенностей. Нужно сказать, что далеко не всех будущих домовладельцев удовлетворяет обычная двухскатная крыша, хотя ее можно назвать самой надежной, так как она имеет всего две скатные плоскости и один стык между ними. Многих привлекают более сложные конструкции, которые добавляют строению особую привлекательность и оригинальность. Другие, более практичные домовладельцы, предпочитают мансардные конструкции, которые одновременно способны выполнять роль кровли и второго этажа.

Основой любой крыши является индивидуальная стропильная система, имеющая свои конструктивные особенности. Сделать выбор нужного каркаса крыши будет значительно проще, если заранее разобраться какие же виды и схемы стропильных систем используются в строительной практике. После получения подобной информации станет более понятно, насколько сложны такие конструкции в монтаже. Особенно это важно знать, если каркас для крыши предполагается возводить самостоятельно.

Основные функциональные задачи стропильных систем

При обустройстве скатных конструкций крыш, стропильная система является каркасом для покрытия и для удержания материалов «кровельного пирога». При грамотном монтаже каркасной конструкции будут создаваться необходимые условия для правильной и неутепленных типов кровель, защищающих стены и внутреннее пространство дома от различных атмосферных воздействий.


Кровельная конструкция также всегда является завершающим архитектурным элементом экстерьерного оформления строения, своим видом поддерживая его стилистическое направление. Тем не менее, конструктивные особенности стропильных систем в первую очередь должны соответствовать требованиям прочности и надежности, которым должна соответствовать крыша, и лишь затем уже – эстетическим критериям.

Каркас стропильной системы формирует конфигурацию и угол наклона крыши. Эти параметры во многом зависят от природных факторов, характерных для конкретного региона, а также от желания и возможностей домовладельца:

  • Количество осадков в разные периоды года.
  • Направление и средняя скорость ветра в местности, где будет возводиться постройка.
  • Планы по применению пространства под крышей – обустройства в нем жилых или нежилых помещений, или же использования его лишь в качестве воздушной прослойки для термоизоляции расположенных ниже помещений.
  • Разновидность планируемого материала кровельного покрытия.
  • Финансовые возможности домовладельца.

Атмосферные осадки и сила потоков ветра дают весьма чувствительную нагрузку на строение кровли. Например, в регионах с обильными снегопадами не стоит выбирать стропильную систему с небольшим углом наклона скатов, так как снеговые массы будут задерживаться на их поверхности, что может привести к деформации каркаса или кровельного покрытия или к протеканиям.

Если же местность, где будет производиться стройка, славится своими ветрами, то лучше выбирать конструкцию с небольшим уклоном ската, чтобы случающиеся резкие порывы не сорвали отдельных элементов крыши и кровли.

Основные элементы конструкции крыши
Детали и узлы стропильных систем

В зависимости от выбранного вида стропильной системы, используемые элементы конструкции могут значительно разниться, однако, существуют детали, которые присутствуют и в простых, и в сложных системах крыш.


К основным элементам стропильной системы скатной крыши относятся:

  • Стропильные ноги, формирующие скаты кровли.
  • — деревянный брус, закрепляемый на стенах дома и служащий для фиксации на нем нижней части стропильных ног.
  • Конек — это стык каркасов двух скатов. Он обычно является самой высокой горизонтальной линией крыши и служит опорой, на которой закрепляются стропила. Конек может быть сформирован стропилами, скрепленными между собой под определенным углом или же зафиксированными на коньковой доске (прогоне).
  • Обрешетка — это рейки или брус, монтируемые на стропила с определенным шагом и служащие основой для настила выбранного кровельного материала.
  • Подпорные элементы, куда можно отнеси лежни, прогоны, стойки, подкосы, стяжки и другие детали, служат для повышения жесткости стропильных ног, поддержки конька, связывания отдельных деталей в общую конструкцию.

Кроме упомянутых деталей конструкции, в нее могут быть включены и другие элементы, функции которых направлены на упрочнение системы и оптимальное распределение нагрузок крыши на стены строения.

Стропильная система подразделяется по нескольким категориям в зависимости от разных особенностей своей конструкции.

Чердачное пространство

Прежде чем перейти к рассмотрению разных видов крыш, стоит разобраться, каким может быть чердачное пространство, так как многие собственники с успехом используют его в качестве хозяйственных и полноценных жилых помещений.


Конструкцию скатных крыш можно разделить на бесчердачные и чердачные. Первый вариант называется именно так оттого, что пространство под крышей имеет небольшую высоту и используется только в качестве утепляющей сверху помещения здания воздушной прослойки. К таким системам обычно относится или же имеющая несколько скатов, но расположенных под очень незначительным углом.

Чердачная конструкция, имеющая достаточно большую высоту конька, может использоваться по-разному, быть утепленной и неутепленной. К таким вариантам можно отнести мансардный или же двухскатный вариант. Если выбирается кровля с высоким коньком, то в обязательном порядке необходимо учитывать ветровые нагрузки в регионе, где выстроен дом.

Уклон скатов

Чтобы определить оптимальный наклон скатов крыши будущего жилого строения, в первую очередь нужно присмотреться к уже выстроенным малоэтажным соседским домам. Если они стоят уже не один год и стойко выдерживают ветровые нагрузки, то их конструкцию смело можно брать за основу. В том же случае, когда владельцами поставлена цель создать эксклюзивный оригинальный проект, непохожий на стоящие рядом постройки, необходимо ознакомиться с конструктивными и эксплуатационными особенностями различных стропильных систем и произвести соответствующие расчеты.


Следует учитывать, что от того, насколько велик уклон скатов крыши, зависит изменение касательных и нормальных значений силы ветра — чем круче угол наклона, тем большее значение имеют нормальные силы и меньше касательные. Если крыша пологая, то на конструкцию больше влияет касательная нагрузка ветра, так как увеличивается подъемная сила с подветренной стороны и уменьшается с наветренной.


Зимняя снеговая нагрузка тоже должна быть учтена при проектировании кровли. Обычно этот фактор рассматривается в комплексе с ветровой нагрузкой, так как с наветренной стороны снеговая нагрузка будет гораздо ниже, чем с подветренного ската. Кроме этого, на скатах существуют места, где обязательно будет собираться снег, давая большую нагрузку на эту область, поэтому ее следует укрепить дополнительными стропилами.

Уклон скатов крыш может варьироваться от 10 до 60 градусов, и он должен быть выбран не только с учетом консолидированной внешней нагрузки, но и в зависимости от кровельного покрытия, которое планируется использовать. Этот фактор учитывается потому, что кровельные материалы различаются по своей массе, для их закрепления требуется различное количество элементов стропильной системы, а значит, будет разниться и нагрузка на стены дома, и насколько она будет большой, тоже зависит от угла уклона крыши. Немаловажное значение имеют и особенности каждого покрытия по сопротивляемости проникновению влаги – многим кровельным материалам в любом случае необходимо тот или иной уклон для обеспечения свободного схода ливневой воды или тающего снега. Кроме этого, выбирая уклон крыши, нужно заранее продумать то, как будет осуществляться процесс очистки и ремонтных работ на кровле.

Планируя тот или иной угол скатов крыши нужно знать, чем меньше стыков между листами покрытия, и чем они герметичнее, тем меньше можно делать уклон ската, конечно, если не предполагается устроить в чердачном пространстве жилое или хозяйственное помещение.

Если же для покрытия кровли используется материал, состоящий из небольших элементов, например, керамическая черепица, то уклон скатов нужно делать достаточно крутым, чтобы вода никогда не задерживалась на поверхности.

Учитывая вес кровельного материала, нужно знать – чем тяжелее покрытие, тем угол скатов должен быть больше, так как в этом случае нагрузка правильно распределится на стропильную систему и несущие стены.

Для покрытия крыши могут быть использованы следующие материалы: или профильный лист, оцинкованная сталь, волнистые асбестобетонные и битумно-волокнистые листы, цементная и керамическая черепица, рубероид, мягкая кровля и другие кровельные материалы. Ниже на иллюстрации показаны допустимые углы крутизны скатов для различных типов кровельных покрытий.


Базовые конструкции стропильных систем

В первую очередь стоит рассмотреть базовые виды стропильных систем относительно расположения стен дома, которые применяются во всех конструкциях крыш. Базовые варианты разделяют на наслонную, висячую, а также комбинированную, то есть включающую в свою конструкцию элементы и первого, и второго типа систем.

крепления для стропил

Наслонная система

В постройках, где предусмотрены внутренние несущие стены, чаще устанавливается наслонная стропильная система. Монтировать ее гораздо проще, чем висячую, так как внутренние несущие стены обеспечивают для ее элементов надежную опору, а кроме того, для этой конструкции потребуется меньшее количество материалов.


Для стропил в этой системе определяющей опорной точкой является коньковая доска, на которой они и закрепляются. Безраспорный вид наслонной системы может быть обустроен в трех вариантах:

  • В первом варианте верхняя сторона стропил фиксируется на коньковой опоре, называемой скользящей, а нижняя их сторона закрепляется путем врубки к мауэрлату. Дополнительно стропила в нижней части фиксируется к стене с помощью проволоки или скоб.

  • Во втором случае стропила в верхней части подрезаются под определенным углом и соединяются между собой при помощи специальных металлических пластин.

Нижний же край стропильных ног крепится к мауэрлату подвижными креплениями.


  • В третьем варианте стропила жестко скрепляются в верхней части брусками или обработанными досками, расположенными горизонтально, параллельно друг другу с обеих сторон соединенных под углом стропил, а между ними защемляется коньковый прогон.

В нижней части для закрепления стропил, так же, как и в предыдущем случае, применяются скользящие крепления.

Необходимо пояснить, почему для фиксации стропил на мауэрлате часто используются именно скользящие крепления. Дело в том, что они способны избавить несущие стены от излишнего напряжения, так как стропила не зафиксированы жестко, и при усадке строения они имеют возможность сдвигаться, не деформируя при этом общей конструкции кровельной системы.

Этот вид крепления применяется только в наслонных системах, что также отличает их от висячего варианта.

Однако в некоторых случаях для наслонных стропил применяют распорную систему, в которой нижний конец стропил жестко фиксируется к мауэрлату, а чтобы снять нагрузку со стен в конструкцию встраиваются затяжки и подкосы. Этот вариант и называется комплексным, так как включает в себя элементы наслонной и висячей системы.

Стропила из досок узлы. Какими способами создаются узлы крепления стропильной системы кровли? Цены на металлические уголки

Стропила и обрешетка – каркас крыши, который несет на себе всю тяжесть кровельного пирога, термоизоляции, снеговую нагрузку, поэтому они должны обладать высокой несущей способностью, прочностью. Идея использовать металлические стропила, чтобы конструкция кровли получилась более жесткой, не нова, но ранее она применялась в основном для перекрытия промышленных или хозяйственных сооружений. Сейчас стропильный каркас и обрешетка из металлопрофиля считаются реальной альтернативой деревянным элементам крыши, если длина ската превышает 10 метров.

Конструкция стропильного каркаса крыши состоит из множества взаимосвязанных элементов, которые образуют фермы. Шаг, величину сечения между стропилами и другими опорами определяет расчет нагрузок, которым они подвергаются в процессе эксплуатации. Кровельный каркас выполняет следующие функции:

  1. Распределение нагрузки. Взаимосвязанные узлы, усиленные уголками, равномерно распределяют вес кровли, который может достигать с учетом снеговой нагрузки до 500-600 кг. Чем больше сечение стропил и меньше шаг между ними, тем большую несущую способность имеет конструкция.
  2. Придание уклона и формы. Стропила, расположенные под углом к основанию крыши, формируют наклонную плоскость скатов, благодаря чему на поверхности кровли не скапливается снег и вода.
  3. Формирование основания для фиксации кровельного материала. Крепление финишного покрытия кровельного пирога происходит к каркасу кровли. Обрешетка выступает как основа для фиксации покрытия, распределяющая его вес равномерно по стропильным балкам.

Обратите внимание! Какими должны быть все узлы, стропила и обрешетка кровельной конструкции определяет инженерный расчет. Чтобы определить необходимую несущую способность каркаса, необходимо вычислить суммарную нагрузку, которой он будет подвергаться. Для этого складывают вес кровельного материала, утеплителя, гидроизоляции, максимальную снеговую нагрузку с весом стропильной системы.

Виды стропильных систем

Наиболее распространённым материалом, из которого изготавливается обрешетка и стропила каркаса кровли, считается древесина. Однако, если вес кровельного материала достаточно велик, а длина ската больше 6 метров, то конструкция получается слишком массивной. Строителям приходится уменьшать шаг между стропильными ногами, увеличивать их сечение, из-за чего узлы кровли приобретают большой вес, увеличивая нагрузку на фундамент. Разгрузить несущие стены и основание постройки можно, используя более прочные, но легкие металлические стропила. По типу использованного материала выделяют следующие типы стропильных систем:

  • Деревянные. Стропила и обрешетка из дерева применяются для возведения крыш, длина ската которых не превышает 7-10 метров. Крепление элементов каркаса между собой происходит с помощью саморезов, гвоздей или подвижных металлических элементов. Шаг между ногами обычно бывает в пределах 50-80 см.
  • Металлические. Металлические кровельные каркасы изготавливают из стального металлопрофиля с цинковым покрытием, который не боится влаги. Стропила и обрешетка из этого материала легкие, прочные, поэтому шаг между ними можно увеличить до 1,5-2 метра. Крепление металлопрофиля выполняют при помощи сварки или крепежных элементов. Металлические узлы крыши применяют при длине ската от 10 метров.
  • Комбинированные. Стропильный каркас, сочетающий металлические и деревянные узлы, называют комбинированным. Сочетание опорных элементов из дерева и оцинкованной стали позволяет сделать более дешевую конструкцию, обладающую высокой несущей способностью, увеличив шаг между стропилами.

Учтите, что металлические и деревянные элементы каркаса нельзя соединять между собой без прокладки из гидроизоляционного материала или обработки антисептическим препаратом. Так как металл обладает высокой теплопроводностью, его соседство с деревом приводит к образованию конденсата и загниванию стропил.

Методы крепления

Металлические стропила собирают в фермы треугольной, трапециевидной или арочной формы. К балкам рамы прикрепляют внутренние ребра жесткости, которые образуют уголки, значительно увеличивающие несущую способность каркаса. Такая система позволяет сделать шаг между стропилами больше, сделав расчет на опорные возможности каждой фермы. Крепление металлических элементов каркаса крыши выполняют одним из следующих методов:

  1. Крепление с помощью сварки. Если сварить детали стропильной системы с помощью сварочного аппарата, можно получить жесткую конструкцию, обладающую высокой прочностью и несущей способностью. Если правильно выполнить расчет кровли, можно облегчить каркас и снизить нагрузку на фундамент сооружения. Недостаток этого метода в том, что выполнить сварку может только профессионал с помощью специального оборудования.
  2. Крепление с помощью болтов. Фиксация стропил с помощью крепежных элементов позволяет выполнить менее жесткое крепление. Этот способ сборки стропильного каркаса на основе металлопрофиля используется в частном домостроении, где длина скатов не превышает 10 метров. Отказ от сварки позволяет ускорить монтаж крыши.

Опытные мастера делают расчет на то, что и стропила могут выдержать больший вес, чем деревянные, поэтому можно увеличить шаг между ними и уменьшить толщину сечения элементов. Более того, в строительных магазинах продаются готовые стропильные фермы, крепление которых выполнялось методом сварки, пригодные для перекрытия построек стандартной ширины.

Преимущества

Металлический стропильный каркас используют для возведения крыш любой формы, любой скатности с уклоном от 1-2 градусов. В качестве материала, из которого изготавливаются стропила и обрешетка, используются стальные уголки, трубы круглого и прямоугольного сечения, тавры. Чтобы правильно подобрать толщину элементов каркаса и выбрать шаг между ними, выполняют расчет конструкции крыши, учитывающий постоянные и временные нагрузки, которые передаются стропильным балкам в процессе эксплуатации. Достоинствами стропильной системы из этого материала считают:

  • Пожарная безопасность. В отличии от деревянных, металлическим балкам каркаса не страны возгорания, что повышает пожаробезопасность здания.
  • Простота обслуживания. Цинковое гальваническое покрытие, которым покрывают стальные уголки, защищает каркас крыши от коррозии в течении всего срока службы. Им, в отличии от деревянных, не требуется ежегодная обработка антисептиком.
  • Безотходность. Хотя металлические конструкции обходятся достаточно дорого, оно считается экономически выгодным, так как крепление выполняется сварным методом, а отходов практически не остается.
  • Долгий срок службы. Если правильно выполнить расчет нагрузок, то кровельный каркас из металла прослужит более 100 лет, что превышает срок эксплуатации даже самых устойчивых кровельных покрытий.

Профессиональные кровельщики считают, что целесообразно использовать сварные металлоконструкции для изготовления стропильного каркаса крыши при длине ската от 10-12 метров. При этом главная задача – правильно выполнить расчет нагрузок, а затем определить шаг между ногами в соответствии с климатическими характеристиками и свойствами кровельного материала.

Недостатки

Несмотря на очевидные достоинства, металлические стропильные системы – не самое популярное конструктивное решение в частном домостроении. Даже большой шаг между стропилами и разреженная обрешетка при высокой стоимости метала не могут сделать конструкцию дешевле деревянной. Недостатками металлических стропил считают:

  1. Высокая теплопроводность. Металл обладает высоким коэффициентом теплопроводности, поэтому стропила и образуют мостики холодна. С точки зрения энергоэффектвности, каркас из металлопрофиля – не лучшее решение.
  2. Проблематичность транспортировки и монтажа. Выбирая металлическую стропильную систему, принимайте в расчет, что перевозить, поднимать на высоту и осуществлять крепление длинных и тяжелых элементов сложнее, чем стропила пиломатериалов стандартной длины.
  3. Сложность монтажа. Для подъема на высоту и фиксации ферм используется специальная техника, аренда или покупка которой обходится дорого.
  4. Деформация под действием высокой температуры. Хотя металл считают негорючим материалов, во время пожара он сильно деформируется, что обычно приводит к обрушению кровли.

Чтобы определить имеет ли смысл использовать более дорогие стропильные элементы из металлопрофиля, нужно выполнить расчет каркаса крыши. Если длина ската превышает 10 метров, а нагрузка более 450-600 кг, то монтаж металлического каркаса экономически целесообразен.

Видео-инструкция

В любом здании основные элементы, на которые выпадает максимальная нагрузка — это фундамент, стены и крыша. Качество монтажа кровли во многом зависит от того, правильно или нет, выполнено устройство стропильной системы . Если узлы крепления стропильной системы не отвечают определенным требованиям, то такая крыша не прослужит даже минимального эксплуатационного срока без ремонтных работ.

Требования к стропильной системе


Стропильная система любой кровли должна соответствовать таким важным требованиям, как:

  • Максимальная жесткость. Любой узел каркаса должен выдерживать нагрузки, не подвергаясь при этом деформации или смещению. Получаемый при обустройстве стропильной системы треугольник должен обеспечивать жесткость конструкции, и ее максимальную устойчивость;
  • Оптимальный вес. В зависимости от кровельного материала выбирают материал, используемый для стропил. Обычно выбирают деревянный брус, но для тяжелых крыш может быть использован и металл.

    Важно! Чтобы предотвратить повреждение стропил, их гниение и образование грибка на древесине, ее обрабатывают антисептиком, а металлические конструкции — антикоррозионными составами.

  • Высокое качество используемых материалов. Древесина, используемая в качестве стропильных ног должна не иметь трещин и сколов.

Разновидности стропильных систем


Крыша может быть обустроена одним из видов стропильной системы, которых существует всего два:

  • Висячие стропила;
  • Наслонные стропила.

Висячая стропильная система



Такая система оптимальна в случае двускатной кровли, когда величина пролета между стенами составляет не более 6-ти метров, но при установке дополнительных элементов применима и для более широких вариантов проемов. Нижней основой для опоры служит мауэрлат, верхняя же часть конструкции упирается друг в друга. Такая конструкция содержит и затяжку — необходимую для снятия нагрузки со стен, за счет уменьшения распора стропил. Балочные затяжки устанавливаются снизу стропильных ног и могут выполнять функции балок перекрытия.

Внимание! Роль затяжки необязательно может выполнять деревянный брус, им может стать и перекрытие из железобетонных конструкций , которым в некоторых домах оборудуется верхний этаж.

Если затяжка расположена выше нижней части стропильной системы, то она называется ригелем. К важным моментам обустройства стропильной системы такого типа можно отнести:

  • Не следует допускать, чтобы кровельный свес опирался на нижнюю часть стропильных ног, которые выводятся за пределы стенки. В такой ситуации лучше всего использовать кобылку (ширина свеса при этом устанавливается в пределах одного метра). При таком обустройстве стропило будет опираться на мауэрлат. Сечение бруса для кобылки выбирается меньшим, чем для стропил;
  • Чтобы придать крыше дополнительной жесткости, и не допустить ее шатания и разрушения сильными порывами ветра, на скате прибивается ветровая доска, к мауэрлату от конька;
  • При влажности материала, используемого для обустройства стропильной системы более 18%, следует предусмотреть шаткость, которую будет вызывать постепенное высыхания древесины. Именно поэтому крепеж должен осуществляться болтами или винтами, а не гвоздями.

Наслонная стропильная система



Такое обустройство применимо для кровель с расстояниями между стен от 10 метров (максимум 16 метров). Уклон может быть выполнен под любым углом, а внутри здания находятся несущие стены или поддерживающие колонны. Сверху для стропил основной опорой служит коньковый прогон, а снизу эту функцию выполняет мауэрлат. Поддержку внутреннего прогона осуществляет или внутренняя стена, или стойки. За счет наличия только вертикального типа нагрузок, отпадает необходимость в монтаже затяжки.

При 16-ти метровом пролете замена прогона конька выполняется двумя боковыми конструкциями, опорой для которых будут служить стойки.

Важно! Отсутствие изгибов стропильных ног обеспечивается такими узлами, как подкосы и ригели.

Особое внимание на обустройство крыши с использованием стропильной системы наслонного типа следует обратить на такие нюансы:

Особенности расчетов стропильной системы двускатной крыши показаны в видео:

Основные узлы стропильных систем


К основным узлам стропильной системы кровли можно отнести:

  • Стропила. Они выполняют функцию скелета, оказывая поддержку внутренних и внешних элементов крыши, а также служат основой для прокладки коммуникаций;
  • Мауэрлат. Это своеобразный кровельный фундамент, представляющий собой балку, на которую устанавливается вся конструкция. Он выполняет важную функцию — равномерное распределение нагрузки всей конструкции;
  • Прогон. Предназначен для скрепления между собой стропильных ног и может располагаться как сверху, так и сбоку;
  • Затяжка. Служит для фиксации стропил в нижней части конструкции;
  • Подкосы и стойки. Обеспечивают максимально устойчивое расположение стропильных балок;
  • Конек. Место соединения скатов кровли;
  • Кобылки. Это продолжения стропильных ног, которые иногда обустраиваются;
  • Ригель. Необходим для качественной и надежной опоры несущих элементов;
  • Лежень. Поперечный брус, необходимый для распределения нагрузки.

Кроме перечисленных элементов, в конструкцию входят узлы крепления стропильной системы кровли. При их выполнении необходимо обязательно соблюдать определенные правила.

Важно! Выполнять простое крепление основания к перекладине категорически не стоит, так как это может привести к полному разрушению стропильной системы.

Следует использовать такие виды креплений:

  • С упором на конец перекладины ;
  • Зубьями в упор;
  • Зубьями в шип.

Выбирать количество зубьев следует в зависимости от уклона ската, а дополнительная надежность конструкции может быть создана при помощи уголков из металла.

Описание основных крепежных элементов для монтажа стропильной системы

Если в процессе строительства дома было использовано оцилиндрованное бревно либо брус, то создавать армопояс не обязательно. производят на верхнем брусе либо на бревне стенки. С данной целью соединения мауэрлата со стропилами применяют разные способы врубок (врезок).

Каким крепежом крепят металлические стропила:

  1. Пластинами.
  2. Крепежными элементами LK.
  3. Уголками.
  4. Кронштейнами WВ.
  5. Саморезами.
  6. Разновидностями уголка КР.
  7. Стяжками из проволоки.
  8. Монтажной лентой перфорированной ТМ.
  9. Болтами с гайками.
  10. Кронштейнами WВ.

Если при соединении стропил с мауэрлатом применяют кронштейны, то их врезку на стропилах не производят, что способствует укреплению несущей способности. Обычно производят металлические кронштейны, а металл является оцинкованным и имеет размер толщины в 0.2 см. Кронштейны укрепляют гвоздями, анкерными болтами или шурупами.

Применять крепежный элемент LK можно, создавая узлы крепления не только стропил с мауэрлатом, но и других различных элементов, составляющих конструкции кровли. Крепежный элемент LK укрепляется к древесине, как и кронштейны, при этом исключение будет составлять использование анкерных видов болтов.

Монтажная перфорированная лента позволяет усилить соединительные узлы при возведении кровельных систем. Ее применяют не только с целью создания более прочных узлов, но и для укрепления элементов для дополнительного применения с целью придания жесткости либо прочности системе в целом. Крепят перфорированную монтажную ленту шурупами или гвоздями, поэтому используется она с целью усиления конструкции системы стропил любой кровли, целостность которой не будет нарушаться.

С использованием уголков КР и их различных модификаций узлы крепления усиливают, чтобы они могли эффективно участвовать при соединении мауэрлата и стропил. Обеспечение соответствующей прочности узлам кровли допустимо при использовании уголков, что позволяет повысить несущие характеристики кровельной конструкции.

Использование соединительных элементов из металла не связано с врезкой уголков в систему кровли. Это не будет являться причиной понижения несущей способности кровельной системы. Применять уголки для соединения можно с применением шурупов либо гвоздей, выступы которых напоминают ерша.

Как соединяют узлы в коньковой части?

Существует три основных типа крепления в коньковых частях кровельной системы:

  1. Соединение встык.
  2. Крепление на основе конькового прогона.
  3. Коньковый стык внахлест.

С целью крепления первым способом обрезают коньковую часть с верхнего края под углом, который является одинаковым с углом ската крыши. Затем его упирают в необходимое стропило, которое должно быть тоже обрезано под углом, но с противоположной стороны кровли. Для обрезки углов иногда используют специальный шаблон.

Гвозди для соединения стропил под коньком должны быть размером 150 мм и больше, их понадобится две штуки. Каждый гвоздь забивается в стропила в их верхней части под соответствующим углом. Острый конец прибитого гвоздя обычно входит в срез стропила с противоположных сторон. Укрепления конькового стыка можно добиться путем наложения на него пластины из металла сбоку либо деревянной накладки так, чтобы достаточно было притянуть ее с помощью болтов либо гвоздей.

Соединение вторым способом, то есть через коньковый прогон, связано с укреплением стропил на коньковом брусе. Прогон представляет собой одну из дополнительных опорных балок или брусов, который является подпоркой стропил. Он располагается параллельно коньку или мауэрлату. Способ отличается от предыдущего тем, что между стропилами, которые спилены под углом, укладывается коньковая балка, что является трудоемким процессом, поэтому данный способ используется реже.

Более распространен способ, который схож с первым, но отличается он тем, что крепление производится внахлест, а метод стыка не применяется. Стропила должны при этом соприкасаться торцами, а не боковыми поверхностями. Стянуть стропила следует болтом или шпилькой, гвоздями. Это соединение применяется многими мастерами на практике.

В целом устанавливать стропила на мауэрлате можно путем создания конструкций кровельных стропильных систем, которые являются распорными либо безраспорными. Это определяет выбор соответствующего способа соединения мауэрлата и стропил, которые можно аналогично укрепить к коньку.

Основные недочеты при монтаже узлов крепления стропильной системы

Проблема выбора способа крепления стропильной системы к конструкции строения является очень важной при создании узлов крепления. Зачастую при создании узлов мауэрлат служит опорой для стропил. Крепление мауэрлатного бруса осуществляется “намертво” с помощью анкерных болтов к армированному поясу жесткости.

Возможным недочетом является незаанкерованный пояс жесткости, что может привести к опрокидыванию мауэрлатного бруса и нарушению устойчивости кровельной стропильной системы. Происходит расшатывание крыши, а кровля при этом сползает. Из-за ошибочного размещения анкерных болтов или неправильно выполненных отверстий крепление является уже неэффективным.

Если гайки навинчивают с перетягом на болты, то узел крепления становится непрочным и подвергается скорому разрушению. Для создания узла крепления при этом иногда применяется проволочная скрутка.

При строительстве стропильной системы следует соблюдать безопасность соединений.

Например, если стропильная конструкция совмещается с перекрытием без учета несущей способности перекрытия чердака, то это является наиболее опасным моментом, который может повлечь разрушение постройки.

Если затяжку меняют на сборную железобетонную балку перекрытия, предназначенную на изгиб, то использование сборных железобетонных балок должно быть эффективным за счет их жесткого закрепления в армированном поясе жесткости перекрытия, который устроен с использованием арматурного каркаса. Его ось должна идти в одном направлении с действующими силами.

Вместе с тем наличие недочетов в процессе создания стропильной системы, которая является несущей деревянной конструкцией перекрытия, зачастую возникает по причине недопонимания функций, выполняемых затяжкой и ригелем во всей кровельной системе. Затяжка отличается от ригеля тем, что она представляет собой продольную, а ригель – поперечную балку.

Строительство стропильной системы связано с созданием распорной системы, работающей по принципу расхождения внизу плоскостей, что происходит под влиянием не только их собственного веса, но и нагрузки, которая приходится на линию пересечения плоскостей, чему должна препятствовать поперечная балка, то есть затяжка.

Приступая к устройству крыши, следует выяснить все моменты, связанные с допущением определенных ошибок, возникающих при выполнении работ по устройству стропильной системы. Устройство кровли дома связано с возможными трудностями и недочетами, не позволяющими достичь поставленной цели.

Мауэрлат является одним из основных элементов кровельной конструкции. К нему осуществляется крепление стропил. От качественного создания стропильной конструкции зависит эксплуатационный период всей крыши.

Основные способы опирания стропил

Существует несколько технологий опирания стропил на мауэрлат. Можно осуществить жесткую фиксацию конструкции. Она не допускает любого смещения стропильной ноги. Для этого следует воспользоваться подшивным брусом, благодаря которому предотвращается соскальзывание стропил в месте опирания, и металлическими уголками, устраняющими любой боковой сдвиг конструкции.

Скользящее соединение стропильной ноги используется в деревянных домах . Причем основным элементом для ее упора выступает верхний венец, а не мауэрлат. Для предотвращения повреждения кровли узел опирания стропил делается максимально свободным. Для этого следует воспользоваться скользящей опорой, которая при усадке сруба подвергается смещению по закрепленной на ноге направляющей.

Скользящий узел опирания может быть выполнен и по иной технологии. В стропилах делается запил, который должен примыкать к верхнему венцу сруба. Для фиксации балок допустимо использование любых крепежных элементов: скоб, гвоздей или стальных пластин.

Крепежи для осуществления монтажных работ

Чтобы качественно соединить узлы стропил с мауэрлатом, вам понадобятся такие материалы и инструменты, как:

  • сухой брус;
  • доски;
  • топор;
  • ножовка;
  • молоток;
  • рулетка;
  • отвес;
  • уровень;
  • шуруповерт;
  • дрель;
  • болгарка.

Особое внимание следует уделить наличию всех крепежных деталей. Фиксация консолей балок происходит с помощью балочных кронштейнов из оцинкованной стали, которые не уменьшают несущей способности конструкции. Кронштейны в балки врезать не нужно.

Нужно купить и перфорированную монтажную ленту, которая усилит узлы мауэрлата. С ее помощью производится прочное соединение всех элементов конструкции. Лента тоже не врезается в балки. Для ее надежной фиксации применяются гвозди и саморезы.

Помимо кронштейнов и перфорированной ленты, для осуществления надежного опирания стропил к мауэрлату следует приобрести:

  • универсальные соединители бруса;
  • крепежи для стропил;
  • закладные опоры;
  • проволоку-катанку;
  • стальные уголки;
  • стоечный крепеж;
  • саморезы;
  • гвозди;
  • скобы;
  • пластины;
  • оцинкованные гвозди;
  • шпильки с шайбами и гайками;
  • анкерные болты.

Создание конька и установка нижней части стропил

Монтажные работы начинаются с коньковой части кровельной конструкции. Осуществить монтаж стропил можно одним из трех способов:

  • встык;
  • на прогон;
  • внахлест.

Соединение конструкции встык предполагает разрезание верхней части стропильной ноги. Делается это под углом, который равняется наклону кровельного ската. На коньке происходит соединение пары ног. Для получения одинакового узла опирания элементов мауэрлата следует воспользоваться готовым шаблоном.

Особенностью фиксации стропил на прогон является наличие коньковой балки. Такой вариант обустройства мауэрлата отличается повышенной надежностью. Но зачастую такая система опирания стропил предусматривает монтаж дополнительных опорных конструкций, что приведет к снижению функциональности чердака. Естественно, что этот способ не подойдет для маленьких крыш.

Технология монтажа стропил внахлест во многом схожа с их установкой на коньковый прогон. Основное отличие – соединение верхней части ног происходит внахлест. Это приводит к прочному соединению конструкции, поскольку шпильки удерживают сразу два элемента.

Соединение нижних концов стропил осуществляется в зависимости от материала возведения стен. При наличии деревянного домостроения опорным элементом может выступать верхняя обвязка стены. Если при строительстве дома использовались пеноблоки (или газобетон), то опирание стропил производится на мауэрлат.

Устройство армированного железобетонного пояса – оптимальное решение в случае применения кладочных строительных материалов . Такая технология не предусматривает создания каких-либо способов фиксации стропильной системы. В качестве крепежных элементов для бруса выступают вертикально расположенные анкерные болты. Главное, чтобы при заливке бетонного раствора шпильки располагались в строго вертикальном положении.

Соединение стропил с балками и мауэрлатом

После фиксации верхней и нижней части стропил их следует закрепить к балкам. Понятно, что можно соединить стропила с балкой просто гвоздями. Но это не является лучшим решением. Такое крепление не будет максимально надежным. Для предотвращения скольжения всех элементов фиксация стропильной конструкции к балкам происходит путем использования соединений “шип” и “зуб”.

При наличии крутого ската крыши (более 35º) применяется технология врубки с помощью одного зуба. В нижней части стропила делается зуб с шипом. Гнезда, создаваемые в балке, должны иметь глубину на уровне 30% от толщины балки. Устройство стропильных соединений осуществляется на расстоянии 0,3-0,4 м от крайней части балки. Это предотвращает появление сколов балок, возникающих в результате большой нагрузки от давления ног.

При обустройстве крыши с наклоном до 35º установка стропил производится путем расширения площади сопряжения основных элементов конструкции. Обычно стропильную ногу перекрывают балкой. С этой целью в стропильной ноге вырезаются отверстия под два зуба:

  • шип с упором;
  • еще один упор.

Глубина врубки при фиксации стропил к балке составляет в пределах 30% толщины балки.

Более качественные соединения можно получить, если воспользоваться болтами или хомутами. Такая технология предполагает применение проволочных петель, с помощью которых производится фиксация узла к анкерным болтам, находящимся в стене строения.

Опирание на мауэрлат является наиболее распространенным вариантом фиксации нижней части стропил. В стропильной ноге делается вырез такого размера, чтобы ее без проблем можно было надеть на мауэрлат. В ином случае при эксплуатации крыши может произойти смещение бруска.

В некоторых случаях мауэрлат должен быть “оснащен” обратной выемкой. Это зависит от породы дерева, из которой изготовлен брус. Если для его производства применялась древесина из лиственных пород, то делается прорезь, которая в комбинации с выемкой стропил создаст замочный элемент. При изготовлении бруса из хвойного дерева вырез не потребуется, так как он приведет к ослаблению конструкции.

Наиболее приемлемым вариантом для мауэрлата является жесткое сопряжение стропильной системы.

Эта технология может быть выполнена одним из двух способов:

  • с помощью подшивных брусков и уголков, сделанных из металла;
  • путем устройства седел на стропилах.

Первый вариант заключается в том, что для размещения стропил на мауэрлат используется опорный брус. Производится жесткое опирание стропильной ноги. Надежная фиксация конструкции осуществляется металлическими уголками. Это предотвращает поперечное смещение конструкции.

Более популярным является второй вариант. Для крепежа используются гвозди, которые направляются друг к другу и забиваются под углом. Два забитых гвоздя скрещиваются. После чего вбивается еще один гвоздь. Третий гвоздь должен располагаться в вертикальном положении. Сделанный узел крепления будет характеризоваться максимальной жесткостью, если осуществить дополнительное крепление с помощью проволоки-катанки.

В начале планировки мансардной кровли подбирается система стропил, выполняющая роль опорной конструкции . Требуемый тип стропильной системы определяется на основе разновидности крыши.

В зависимости от выбранной системы это могут быть деревянные брусья , применяемые как кровельный каркас, сдерживающий составные стройматериалы всей конструкции, или конкретные элементы, которые создают опоры, называющиеся стропильными ногами. Перед началом работ деревянные составляющие пропитываются особыми составами, которые предохраняют крышу от возгорания и гниения. От качества выполнения этой процедуры напрямую зависит долговечность кровли.

Разновидности стропильных систем и устройство их узлов

Стропильная система разделяется на два основных типа: наслонные и. Поскольку узлы соединения в каждой из систем имеют различные характеристики, определенный тип стропил подбирается, исходя из свойств предпочитаемой крыши, включая ее архитектурные особенности.

Основные факторы при выборе нужного типа системы:

  • общая функциональность кровли;
  • сила давления кровельных стройматериалов на конструкцию;
  • распространенность и частота атмосферных осадков на территории, где располагается дом.

У висячего типа стропил отсутствуют опоры, размещающиеся в промежутках. По этой причине возникает усиленный распор, передающийся на стены строения по горизонтали. Чтобы уменьшить этот показатель, в узел опор внедряют затяжной элемент из древесины или металла, предназначенный для объединения стропильных ног. Таким образом, узлы висячих стропил приобретают форму треугольника. Затяжной элемент размещается в основании ног, он выполняет функцию перекладины (чаще всего используется в двускатных конструкциях крыши) и работает на изгиб и сжатие. От высоты затяжного элемента зависит прочность соединения с основанием опор.

Наслонный тип стропил зачастую обустраивается в строениях, где присутствует центральная опорная колонна или несущая стена. Стропила упираются конечностями в боковые стороны постройки, а центральная часть ложится на колонну или другую опору внутри дома. Такой узел конструкции рассчитан на изгибное функционирование. Наслонные опоры создают меньшую нагрузку на составные части постройки, поэтому их монтаж не такой трудоемкий, как в случае с висячими стропилами. Кроме того, он не требует больших материальных расходов.

Существуют также варианты обустройства крыши, совмещающие в себе оба типа стропил. В этом случае каждый тип чередуется, то есть зоны без несущих стен обустраиваются висячими стропилами, а области с необходимыми опорами – наслонными.

Грамотное обустройство стропильной системы

Основным фактором высокой прочности крыши в будущей постройке является грамотное обустройство всех узлов и опорных точек.

В случае наслонных стропил для мансардной кровли предполагается наличие не менее 3 опорных пунктов. Это значение может поменяться, если величина пролета превышает стандартные нормы. Например, если величина пролета не более 10 м, потребуется всего одна добавочная опора.

Узел висячих опор собирается на основе размеров пролета. На малых пролетах затяжной элемент чаще всего заменяется ригелем. При больших размерах пролета затяжные элементы провисают, а опоры идут на изгиб.

Таким образом, узлы висячего типа могут иметь следующие различия относительно размера пролета:

Рисунок 1. Схема устройства мауэрата.

  1. 9 м. Опоры необходимо сдерживать при помощи деревянного бруска, устанавливающегося перпендикулярно чердачному полу. В области основания он укрепляется скобами, а затяжные элементы крепятся специальными хомутами.
  2. 13 м. Крепеж осуществляется с помощью подкосов, которые верхушкой упираются в основание, а нижней частью – в перпендикулярный брус. Интервал между опорами не должен быть больше 5,5 м.
  3. 17 м. Основание необходимо усилить специальными приспособлениями. Для верхушки применяется шпренгельная структура: затяжные элементы прикрепляются к двум деревянным брускам, а между ними монтируется ригель.

Методы крепления узлов

Вне зависимости от того, требуется замена существующей стропильной системы или ее возведение с нуля, необходимо соблюдать определенный свод правил при креплении ее узлов.

Прежде всего, следует избегать простейшего крепежа перекладины и основания опоры, поскольку это может оказать разрушительное влияние на всю кровельную систему.

Рисунок 2. Крепление стропильной ноги к мауэрлату.

Другими словами, от нагрузки, создаваемой стройматериалами или атмосферными осадками, концы опор соскальзывают, и стропильная система повреждается. Это приводит к ее полному обрушению. Для предотвращения такого исхода необходимо повысить надежность этих узлов. Это достигается при помощи следующих видов крепления:

  • зубья в шип;
  • зубья в упор;
  • упор на конец перекладины.

В зависимости от уклона можно использовать один или два зуба. Чтобы повысить надежность соединения, можно создать дополнительный крепеж при помощи уголков из металла.

Узлы крепления кровельной обрешетки

Основными узлами крепления стропильной системы являются:

  • балочный;
  • мауэрлатный;
  • коньковый.

Балочный узел крепления

Рисунок 3. Схема конькового соединения стропильной системы.

В стропильной ноге создаются зубья в шип, а в перекладине вырезается гнездо, которое соответствует вырезанным зубьям. В этом случае гнездо должно занимать не более 30% от всей толщины перекладины.

Если при постройке кровли использовались легковесные материалы, а ее уклон составляет менее 35°, основания опор размещаются так, чтобы область их упора была значительно больше балки. Этого можно достичь, применив врезку с двумя зубьями в 2 шипа, упором (с использованием шипа или без него), а также двумя шипами в замок.

Узлы системы крепятся либо метизами с металлическими уголками, либо древесными брусками, накладками и шипами.

Мауэрлатный узел крепления

Существует 2 технологии мауэрлатного крепежа опор: жесткий и скользящий (рис. 1).

В первом случае между стропилом и мауэрлатом устанавливается прочное соединение без возможности соскальзывания, прогибов и выскакивания. Это достигается при помощи размещения специальных уголков с опорным бруском. Образованный узел нужно скрепить надежной проволокой при помощи метизов. Гвозди забиваются под определенным наклоном сбоку так, чтобы в мауэрлате они находились в перекрещенном состоянии. Последний гвоздь прибивается по вертикали. Данный метод является наиболее популярным.

Во втором случае крепление осуществляется при помощи особого механизма, позволяющего определенному элементу (в данном случае стропило) передвигаться в нужном направлении(рис 2).

Для создания такого соединения потребуется выполнить врезку на опорах, а затем уложить их на мауэрлат. Как и в предыдущем случае, обе части узла закрепляются при помощи двух скрещенных гвоздей и одним вертикальным сверху. К мауэрлату доски закрепляются металлическими скобами. После этого опорное основание выпускается за стену и скрепляется при помощи пластин и салазок. Таким образом, упор идет на мауэрлат, но все составляющие стропильной системы могут передвигаться в допустимых пределах.

Данный метод чаще всего применяется при возведении кровельной системы деревянных построек (бревна, сруб), которым свойственно оседание. Стоит помнить, что при жестком креплении есть вероятность повреждения стен строения.

Коньковый узел крепления

Такой узел может быть создан двумя методами: встык и внахлест (рис. 3).

Первый метод подразумевает собой обрезку верхушки опор под таким же наклоном, что и угол крыши. Их упирают в противоположные опоры, которые также нужно подрезать. Крепление создается при помощи двух гвоздей (150 мм), забиваемых сверху под определенным углом, чтобы они соразмерно располагались внутри каждого стропила. Для повышения надежности швы между опорами скрепляются деревянными накладками или пластинами из металла.

Второй метод является самым популярным. От первого способа его отличает метод стыковки внахлест. При этом опоры соединяются не торцами, а боковыми частями, после чего их закрепляют на болты.

В начале планировки мансардной кровли подбирается система стропил, выполняющая роль опорной конструкции. Требуемый тип стропильной системы определяется на основе разновидности крыши.

В зависимости от выбранной системы это могут быть деревянные брусья, применяемые как кровельный каркас, сдерживающий составные стройматериалы всей конструкции, или конкретные элементы, которые создают опоры, называющиеся стропильными ногами. Перед началом работ деревянные составляющие пропитываются особыми составами, которые предохраняют крышу от возгорания и гниения. От качества выполнения этой процедуры напрямую зависит долговечность кровли.

Разновидности стропильных систем и устройство их узлов

Стропильная система разделяется на два основных типа: наслонные и . Поскольку узлы соединения в каждой из систем имеют различные характеристики, определенный тип стропил подбирается, исходя из свойств предпочитаемой крыши, включая ее архитектурные особенности.

Основные факторы при выборе нужного типа системы:

  • общая функциональность кровли;
  • сила давления кровельных стройматериалов на конструкцию;
  • распространенность и частота атмосферных осадков на территории, где располагается дом.

У висячего типа стропил отсутствуют опоры, размещающиеся в промежутках. По этой причине возникает усиленный распор, передающийся на стены строения по горизонтали. Чтобы уменьшить этот показатель, в узел опор внедряют затяжной элемент из древесины или металла, предназначенный для объединения стропильных ног. Таким образом, узлы висячих стропил приобретают форму треугольника. Затяжной элемент размещается в основании ног, он выполняет функцию перекладины (чаще всего используется в двускатных конструкциях крыши) и работает на изгиб и сжатие. От высоты затяжного элемента зависит прочность соединения с основанием опор.

Наслонный тип стропил зачастую обустраивается в строениях, где присутствует центральная опорная колонна или несущая стена. Стропила упираются конечностями в боковые стороны постройки, а центральная часть ложится на колонну или другую опору внутри дома. Такой узел конструкции рассчитан на изгибное функционирование. Наслонные опоры создают меньшую нагрузку на составные части постройки, поэтому их монтаж не такой трудоемкий, как в случае с висячими стропилами. Кроме того, он не требует больших материальных расходов.

Существуют также варианты обустройства крыши, совмещающие в себе оба типа стропил. В этом случае каждый тип чередуется, то есть зоны без несущих стен обустраиваются висячими стропилами, а области с необходимыми опорами – наслонными.

Грамотное обустройство стропильной системы

Основным фактором высокой прочности крыши в будущей постройке является грамотное обустройство всех узлов и опорных точек.

В случае наслонных стропил для мансардной кровли предполагается наличие не менее 3 опорных пунктов. Это значение может поменяться, если величина пролета превышает стандартные нормы. Например, если величина пролета не более 10 м, потребуется всего одна добавочная опора.

Узел висячих опор собирается на основе размеров пролета. На малых пролетах затяжной элемент чаще всего заменяется ригелем. При больших размерах пролета затяжные элементы провисают, а опоры идут на изгиб.

Таким образом, узлы висячего типа могут иметь следующие различия относительно размера пролета:

Рисунок 1. Схема устройства мауэрата.

  1. 9 м. Опоры необходимо сдерживать при помощи деревянного бруска, устанавливающегося перпендикулярно чердачному полу. В области основания он укрепляется скобами, а затяжные элементы крепятся специальными хомутами.
  2. 13 м. Крепеж осуществляется с помощью подкосов, которые верхушкой упираются в основание, а нижней частью – в перпендикулярный брус. Интервал между опорами не должен быть больше 5,5 м.
  3. 17 м. Основание необходимо усилить специальными приспособлениями. Для верхушки применяется шпренгельная структура: затяжные элементы прикрепляются к двум деревянным брускам, а между ними монтируется ригель.

Методы крепления узлов

Вне зависимости от того, требуется замена существующей стропильной системы или ее возведение с нуля, необходимо соблюдать определенный свод правил при креплении ее узлов.

Прежде всего, следует избегать простейшего крепежа перекладины и основания опоры, поскольку это может оказать разрушительное влияние на всю кровельную систему.

Рисунок 2. Крепление стропильной ноги к мауэрлату.

Другими словами, от нагрузки, создаваемой стройматериалами или атмосферными осадками, концы опор соскальзывают, и стропильная система повреждается. Это приводит к ее полному обрушению. Для предотвращения такого исхода необходимо повысить надежность этих узлов. Это достигается при помощи следующих видов крепления:

  • зубья в шип;
  • зубья в упор;
  • упор на конец перекладины.

В зависимости от уклона можно использовать один или два зуба. Чтобы повысить надежность соединения, можно создать дополнительный крепеж при помощи уголков из металла.

Узлы крепления кровельной обрешетки

Основными узлами крепления стропильной системы являются:

  • балочный;
  • мауэрлатный;
  • коньковый.

Балочный узел крепления

Рисунок 3. Схема конькового соединения стропильной системы.

В стропильной ноге создаются зубья в шип, а в перекладине вырезается гнездо, которое соответствует вырезанным зубьям. В этом случае гнездо должно занимать не более 30% от всей толщины перекладины.

Если при постройке кровли использовались легковесные материалы, а ее уклон составляет менее 35°, основания опор размещаются так, чтобы область их упора была значительно больше балки. Этого можно достичь, применив врезку с двумя зубьями в 2 шипа, упором (с использованием шипа или без него), а также двумя шипами в замок.

Узлы системы крепятся либо метизами с металлическими уголками, либо древесными брусками, накладками и шипами.

Мауэрлатный узел крепления

Существует 2 технологии мауэрлатного крепежа опор: жесткий и скользящий (рис. 1).

В первом случае между стропилом и мауэрлатом устанавливается прочное соединение без возможности соскальзывания, прогибов и выскакивания. Это достигается при помощи размещения специальных уголков с опорным бруском. Образованный узел нужно скрепить надежной проволокой при помощи метизов. Гвозди забиваются под определенным наклоном сбоку так, чтобы в мауэрлате они находились в перекрещенном состоянии. Последний гвоздь прибивается по вертикали. Данный метод является наиболее популярным.

Во втором случае крепление осуществляется при помощи особого механизма, позволяющего определенному элементу (в данном случае стропило) передвигаться в нужном направлении(рис 2).

Для создания такого соединения потребуется выполнить врезку на опорах, а затем уложить их на мауэрлат. Как и в предыдущем случае, обе части узла закрепляются при помощи двух скрещенных гвоздей и одним вертикальным сверху. К мауэрлату доски закрепляются металлическими скобами. После этого опорное основание выпускается за стену и скрепляется при помощи пластин и салазок. Таким образом, упор идет на мауэрлат, но все составляющие стропильной системы могут передвигаться в допустимых пределах.

Данный метод чаще всего применяется при возведении кровельной системы деревянных построек (бревна, сруб), которым свойственно оседание. Стоит помнить, что при жестком креплении есть вероятность повреждения стен строения.

Коньковый узел крепления

Такой узел может быть создан двумя методами: встык и внахлест (рис. 3).

Первый метод подразумевает собой обрезку верхушки опор под таким же наклоном, что и угол крыши. Их упирают в противоположные опоры, которые также нужно подрезать. Крепление создается при помощи двух гвоздей (150 мм), забиваемых сверху под определенным углом, чтобы они соразмерно располагались внутри каждого стропила. Для повышения надежности швы между опорами скрепляются деревянными накладками или пластинами из металла.

Второй метод является самым популярным. От первого способа его отличает метод стыковки внахлест. При этом опоры соединяются не торцами, а боковыми частями, после чего их закрепляют на болты.

Можно ли выделить какую-то главную деталь в кровле? Вряд ли это получится, так как здесь каждый элемент выполняет свою функцию. Например, стропила – это часть крыши, имеющей скаты, которую можно назвать каркасом. Именно на них будет укладываться кровельный материал, будут крепиться другие элементы. Именно от того, как собрана и установлена стропильная система, будет зависеть и итоговая форма кровли. Но если работы по созданию крыши выполняются самостоятельно, то как крепить стропила? На самом деле, это достаточно сложный этап работ, от которого будет зависеть и прочность, и надежность, и даже геометрическая правильность крыши.

Стропильная система – это каркас крыши со скатами, собранный из непосредственно самих стропильных ног, а также мауэрлата и конькового бруса. Мауэрлат – это опорный брус, который располагается по периметру верхней части стен дома, а коньковый брус устанавливается непосредственно в верхней части кровли в том месте, где происходит соединение двух противоположных стропильных ног под углом.

Проектирование стропильной системы – важная задача, во время которой приходится правильно рассчитывать ветровую и снеговую нагрузки, которые будут приходиться на кровлю, а также учитывать и другие параметры. Первые показатели будут зависеть от того, в каком климатическом регионе будет находиться строящийся объект. Далее на основе полученных данных производится расчет толщины непосредственно стен дома (несущих), а также выбирается качество и тип материала для самой кровли, высчитывается угол наклона ее скатов и другие моменты.

Внимание! Недочеты и ошибки, допущенные при проектировании, могут негативно сказаться на качестве кровли. В ряде случаев они могут привести к быстрому обрушению или разрушению крыши.

В конструкцию стропильной системы могут входить сами стропила, стяжки, которые будут располагаться между ними, прогоны, дополнительные опоры – так называемые подстропильные ноги – и прочие элементы. Собранная стропильная система опирается обычно на тот самый мауэрлат либо на балки перекрытия. Мауэрлат помогает равномерно распределять нагрузку по всему периметру стен. В этом главное отличие данного способа крепления. Если крепить стропильную систему на балки перекрытий, то есть без установки мауэрлата, то основная нагрузка будет приходиться на точки крепления, а не распределяться равномерно по всем стенам.

На заметку! Последний случай – не вариант, если стены сделаны из кирпича, который начнет разрушаться со временем в местах, испытывающих максимальную нагрузку. А вот для деревянного сруба такой способ вполне подойдет.

Таблица. Зависимость сечения стропильных ног от их длины и шага.

Шаг, см / Длина, см 300 350 400 450 500 550 600
60 4х15 4х17,5 5х15 5х15 5х17,5 5х20 5х20
90 5х15 5х17,5 5х20 7,5х17,5 7,5х17,5 7,5х20 7,5х20
110 7,5х12,5 7,5х15 7,5х17,5 7,5х17,5 7,5х20 7,5х20 10х20
140 7,5х15 7,5х17,5 7,5х20 7,5х20 7,5х20 10х20 10х20
175 10х15 7,5х20 7,5х20 10х20 10х20 10х25 10х25
215 10х15 10х17,5 10х20 10х20 10х25 10х25

Стропильная система – каркас крыши дома, который несет на себе и равномерно распределяет вес кровельного пирога, порой доходящий до 500 кг/м2. Надежность этого своеобразного остова зависит от трех факторов: точности расчета, исходя из чего подбирается количество и сечение опорных элементов, материал, из которого он изготавливается, а также от правильности технологии крепления. Зная, как правильно крепить стропила, можно существенно увеличить несущую способность каркаса, сделав его более прочным и надежным. Ошибки в монтаже, напротив, приводят к ощутимым потерям прочности и деформациям крыши. В этой статье мы расскажем об основных видах и способах креплений, с помощью которых можно качественно установить стропила своими руками.

Стропильный каркас крыши дома – система взаимосвязанных опорных элементов из дерев или металла, которые придают конструкции форму, уклон, а также равномерно распределяют ее вес между несущими стенами. Его главным компонентом являются стропильные ноги, представляющие собой установленные под углом балки, которые соединяются попарно вдоль ската, образуя в верхней точке своего соединения конек. Существует две основных разновидности стропил:

  • Наслонные. Наслонными стропилами называют опорные элементы, которые в конструкции крыши имеют две точки опоры – на коньковый прогон и мауэрлат. Стропильная система такого типа используется в сооружениях, имеющих внутри одну или более несущие стены, на которые можно «наслонить» стропила. Такое крепление стропил позволяет разгрузить их за счет использование дополнительных вертикальных опор.
  • Висячие. Висячими называются элементы, которые имеют только одну точку опоры, располагающуюся там, где происходит крепление стропил к стене или мауэрлату. Стропильная система висячего типа испытывает нагрузку не только на изгиб, но и на распирание, поэтому она усиливается горизонтальными компенсирующими элементами (ригелями, затяжками, схватками).

Обратите внимание! В большинстве наиболее популярных стропильных систем осуществляется крепление стропил к мауэрлату. Мауэрлатом называют массивный брус или балку с сечением 150х150 мм или 200х200 мм, укладываемый вдоль несущих стен сооружения, на которые впоследствии будут опираться стропильные ноги. Он смягчает давление на стены дома, а также равномерно распределяет вес кровельного пирога. Прикрепить мауэрлат к верхнему поясу стен можно с помощью анкерных болтов или вмурованных металлических шпилек.

Основные соединительные узлы

Стропильный каркас называют системой, потому что все его элементы тесно взаимосвязаны и зафиксированы, в результате чего конструкция крыши приобретает устойчивую форму, жесткость и высокую несущую способность. Каждый соединительный узел между его частями является уязвимым местом, которое может легко деформироваться под нагрузкой, поэтому все крепления должны выполняться строго по технологии. Опытные мастера выделяют типы соединений в конструкции кровли:

  1. Крепление стропил к коньковому брусу. Этот соединительный узел характерен только для наслонных стропильных систем, в которых верхней частью стропильная нога опирается на коньковый прогон, закрепленный на вертикальных стойках. Крепление стропил к нему может выполняться с помощью металлических накладок, гвоздей или скользящих креплений-ползунов.
  2. Крепление стропил к мауэрлату. Наиболее важным крепежным узлом стропильного каркаса считается место соединения мауэрлатного бруса со стропильными ногами. Зафиксировать стропила на нем можно с помощью гвоздей, металлических уголков или деревянных брусков.
  3. Соединение стропил между собой. Чтобы удлинить стропильные ноги, если длина ската превышает стандартную длину пиломатериалов, их собирают из нескольких элементов, соединенных между собой с помощью гвоздей, клея или металлических накладок.
  4. Соединение стропильных ног с вспомогательными опорными элементами. В конструкции стропильного каркаса стропила могут соединяться с затяжкой, ригелем или подкосами для увеличения жесткости, прочности и несущей способности.

Учтите, что любые запилы, выполняемые, чтобы прикрепить стропила к балкам, мауэрлату или другим конструктивным элементам каркаса приводят к уменьшению их прочности, поэтому опытные мастера рекомендуют соединять их между собой с помощью уголков и накладок.

Способы фиксации

Решая вопрос, как крепить стропила к мауэрлату или коньковому прогону, необходимо правильно подобрать крепежную фурнитуру. Современный строительный рынок располагает огромным ассортиментом разнообразных по конструкции и размеру креплений. Главными критериями выбора крепежа являются материал, использованный для изготовления стропила, их сечение, а также вид нагрузки, которому они подвергаются. Существуют следующие способы крепления стропил:


Опытные мастера считают, что наиболее надежным способом фиксации стропил является использование металлических уголков, которые прочно соединяют деревянные элементы между собой, жестко фиксируя угол между ними. Уголок, перекрывающий стык между стропильной ногой и коньковым брусом или мауэрлатом, служит своеобразным распором между ними.

Разновидности креплений

Дерево — природный материал, который в процессе выравнивания влажности и высыхания дает значительную усадку, из-за чего линейный размеры сооружения изменяются. Именно поэтому опытные мастера рекомендуют возводить крышу для брусовых и бревенчатых домов, спустя год после постройки, когда процесс усадки переходит из активной в пассивную фазу. Если зафиксировать деревянные элементы каркаса жестко, то после высыхания крыша дома может деформироваться. Поэтому для соединения стропил используют следующие виды креплений:


Интересно, что существует несколько вариантов комбинаций подвижных и неподвижных соединительных узлов. Наиболее распространёнными являются стропильные системы с одним жестким и двумя скользящими креплениями, которые обеспечивают достаточную подвижность при высокой прочности и жесткости конструкции.

Виды крепежных элементов

Среди опытных кровельщиков не стихают споры, чем эффективнее выполнять крепление стропил к балкам перекрытия и мауэрлату. Однако, в большинстве случаев загвоздка в том, что в данных условиях практичнее использовать – гвозди или саморезы. Оба эти крепежные элемента обладают своими достоинствами и недостатками:

  • Гвозди хороши тем, что для их забивания необходим только молоток, который есть в каждом хозяйстве. Однако, некоторые мастера сетуют на то, что забивать их вручную слишком долго. Стоит напомнить, что для фиксации стропил используются специальные зазубренные гвозди, которые надежно сцепляются с древесиной.
  • Для сборки стропильного каркаса используют оцинкованные саморезы, которые не боятся коррозии. За счет резьбы они прочно ввинчиваются в толщу древесины, надежно фиксируя элементы между собой. Завинчивать их быстро и удобно с помощью портативного шуруповерта. Минус этого вида крепежа в том, что при демонтаже удалять саморезы из дерева долго и муторно.

Большинство опытных кровельщиков сходятся на том, что для фиксации стропильных ног лучше использовать оцинкованные ершенные гвозди, длина которых на 5-3 мм превосходит толщину пиломатериалов. Правильно подобранные крепежные элементы – залог качественной и долговременной фиксации каркаса крыши, которой будет не страшны ни механические воздействия, ни ветровая нагрузка.

Видео-инструкция

Конструктивный узел стропильной крыши конек.

Крепеж узлов стропильной системы

Конструкция из стропил — это скелет крыши, обязанный принимать на себя и равномерно распределять вес кровельных материалов. Если правильно собрать деревянный костяк под утеплитель, гидроизоляционную плёнку и финишное покрытие, то получится добиться заметного увеличения грузоподъёмности стропильной системы.

Основные элементы стропильной системы

Деревянный каркас крыши собирается из таких частей, как:

  • мауэрлат — своеобразное основание под элементы кровли, прикрепляемое по всему периметру здания к верхней кромке наружных стен, чтобы рассредоточить давление кровельного пирога;

    Мауэрлат служит основанием для каркаса кровли

  • стропильные ноги — незаменимые детали деревянного костяка крыши, определяющие угол наклона скатов и вид верхней части дома;
  • коньковый прогон — брус, зафиксированный в горизонтальном положении и, словно позвоночник, соединяющий все стропила каркаса кровли в их верхней части;

    Коньковый прогон располагается ровно посередине здания

  • боковой прогон — горизонтальный брус, который отличается от конькового прогона тем, что закрепляется в середине стропильных ног каждого ската крыши;
  • затяжка — распорка, объединяющая два противоположных стропила, чтобы они не разъезжались;

    Затяжка и подкосы необходимы для правильного распределения нагрузки на мауэрлат

  • стойки — вертикальные элементы каркаса, размещённые под коньковым и боковыми прогонами с целью поддержки стропил и конькового бруса, а ещё, если есть необходимость, подставленные под среднюю часть стропильных ног;

    Стойки могут поддерживать не только конёк кровли, но и стропила

  • подкосы — детали, упирающиеся в лежень, за счёт чего стропильные ноги становятся более устойчивыми;
  • лежень — брус, размещённый на верхней кромке внутренней стены здания параллельно коньку и служащий площадкой для крепления стоек и подкосов;

    Лежень располагается на внутренней стене параллельно брусу мауэрлата

  • конёк кровли — область совмещения двух скатов, вдоль которой устанавливается сплошная обрешётка, необходимая для упрочнения описываемой части крыши;

    Конёк образуется в самой высокой зоне стропильной системы

  • кобылки — элементы, используемые при обустройстве свеса, когда стропильные ноги недостаточно длинные;

    Кобылки удлиняют стропильные ноги

  • свес крыши — зона деревянного каркаса, оберегающая стены дома от контакта с большим количеством атмосферных осадков;

    Карнизный свес сооружается, чтобы защитить стены от дождя

  • обрешётка — брусья или доски, прибиваемые перпендикулярно стропилам и служащие платформой для крепления кровельных материалов.

    Доски обрешётки выкладывают перпендикулярно стропилам

Главные соединительные узлы

Главными узлами стропильной системы выступают:

  • стропильная ферма — соединение стропильной пары, растяжки, а также стоек и раскосов;
  • коньковый узел — совмещение двух противоположных стропил;
  • звено из мауэрлата и опирающегося на него стропила;
  • модуль, включающий в себя прогон, стойку и лежень;
  • соединение стропила с подкосом и стойкой.

Наиболее сложное звено каркаса кровли, как считает автор, это стропильная ферма, которая отличается тем, что:


Коньковый узел тоже имеет несколько особенностей:


Стропила и мауэрлат становятся единым звеном, для которого характерно следующее:


Модуль из прогона, стойки и лежня формируют, вбивая в места их соединений строительные скобы, стальные нагели или накладки из полос стали.

Узел из лежня, стойки и прогона позволяет разделить нагрузку между внешними и внутренними стенами здания

Подкосы, стойки и стропила собирают в единый модуль, создавая вырубки. Чтобы их соединение не было слабым, применяют строительные скобы.

Узел из подкосов, стойки и стропил позволяет смягчить давление на внутреннюю стену дома

Способы крепления стропил

В нижней части стропила могут быть соединены как с мауэрлатом, так и с балками перекрытия. Иногда, например, при каркасном строительстве, их закрепляют прямо на стене. А в верхней части стропильные ноги совмещают с коньком. Каждый обозначенный узел можно создать несколькими способами.

Соединение с мауэрлатом

Жёсткое крепление стропил на мауэрлате гарантирует отсутствие любых смещений элементов узла. Оно выполняется путём врубки в определённой последовательности:

  1. Для ускорения работы из куска доски или толстого картона делают шаблон. На заготовке проводят линию, отступив от бокового края расстояние, равное 1/3 ширины стропила, а затем отмечают точку прилегания к брусу мауэрлата, по которой чертят вторую линию, перпендикулярную первой.

    Если ширина стропила составляет более 200 мм, то запил делают на глубине 70 мм

  2. Под углом наклона кровельного ската шаблон подставляют к краю мауэрлата, следя за тем, чтобы отмеченная на куске дерева точка находилась строго напротив угла бруса. От неё карандашом ведут две черты — вертикальную и горизонтальную, в результате чего получают на заготовке треугольник, который аккуратно выпиливают.
  3. Изготовленный шаблон оценивают на правильность, насаживая на мауэрлат в нескольких местах. Если сделанный паз оказался меньше или больше чем нужно, то лекало изготавливают заново, исправляя допущенную ошибку.
  4. Шаблон кладут на горизонтально расположенное стропило. Треугольник в лекале обводят карандашом. То же самое делают с другими стропильными ногами. При этом следят за тем, чтобы горизонтальная линия паза в лекале каждый раз находилась в одном и том же месте стропила. В противном случае выемки будут созданы на разных расстояниях от конька.
  5. Начерченные на стропилах треугольники выпиливают ручной ножовкой. Инструментом действуют не спеша, дабы случайно не увеличить глубину паза в стропильной ноге. Обладая навыками работы с электрической пилой, выемки можно делать и этим прибором. Правда, надо иметь в виду, что инструмент, работающий от электросети, намного хуже слушается руки и способен уйти в сторону.

    Треугольный запил позволяет стропилу упираться в мауэрлат

  6. Правильность размера сделанных пазов проверяют лекалом. При обнаружении несоответствий выемку корректируют ножовкой.
  7. Наверх дома ставят две крайние стропильные ноги. Пазами их вставляют в мауэрлат, фиксируя с боковых сторон металлическими уголками или скобами.
  8. По нижнему краю между двумя установленными элементами протягивают верёвку. Затем к мауэрлату одну за другой прикрепляют оставшиеся стропильные ноги.

Технологию крепления стропильных ног к мауэрлату нашивкой упорного бруска могут взять себе на заметку строители без опыта. При таком методе создания узла, как заметил автор статьи, существует возможность изменять положение стропил до тех пор, пока оно не станет совершенно правильным.

Чтобы соединить главные элементы кровельного каркаса с мауэрлатом нашивкой упорного бруска, делают следующее:


При строительстве каркаса крыши для деревянного сруба, который всегда даёт усадку, предпочитают использовать скользящий метод крепления стропил на мауэрлат. Благодаря ему можно избежать деформации стропильной конструкции и ухудшения устойчивости верхнего ряда брёвен, который заменяет мауэрлат.

Выбор скользящих стропил обоснован только тогда, когда для главных элементов каркаса кровли предусмотрен коньковый брус, в который они могли бы упираться своей верхней частью.

Когда стропила закрепляют на мауэрлате скользящим методом, предпринимают определённые шаги:


Наслонный метод крепления стропил к мауэрлату берут на вооружение, когда купленные пиломатериалы оказались короче, чем нужно. Также этот способ фиксации главных элементов стропильной системы используют во время ремонта крыши сложной конфигурации.

При закреплении стропил на мауэрлате наслонным методом выполняют всего 3 задачи:


Видео: установка стропил

Совмещение с балками перекрытия

Крепить стропила к балкам перекрытия можно только будучи уверенным, что стены здания выдержат давление каркаса кровли. Всё-таки при отсутствии мауэрлата нагрузка на дом получается не равномерной, а точечной.

Без страха и сомнений стропила крепят на балки перекрытия, если строят лёгкую мансардную крышу. При этом в качестве потолочных балок используют доски сечением 5×15 см.

Стропила соединяют не с мауэрлатом, а с балками чердака, если точно знают, что они выдержат оказываемое давление

Чтобы прочно закрепить стропильные ноги на балках перекрытия, выполняют следующие задачи:


Крепление к стене

Если по неким причинам стропила приходится фиксировать прямо на стенах, то их обязательно потребуется соединить затяжкой. Она, как лично убедился автор статьи, помогавший строить крышу хозяйственного помещения, снимет с дома часть напряжения, передаваемого стропильными ногами.

Стропила ни в коем случае нельзя напрямую соединять с внешними стенами здания, если они построены из пено- или газоблоков. Эти материалы беспрепятственно передают свою влагу древесине и неспособны удержать в себе крепежи.

На стене стропила можно закрепить скользящим методом, однако это не самое разумное решение

Чтобы надёжно зафиксировать стропильные ноги на стенах, необходимо принять определённые меры:

  1. Под нужным углом сделать на стропилах запил с одним зубом.
  2. Торцом установить стропила на стены и вбить в них по гвоздю длиной 10–12 см.
  3. При необходимости по бокам стропил прикрепить металлические уголки.

Поскольку конёк кровли испытывает серьёзное давление всей стропильной системы, кровельщики с большим опытом создают коньковый узел пятью способами: встык, на балку, внахлёст, в паз, в полдерева.

Чтобы создать коньковый узел, соединив противоположные стропила встык, делают следующее:


При креплении стропил на балку, а точнее, на специальный коньковый прогон, действуют особым образом:


Когда стропила соединяют с балкой, конёк получается не остроконечным, а плоским.

Если коньковый узел делать, скрепляя стропила внахлёст, то потребуется выполнить несколько простых задач:


Для соединения стропильных ног в коньковый узел при помощи паза совершают несколько искусных плотницких действий:


Выбрав метод соединения стропил в полдерева, делают следующее:


Видео: строительство каркаса крыши с соединением стропил коньковым прогоном

К строительству стропильной системы не стоит приступать до тех пор, пока не удастся разобраться в особенностях крепления стропил к другим элементам несущей конструкции крыши. Кстати, среди различных способов фиксации стропильных ног существуют варианты не только для опытных строителей.

Кроме правильно произведенных расчетов и чертежей, немаловажное значение в устойчивости конструкции имеет крепеж для стропил и всех ее элементов.

Помимо нагрузки атмосферных осадков, стропила должны выдержать вес обрешетки и общий вес кровельного пирога, что необходимо учитывать при подборе крепления.

Стропильная система является пространственной конструкцией, состоящей из следующих элементов:

  • мауэрлат;
  • стропильные ноги;
  • ендовы;
  • коньковые балки;
  • прогоны;
  • обрешетка.

Для того чтобы понять, каким образом все части стропильной системы крепятся между собой, нужно разобраться, из каких узлов она состоит, какие крепления в каждом случае используются и что они собой представляют. При сборке несущей конструкции кровли применяются крепежные элементы, как стальные, так и деревянные.

Основные узлы соединения стропильной системы

Прежде чем соединять между собой мауэрлат и стропильную ногу, первый потребуется прочно соединить со стеной. Мауэрлат представляет собой толстую балку (15х15), уложенную по оси стены и параллельную коньку балки, на которую опираются стропильные ноги. Возложенные функции на данный элемент несущей конструкции заключаются в распределении нагрузки от стропил, веса кровельного пирога и атмосферных осадков по всей стене, включая внутренние опоры. Иными словами, фундаментом для всей крыши является мауэрлат. Его укладывают на ось стены и закрепляют к ней. В данном случае имеется несколько способов соединения.

Способ первый. При устройстве крыши большой площади по всей длине стены заливается армопояс, куда сразу же вмуровывают металлические штыри под резьбу м12 через каждые 2 м. В данном способе в качестве крепежа мауэрлата со стеной будут шпильки, которые насквозь проходят через балку и притягиваются к стене с помощью гайки и шайбы. При небольшой площади крыши, где нет большой нагрузки на стену, обходятся без мауэрлата и стропила крепятся непосредственно на вмурованные в процессе кладки шпильки.

Способ второй. Еще один вполне доступный способ сделать стропильную систему устойчивой – это крепить мауэрлат к стене с помощью проволоки. Для этого понадобится за 3 ряда до конца кладки уложить середину проволоки между рядами кирпичей. Ее длина должна быть достаточной, чтобы хватило обвязать и притянуть мауэрлат к стене. Также можно обойтись без мауэрлата и закрепить стропило проволокой прямо к стене. Но такое соединение даст точечную нагрузку на стену, что может повлиять на ее целостность

Схема крепления стропильной ноги к мауэрлату может быть жесткой и скользящей. Тип соединения зависит от формы крыши и вида стропил, которые могут быть висячими или наслонными.

Жесткое и скользящее соединение нижней части стропил с мауэрлатом

Узлы соединения в данном случае будут выполнены из дерева и могут иметь несколько видов:

  1. Зуб, имеющий только упор.
  2. Зуб, имеющий шип и упор.
  3. Упор непосредственно в балку.

Врубка одинарного зуба используется для крыши с большим углом наклона, где угол между мауэрлатом и стропильной ногой более 35º. Для этого в стропильной ноге потребуется вырезать зуб с шипом, а в мауэрлате создать под него гнездо. Применение шипа позволяет избежать бокового смещения стропила. Врубка двойного зуба используется при монтаже более пологих крыш. Последний способ применяется крайне редко.

В последнее время все чаще деревянное крепление для стропил заменяется металлическим, поскольку позволяет не только получить более надежную , но и значительно сократить работы по ее монтажу. Поэтому в качестве дополнительных крепежей используются металлические стропильные болты, скобы, пластины, хомуты, петли и различные уголки.

Наиболее используемый метод жесткого соединения – это вбивание гвоздей с боковых сторон под углом в мауэрлат. Таким образом происходит внутреннее скрещивание внутри него. Далее для окончательной фиксации соединения вбивается вертикально третий гвоздь. Еще один способ предотвращения поперечного смещения стропильной ноги – это закрепление ее по бокам металлическими уголками.

Схема для подвижного крепежа стропил в нижней части применяется для домов, построенных из оцилиндрованного бревна или бруса. Так как в процессе эксплуатации стропильная система находится в движении из-за изменения своих физических свойств, т. е. происходит усадка здания.

Схема жесткого крепления в данном случае недопустима, поскольку такие подвижки могут привести разрушению стены. Это значит, что узлам крепления требуется обеспечить подвижность. В таких случаях используются специальные шарнирные соединения, которые называются салазки либо уголки с продолговатым отверстием под крепеж. Скользящее сопряжение в данном креплении достигает двух уровней свобод путем свободного движения одного из элементов крепежа.

Узловое коньковое соединение

Коньковое соединение стропильной системы можно получить тремя способами: встык, внахлест и на коньковую балку.

Встык. Верхнюю часть стропильной ноги нужно обрезать под углом, равным уклону крыши. Противоположную ногу также подгоняют под соответствующий угол, но с наклоном в другую сторону. Далее они между собой соединяются в верхней точке с помощью гвоздя, который должен быть забит в торец стропил с захватом противоположного конца. Кроме гвоздей, для более прочного соединения стыков используются специальные пластины. В качестве такого крепежа может выступать как деревянная доска 30 мм, так и металлическая фиксирующая двусторонняя накладка. Для ее установки используются болты или гвозди.

Следующие два способа будут подобными первому, но имеют небольшую разницу. При креплении внахлест верхние части стропильной ноги будут соединены между собой своими боковыми сторонами. Последний вариант осуществляется путем соединения каждого стропила непосредственно к коньковой балке. В данном случае в качестве крепежей используются резьбовые шпильки с шайбами и болты.

Если для придания жесткости стропильной системе используются фермы, то для обеспечения хорошей устойчивости к ветровым нагрузкам потребуется установить необходимое количество диагональных связок. Наличие раскоса и подкоса (подстропильной ноги) в несущей конструкции помогает фронтонам дома быть более устойчивыми. Установка раскоса осуществляется путем упора верхней части в , а нижней частью он упирается в основную балку перекрытия. Подкос помогает снизить нагрузку на стропила по центру. Его монтаж ведется под углом 45º. Закрепляются диагональные связи с использованием хомутов, уголков, пластин.

Виды и особенности металлических крепежей для стропил

Если ранее в качестве таких крепежей мастера использовали деревянные элементы (бруски, накладки, нагели, металлические скобы, деревянные штыри, клинья), то сейчас такие способы уступают более современным видам. Строительный рынок имеет большой модельный ряд металлических крепежей, которые теперь намного прочнее и позволяют процесс сделать намного проще. В технологии изготовления данных элементов используется металл, толщина которого варьируется от 1.5…3,0 мм, что позволяет изделию быть более устойчивым к нагрузкам в сравнении с любым другим материалом. Кроме того, крепежи стропил представлены любых размеров и позволяют с большой точностью осуществлять технологический процесс.

К металлическим крепежам стропил, которые могут быть перфорированными и гвоздевыми, относятся:

  • лента монтажная перфорированная;
  • уголки;
  • пластины;
  • опора балки;
  • опора бруса;
  • проволочная стяжка;
  • саморезы;
  • болты с гайками;
  • уголки КР;
  • кронштейны WB;
  • крепежные элементы LK.

Применение перфорированных изделий позволяет достаточно прочно со всеми частями системы и обеспечить хорошую жесткость и прочность под любым углом. Для них характерно наличие множества отверстий под болты, шурупы и саморезы, с помощью которых и осуществляется крепление к дереву. Размер изделия регулируется обрезкой на нужную длину и ширину.

Также крепежные элементы могут быть гвоздевыми. Однако использование такого вида возможно только в заводских условиях методом просечки, которая отгибает конусовидную часть. Эта операция осуществляется специальными станками под давлением.

Уголки КР имеют большое количество модифицированных видов, снижающие риск обрыва болтового соединения при естественной осадке конструкции. Крепление осуществляется без применения специального оборудования с помощью шурупов и гвоздей.

Кронштейны WB используются для крепления консоли несущей балки при устройстве деревянных перекрытий в домах из оцилиндрованного бревна или бруса. При этом врезка на стропильной ноге не производится, что не ослабляет ее несущей способности. Соединение ведется с использованием анкерных болтов, гвоздей либо шурупов.

Крепеж стропила LK применим в , где требуется соединить стропила и балки. Обладает теми же достоинствами, что и крепеж WB, но процесс осуществляется только шурупами либо гвоздями. Используется при строительстве деревянных домов.

Крепеж в стропильной системе играет огромную роль. Именно от него зависит прочность и длительность эксплуатации всего кровельного пирога. Поэтому к выбору типа и способа крепления следует отнестись с большим вниманием.

Опытные строители отлично знают, что во время устроительства стропильной системы нет узлов, которые бы не играли важную роль в обеспечении прочности конструкции. Это, в том числе, касается и способов крепления стропильной ноги к мауэрлату. Мы не будем останавливаться на характеристиках самого мауэрлата, способах его строительства и методах его крепления. Исходные данные для всех вариантов крепления стропил к мауэрлатам стандартные – все они быть сделаны согласно требованиям существующих строительных норм и правил.

Нужно кратко выяснить еще один вопрос – не всегда крепление стропил к мауэрлатам возможно.

Когда и почему нельзя пользоваться этим методом крепления стропильной системы?
На сложных вальмовых или двускатных крышах с различными углами наклона скатов. Почему? Угол стропила (или кобылки, если оно имеет недостаточную длину) с каждого ската крыши будет различным. Это значит, что во время устройства карнизной части кровли возникнут проблемы. Если вы пожелаете сделать одинаковой ширину карниза по всему периметру здания, на каждой стене он будет располагаться на различной высоте. Если вы пожелаете сделать все карнизы на одинаковой высоте, то у каждой стены они будут иметь различную ширину. Нужно вспомнить школьные уроки о треугольниках. Само собой разумеется, что и первый, и второй варианты для здания неприемлемые. На таких зданиях стропильные ноги должны крепиться только на балках перекрытия, только так можно сделать карниз одинаковым по ширине вокруг всего здания. А если крыша с эркером, то вариант крепления стропильных ног на мауэрлате даже теоретически рассматривать не имеет смысла.
Во время реконструкции или ремонта старых или аварийных зданий. Опытные строители сразу определяют углы наклона скатов. Если в местах их пресечения линии кровельных покрытий образуют прямоугольный треугольник, то наклон скатов одинаковый, если волны покрытия не совпадают – крепить стропила придется на балках.
Верхние ряды несущих стен в таком плачевном состоянии, что прикрепить к ним мауэрлат с необходимыми показателями прочности очень трудно. Приходится или разбирать несколько рядов кирпичей и класть их заново или бетонировать специальный армирующий пояс по всему периметру здания, и только после выполнения таких работ прочно фиксировать мауэрлаты. Практика показывает, что делать такие работы экономически невыгодно, да и времени уходит значительно больше, чем установить на потолке несущие балки.

С этим вопросом мы разобрались, теперь следует рассмотреть несколько общих рекомендаций, касающихся крепления стропил.

Рекомендации по креплению стропил Описание Иллюстрации
Никогда нельзя запиливать или зарубать стропила глубже, чем на одну треть ширины. Запомните это правило раз и навсегда. В сети можно встретить примеры запила стропил чуть ли не до половины ширины, это грубейшая ошибка. Спрашиваться, зачем брать для стропила доску шириной 150 миллиметров, чтобы потом в самом нагруженном месте «откромсать» от нее половину? Какая несущая способность у нее останется? Причем, это правило касается не только узла крепления стропил к мауэрлату, а абсолютно всех узлов фиксации стропильной системы.
Для каждого узла нужно одновременно применять минимум два способа фиксации. Кроме зарубок используйте металлические скобы или уголки, не внушающие доверия зарубки дополняйте специальными упорными досками и т. д.
ользуйтесь шаблонами только в случае полной уверенности, что все размеры и расстояния по всему периметру строения в максимальной степени идентичны. Нет такой уверенности – подгоняйте каждую стропильную ногу по отдельности.

И с этой темой разобрались, теперь уже можно рассмотреть наиболее часто встречающиеся способы крепления стропильных ног к мауэрлату. Мы будем говорить о трех: запиливании с упором (жестком), скользящем и наслонном методах.

Жесткое крепление стропил

Самый надежный, самый трудоемкий и самый универсальный способ, может выполняться путем врубки или за счет нашивки подпорных брусков на стропила. Вначале рассмотрим вариант врубки стропила.

Не стоит переживать, если в результате вырубливания ноги у вас немного изменится наклон ската. Главное, чтобы все стропила лежали на одной линии. Перед запилом стропильной ноги нужно снять размеры места прилегания ее к мауэрлату, а это довольно сложно. Мы не будем выполнять различные математические расчеты, это долго и бесполезно, да и никто на практике таким себе голову не забивает.

Шаг 1. Предлагаем два варианта: сделать один универсальный шаблон для всех ног сразу или делать запилы для каждой по отдельности.

Если у вас все нормально с положением мауэрлата, то лучше делать шаблон, если есть проблемы, то придется каждое стропило подготавливать отдельно.

Шаблон можно сделать из обрезка доски, куска ДВП или плотного картона. Проведите на нем линию у нижней кромки на расстоянии не более 1/3 ширины стропильной ноги. На всех стропильных ногах проведите такую же параллельную линию, отметься места прилегания стропил к мауэрлату, и проведите перпендикулярную к ней линию.

Теперь вам нужно проследить угол вертикальной и горизонтальной плоскостей зарубки для одного прилегания к мауэрлату по всей поверхности. Сразу скажем, что идеального варианта добиться не удастся, но неплотное прилегание плоскостей в несколько миллиметров критической роли не играет. Приложите шаблон к торцу бруса мауэрлата под углом наклона ската. Точка пересечения вертикальной и горизонтальной линии должна находиться точно напротив его угла. Начертите получающийся треугольник, вырежьте начерченную часть.

Шаг 2. Проверьте правильность шаблона в нескольких частях мауэрлата, пройдитесь по обеим сторонам строения. При необходимости немного изменяйте угол выпиленной части, нужно добиться максимально точного прилегания зарубки по всему периметру.

Шаг 3. Приложите шаблон к стропилу, точка угла верхнего упора должна находиться на всех стропилах на одинаковом удалении от их коньковой части.

Шаг 4. Электрической пилой или ручной ножовкой отпилите срез поперек волокон стропильной ноги.

Пилите очень осторожно, не уменьшайте пропилом ширину оставшейся нетронутой стропилы. При недостаточном опыте работы электрическими инструментами лучше пользоваться ручными пилами. Пусть времени и сил потребуется больше, зато вероятность брака значительно снижается. А если учесть время на переделку, то потеря производительности труда от ручного инструмента не будут столь большими.

Шаг 5. Под углом выберите второй срез.

Внимание: это самая трудная работа. Пилить такую поверхность электрической пилой нежелательно, велики риски заступления. Нужно работать топором, топор должен быть очень острым. Работа топором потребует не только умения, но и физической силы. Кстати, умение работать топором (путь и не на уровне профессионала) всегда пригодится при строительстве деревянной бани.

Шаг 6. Проверьте шаблоном сделанное посадочное место, при необходимости поправьте его. Можете готовить посадочные места сразу для всего комплекта стропильных ног, а можете выполнять работы по очереди. Все зависит от вашего умения и точности установки мауэрлата.

Шаг 7. Поставьте стропильную ногу на место, зафиксируйте ее положение. Для фиксации можете пользоваться самодельными скобами, металлическими уголками или иными прочными приспособлениями.

Таким образом нужно поставить два крайних стропила, натянуть в нижней части между ними веревку и по очереди ставить следующие. Будьте готовыми, что для некоторых стропил придется несколько раз подгонять размеры пятки. Чем больше у вас будет практического опыта, тем реже придется снимать/ставить для подгонки стропильную ногу. Во время установки стропильной системы каждую пару ног следует временно фиксировать различными деревянными раскосами или подкосами. Временное крепление убирается только после набивки обрешетки под финишное покрытие крыши.

Цены на доски обрезные

обрезные доски

Крепление стропильных ног нашивкой упорного бруска

Для небольших бань мы рекомендуем пользоваться этим способом – намного проще и быстрее. А что касается механической устойчивости конструкции, то она зависит от добросовестности выполнения всех работ. Такой метод крепления стропил могут использовать даже очень неопытные строители, он дает возможность перемещать стропильные ноги в любом положении до занятия ими правильного положения и уже на месте фиксировать узел.

Шаг 1. Установите фронтонные стропила на место, временно зафиксируйте их положение.

Шаг 2. Из широкой доски отрежьте кусок длиной не менее 40 см. Определите угол наклона упорного в мауэрлат торца. Верхней горизонтальной зарубки на доске можно не делать, она никакой нагрузки не несет. Вертикальную нагрузку будут держать стропила. Для того чтобы увеличить площадь их упора в мауэрлат, следует в них пропилить посадочные места на ширину стропил.

Не нашлось отрезков прочных досок – прибивайте две тонкие с обеих сторон стропил. Только садить их рекомендуем на один сквозной метиз (оптимально длинный болт), не стоит послаблять стропила большим количеством гвоздей или саморезов.

Шаг 3. Если у вас доски с обеих сторон стропила, то можете не использовать дополнительные способы фиксации элемента от боковых опрокидываний. Если доска с одной стороны, то нужно будет зафиксировать их металлическими уголками или скобами.

Следует сказать, что каждая стропильная система на любом здании мастерами выполняется с индивидуальными различиями. Все зависит от их опыта и предпочтений. И вы можете не придерживаться в точности наших рекомендаций, принимайте оригинальные решения на месте с учетом особенностей бани и наличия строительных материалов.

Работы по креплению стропил всегда нужно делать по веревке, контролировать следует конек и нижние ноги. Если есть проблемы по высоте, то подкладывайте деревянные упоры на мауэрлат, для предупреждения скольжения прибейте их небольшими гвоздиками или саморезами.

Цены на комплект метизов

комплект метизов

По такому способу строится стропильная система в деревянных срубах.

Дело в том, что сруб должен выстояться под крышей, за это время он дает усадку. Усадка, как следствие, немного изменяет положение стропильной системы, в случае жесткого крепления стропильных ног непременно появится или деформация стропильной системы, или нарушится устойчивость верхнего ряда сруба. Именно этот ряд играет роль мауэрлата. Для того чтобы увеличить площадь упора стропила и мауэрлата, нужно снять острую кромку последнего. В противном случае большие нагрузки станут причиной вдавливания бруса на угле мауэрлата, и стропильная система начнет изменять свое положение. Делаться это будет неравномерно по периметру сруба – стропила могут значительно нарушить свое первоначальное положение, кровельное покрытие станет волнистым. А это может нарушить его герметичность, в результате появятся протечки со всеми очень негативными последствиями.

Скользящие стропила можно ставить только в том случае, когда стропильная система имеет упор в верхней части на коньковый брус и вертикальные упоры, для усиления устойчивости конструкции желательно дополнительно ставить раскосы или бабки. Конкретное решение следует принимать с учетом размеров бани, материала возведения и архитектурных характеристик крыши.

Очень важно: если вы предполагаете стропильные ноги фиксировать скользящим методом, то узел фиксации верхних коньковых частей следует делать на шарнире. В верхней части стропильные ноги должны колебаться в осевом направлении, что дает им возможность в зависимости от величины усадки бани изменять угол наклона стропильной системы. Таким образом гасятся возможные вертикальные нагрузки.

Шаг 1. По размерам установите коньковый брус. Он должен располагаться точно посредине бани, в противном случае угол наклонов скатов будет неодинаковым. Какие трудности вызывает неодинаковый угол наклона скатов во время строительства карнизных свесов, мы уже рассказывали в статье выше.

Шаг 2. Установку начинайте с монтажа крайних фронтонных стропил.

Для скользящего крепления нужно купить специальные фиксаторы, устанавливать их нужно с двух сторон каждого стропила.



Скользящая опора для стропил – размеры

Шаг 3. Снимите размеры стропил по длине, определите конкретные места их установки.

Шаг 4. Для увеличения плоскости прикасания стропильной ноги и мауэрлата снимите угол бруса. Можно снимать угол по всему периметру (сложно и долго) или только в местах упора стропильных ног. Для этого сделайте два пропила в мауэрлате на расстоянии, немного превышающем ширину доски стропила.

Долотом аккуратно уберите древесину в пропиле, подровняйте его поверхность. Мы советуем не пренебрегать этим советом, такой нехитрый способ установки даст возможность значительно увеличить устойчивость всей стропильной системы. Кроме того, не понадобится применять иные методы для устойчивости системы к продольным ветровым нагрузкам.

Шаг 5. Осторожно кладите стропила на подготовленные посадочные места, фиксируйте плавающими металлическими механизмами. Их надо устанавливать в таком положении, чтобы большая часть выступающего узла позволяла стропилам опускаться вниз, именно в эту сторону происходит усадка.

Шаг 6. Между крайними фронтонными стропильными ногами натяните веревки на уклоне карнизных свесов, все оставшиеся стропила монтируйте по веревке. Если есть необходимость – регулируйте длину конструкций. Одновременно с ногами шарнирным соединением фиксируйте коньковые части стропильных ног.

Такое устройство стропильной системы считается наименее устойчивым. Несмотря на то, что силы, распирающие стропильные ноги намного меньше чем усилия, действующие на изгиб, скользящие ноги являются наиболее слабым узлом всей конструкции.

Практический совет. При малейших сомнениях в устойчивости построенной стропильной системы производите ее усиление. Не имеет значения, каким именно способом усилится система, главное, чтобы у нее всегда был довольно большой запас прочности и надежности. Помните, что делать усиление конструкции уже после обнаружения проблемы намного сложнее, чем выполнять все работы своевременно.

Есть еще одна разновидность скользящего метода, она более надежная по прочности, но пригодна только для бань из оцилиндрованного бурса или круглых хлыстов – скользящий способ с запилом по дуге.

Делать его немного труднее, каждое стропило в месте контакта с верхним венцом сруба нужно выпиливать по дуге. Для выпиливания лучше использовать электрический лобзик. Глубина пропила – не более 1/3 ширины стропила. Метку можно снять с торца бруса, стропила можно делать все одинаковыми. Такое соединение имеет дополнительную степень свободы, но одновременно исключает осевые подвижки – повышается надежность всей стропильной системы.

Схема – стропила со скользящей опорой и пропилами

Цены на скользящую опору

скользящая опора

Используется в случае во время производства ремонтных работ на крышах сложной конструкции или недостаточной длины имеющихся пиломатериалов для изготовления стропил. Конечно, стропила можно соединить и таким способом увеличить длину. Но строители не советуют заниматься этими делами, при малейшей возможности избежать соединений стропильных ног нужно ними воспользоваться. Кроме того что каждое соединение требует немало времени и труда, оно всегда значительно понижает прочность стропила. Еще раз повторяем – всегда несущие характеристики соединенных стропил намного меньше, чем целых.

Лучше во время возведения стропил воспользоваться наслонным методом, а при помощи обыкновенных кобылок сделать подкровельную часть карниза.

Шаг 1. Отмерить точную длину каждого стропила до упора торцевой части в мауэрлат. Определить угол наклона упорной плоскости.

Наслонные стропила – схемы

Сделать по размеченной линии запил. Если позволяет ширина стропильной ноги, то рекомендуется делать запил с зубом. Зуб будет предупреждать скольжение стропила по мауэрлату. Если такой возможности нет, то в нижней части каждой стропильной ноги нужно прибывать упорные доски длиной примерно 40 сантиметров. Доски крепятся к стропилам гвоздями или саморезами.

Шаг 2. Для предупреждения боковых колебаний и общего усиления узла соединения, стропила дополнительно фиксируются металлическими уголками или скобами. Вбивать в торец большие гвозди не рекомендуется из-за больших рисков растрескивания древесины.

Шаг 3. Далее нужно заняться кобылками для карнизов. Для этого подойдут обрезные доски толщиной более 30 миллиметров. Отрежьте их по длине с учетом предполагаемого вылета карниза и прочно прибейте к стропильным ногам. Все работы нужно делать только под веревку, натянутую между крайними фронтонными стропильными ногами.

Цены на металлические уголки

металлические уголки

Для стропильной системы выбирайте только наиболее качественные материалы, это не та конструкция, на которой можно экономить. Много обыкновенных архитектурных элементов имеет несколько дополнительных составляющих несущих конструкций, они друг друга дополняют и страхуют. Стропила работают «в одиночку», в случае нарушения устойчивости никакие другие элементы не берут на себя нагрузку.

Старайтесь делать узлы соединений стропил с мауэрлатом в тех местах, где полностью отсутствуют естественные пороки развития древесины, в том числе и здоровые сучки. Твердость самих сучков большая, но вокруг них образуются завихрения древесных волокон, а они уже не отличаются высокими показателями физической прочности.

Делайте разметку, а особенно обрезание, очень внимательно. Для исправления ошибок можно пользоваться различными подкладками, но это крайне нежелательно.

И последнее. Можно встретить рекомендации ставить стропильную систему самостоятельно без помощников. Некоторые самые простые виды стропильной системы можно сделать и одному. Вопрос только в том, зачем это нужно? Зачем рисковать своим здоровьем, если в конечном итоге не будет никакой экономии времени и денег. А качество соединения всех узлов ощутимо пострадает.

Видео – Крепление стропил к мауэрлату, скользящая опора

Видео – Монтаж стропил

Видео – Сборка стропил

Видео – Быстрый монтаж стропильной системы

В любом здании основные элементы, на которые выпадает максимальная нагрузка — это фундамент, стены и крыша. Качество монтажа кровли во многом зависит от того, правильно или нет, выполнено устройство стропильной системы . Если узлы крепления стропильной системы не отвечают определенным требованиям, то такая крыша не прослужит даже минимального эксплуатационного срока без ремонтных работ.

Требования к стропильной системе


Стропильная система любой кровли должна соответствовать таким важным требованиям, как:

  • Максимальная жесткость. Любой узел каркаса должен выдерживать нагрузки, не подвергаясь при этом деформации или смещению. Получаемый при обустройстве стропильной системы треугольник должен обеспечивать жесткость конструкции, и ее максимальную устойчивость;
  • Оптимальный вес. В зависимости от кровельного материала выбирают материал, используемый для стропил. Обычно выбирают деревянный брус, но для тяжелых крыш может быть использован и металл.

    Важно! Чтобы предотвратить повреждение стропил, их гниение и образование грибка на древесине, ее обрабатывают антисептиком, а металлические конструкции — антикоррозионными составами.

  • Высокое качество используемых материалов. Древесина, используемая в качестве стропильных ног должна не иметь трещин и сколов.

Разновидности стропильных систем


Крыша может быть обустроена одним из видов стропильной системы, которых существует всего два:

  • Висячие стропила;
  • Наслонные стропила.

Висячая стропильная система



Такая система оптимальна в случае двускатной кровли, когда величина пролета между стенами составляет не более 6-ти метров, но при установке дополнительных элементов применима и для более широких вариантов проемов. Нижней основой для опоры служит мауэрлат, верхняя же часть конструкции упирается друг в друга. Такая конструкция содержит и затяжку — необходимую для снятия нагрузки со стен, за счет уменьшения распора стропил. Балочные затяжки устанавливаются снизу стропильных ног и могут выполнять функции балок перекрытия.

Внимание! Роль затяжки необязательно может выполнять деревянный брус, им может стать и перекрытие из железобетонных конструкций , которым в некоторых домах оборудуется верхний этаж.

Если затяжка расположена выше нижней части стропильной системы, то она называется ригелем. К важным моментам обустройства стропильной системы такого типа можно отнести:

  • Не следует допускать, чтобы кровельный свес опирался на нижнюю часть стропильных ног, которые выводятся за пределы стенки. В такой ситуации лучше всего использовать кобылку (ширина свеса при этом устанавливается в пределах одного метра). При таком обустройстве стропило будет опираться на мауэрлат. Сечение бруса для кобылки выбирается меньшим, чем для стропил;
  • Чтобы придать крыше дополнительной жесткости, и не допустить ее шатания и разрушения сильными порывами ветра, на скате прибивается ветровая доска, к мауэрлату от конька;
  • При влажности материала, используемого для обустройства стропильной системы более 18%, следует предусмотреть шаткость, которую будет вызывать постепенное высыхания древесины. Именно поэтому крепеж должен осуществляться болтами или винтами, а не гвоздями.

Наслонная стропильная система



Такое обустройство применимо для кровель с расстояниями между стен от 10 метров (максимум 16 метров). Уклон может быть выполнен под любым углом, а внутри здания находятся несущие стены или поддерживающие колонны. Сверху для стропил основной опорой служит коньковый прогон, а снизу эту функцию выполняет мауэрлат. Поддержку внутреннего прогона осуществляет или внутренняя стена, или стойки. За счет наличия только вертикального типа нагрузок, отпадает необходимость в монтаже затяжки.

При 16-ти метровом пролете замена прогона конька выполняется двумя боковыми конструкциями, опорой для которых будут служить стойки.

Важно! Отсутствие изгибов стропильных ног обеспечивается такими узлами, как подкосы и ригели.

Особое внимание на обустройство крыши с использованием стропильной системы наслонного типа следует обратить на такие нюансы:

Особенности расчетов стропильной системы двускатной крыши показаны в видео:

Основные узлы стропильных систем


К основным узлам стропильной системы кровли можно отнести:

  • Стропила. Они выполняют функцию скелета, оказывая поддержку внутренних и внешних элементов крыши, а также служат основой для прокладки коммуникаций;
  • Мауэрлат. Это своеобразный кровельный фундамент, представляющий собой балку, на которую устанавливается вся конструкция. Он выполняет важную функцию — равномерное распределение нагрузки всей конструкции;
  • Прогон. Предназначен для скрепления между собой стропильных ног и может располагаться как сверху, так и сбоку;
  • Затяжка. Служит для фиксации стропил в нижней части конструкции;
  • Подкосы и стойки. Обеспечивают максимально устойчивое расположение стропильных балок;
  • Конек. Место соединения скатов кровли;
  • Кобылки. Это продолжения стропильных ног, которые иногда обустраиваются;
  • Ригель. Необходим для качественной и надежной опоры несущих элементов;
  • Лежень. Поперечный брус, необходимый для распределения нагрузки.

Кроме перечисленных элементов, в конструкцию входят узлы крепления стропильной системы кровли. При их выполнении необходимо обязательно соблюдать определенные правила.

Важно! Выполнять простое крепление основания к перекладине категорически не стоит, так как это может привести к полному разрушению стропильной системы.

Следует использовать такие виды креплений:

  • С упором на конец перекладины ;
  • Зубьями в упор;
  • Зубьями в шип.

Выбирать количество зубьев следует в зависимости от уклона ската, а дополнительная надежность конструкции может быть создана при помощи уголков из металла.

Описание основных крепежных элементов для монтажа стропильной системы

Если в процессе строительства дома было использовано оцилиндрованное бревно либо брус, то создавать армопояс не обязательно. производят на верхнем брусе либо на бревне стенки. С данной целью соединения мауэрлата со стропилами применяют разные способы врубок (врезок).

Каким крепежом крепят металлические стропила:

  1. Пластинами.
  2. Крепежными элементами LK.
  3. Уголками.
  4. Кронштейнами WВ.
  5. Саморезами.
  6. Разновидностями уголка КР.
  7. Стяжками из проволоки.
  8. Монтажной лентой перфорированной ТМ.
  9. Болтами с гайками.
  10. Кронштейнами WВ.

Если при соединении стропил с мауэрлатом применяют кронштейны, то их врезку на стропилах не производят, что способствует укреплению несущей способности. Обычно производят металлические кронштейны, а металл является оцинкованным и имеет размер толщины в 0.2 см. Кронштейны укрепляют гвоздями, анкерными болтами или шурупами.

Применять крепежный элемент LK можно, создавая узлы крепления не только стропил с мауэрлатом, но и других различных элементов, составляющих конструкции кровли. Крепежный элемент LK укрепляется к древесине, как и кронштейны, при этом исключение будет составлять использование анкерных видов болтов.

Монтажная перфорированная лента позволяет усилить соединительные узлы при возведении кровельных систем. Ее применяют не только с целью создания более прочных узлов, но и для укрепления элементов для дополнительного применения с целью придания жесткости либо прочности системе в целом. Крепят перфорированную монтажную ленту шурупами или гвоздями, поэтому используется она с целью усиления конструкции системы стропил любой кровли, целостность которой не будет нарушаться.

С использованием уголков КР и их различных модификаций узлы крепления усиливают, чтобы они могли эффективно участвовать при соединении мауэрлата и стропил. Обеспечение соответствующей прочности узлам кровли допустимо при использовании уголков, что позволяет повысить несущие характеристики кровельной конструкции.

Использование соединительных элементов из металла не связано с врезкой уголков в систему кровли. Это не будет являться причиной понижения несущей способности кровельной системы. Применять уголки для соединения можно с применением шурупов либо гвоздей, выступы которых напоминают ерша.

Как соединяют узлы в коньковой части?

Существует три основных типа крепления в коньковых частях кровельной системы:

  1. Соединение встык.
  2. Крепление на основе конькового прогона.
  3. Коньковый стык внахлест.

С целью крепления первым способом обрезают коньковую часть с верхнего края под углом, который является одинаковым с углом ската крыши. Затем его упирают в необходимое стропило, которое должно быть тоже обрезано под углом, но с противоположной стороны кровли. Для обрезки углов иногда используют специальный шаблон.

Гвозди для соединения стропил под коньком должны быть размером 150 мм и больше, их понадобится две штуки. Каждый гвоздь забивается в стропила в их верхней части под соответствующим углом. Острый конец прибитого гвоздя обычно входит в срез стропила с противоположных сторон. Укрепления конькового стыка можно добиться путем наложения на него пластины из металла сбоку либо деревянной накладки так, чтобы достаточно было притянуть ее с помощью болтов либо гвоздей.

Соединение вторым способом, то есть через коньковый прогон, связано с укреплением стропил на коньковом брусе. Прогон представляет собой одну из дополнительных опорных балок или брусов, который является подпоркой стропил. Он располагается параллельно коньку или мауэрлату. Способ отличается от предыдущего тем, что между стропилами, которые спилены под углом, укладывается коньковая балка, что является трудоемким процессом, поэтому данный способ используется реже.

Более распространен способ, который схож с первым, но отличается он тем, что крепление производится внахлест, а метод стыка не применяется. Стропила должны при этом соприкасаться торцами, а не боковыми поверхностями. Стянуть стропила следует болтом или шпилькой, гвоздями. Это соединение применяется многими мастерами на практике.

В целом устанавливать стропила на мауэрлате можно путем создания конструкций кровельных стропильных систем, которые являются распорными либо безраспорными. Это определяет выбор соответствующего способа соединения мауэрлата и стропил, которые можно аналогично укрепить к коньку.

Основные недочеты при монтаже узлов крепления стропильной системы

Проблема выбора способа крепления стропильной системы к конструкции строения является очень важной при создании узлов крепления. Зачастую при создании узлов мауэрлат служит опорой для стропил. Крепление мауэрлатного бруса осуществляется “намертво” с помощью анкерных болтов к армированному поясу жесткости.

Возможным недочетом является незаанкерованный пояс жесткости, что может привести к опрокидыванию мауэрлатного бруса и нарушению устойчивости кровельной стропильной системы. Происходит расшатывание крыши, а кровля при этом сползает. Из-за ошибочного размещения анкерных болтов или неправильно выполненных отверстий крепление является уже неэффективным.

Если гайки навинчивают с перетягом на болты, то узел крепления становится непрочным и подвергается скорому разрушению. Для создания узла крепления при этом иногда применяется проволочная скрутка.

При строительстве стропильной системы следует соблюдать безопасность соединений.

Например, если стропильная конструкция совмещается с перекрытием без учета несущей способности перекрытия чердака, то это является наиболее опасным моментом, который может повлечь разрушение постройки.

Если затяжку меняют на сборную железобетонную балку перекрытия, предназначенную на изгиб, то использование сборных железобетонных балок должно быть эффективным за счет их жесткого закрепления в армированном поясе жесткости перекрытия, который устроен с использованием арматурного каркаса. Его ось должна идти в одном направлении с действующими силами.

Вместе с тем наличие недочетов в процессе создания стропильной системы, которая является несущей деревянной конструкцией перекрытия, зачастую возникает по причине недопонимания функций, выполняемых затяжкой и ригелем во всей кровельной системе. Затяжка отличается от ригеля тем, что она представляет собой продольную, а ригель – поперечную балку.

Строительство стропильной системы связано с созданием распорной системы, работающей по принципу расхождения внизу плоскостей, что происходит под влиянием не только их собственного веса, но и нагрузки, которая приходится на линию пересечения плоскостей, чему должна препятствовать поперечная балка, то есть затяжка.

Приступая к устройству крыши, следует выяснить все моменты, связанные с допущением определенных ошибок, возникающих при выполнении работ по устройству стропильной системы. Устройство кровли дома связано с возможными трудностями и недочетами, не позволяющими достичь поставленной цели.

Мауэрлат является одним из основных элементов кровельной конструкции. К нему осуществляется крепление стропил. От качественного создания стропильной конструкции зависит эксплуатационный период всей крыши.

Основные способы опирания стропил

Существует несколько технологий опирания стропил на мауэрлат. Можно осуществить жесткую фиксацию конструкции. Она не допускает любого смещения стропильной ноги. Для этого следует воспользоваться подшивным брусом, благодаря которому предотвращается соскальзывание стропил в месте опирания, и металлическими уголками, устраняющими любой боковой сдвиг конструкции.

Скользящее соединение стропильной ноги используется в деревянных домах . Причем основным элементом для ее упора выступает верхний венец, а не мауэрлат. Для предотвращения повреждения кровли узел опирания стропил делается максимально свободным. Для этого следует воспользоваться скользящей опорой, которая при усадке сруба подвергается смещению по закрепленной на ноге направляющей.

Скользящий узел опирания может быть выполнен и по иной технологии. В стропилах делается запил, который должен примыкать к верхнему венцу сруба. Для фиксации балок допустимо использование любых крепежных элементов: скоб, гвоздей или стальных пластин.

Крепежи для осуществления монтажных работ

Чтобы качественно соединить узлы стропил с мауэрлатом, вам понадобятся такие материалы и инструменты, как:

  • сухой брус;
  • доски;
  • топор;
  • ножовка;
  • молоток;
  • рулетка;
  • отвес;
  • уровень;
  • шуруповерт;
  • дрель;
  • болгарка.

Особое внимание следует уделить наличию всех крепежных деталей. Фиксация консолей балок происходит с помощью балочных кронштейнов из оцинкованной стали, которые не уменьшают несущей способности конструкции. Кронштейны в балки врезать не нужно.

Нужно купить и перфорированную монтажную ленту, которая усилит узлы мауэрлата. С ее помощью производится прочное соединение всех элементов конструкции. Лента тоже не врезается в балки. Для ее надежной фиксации применяются гвозди и саморезы.

Помимо кронштейнов и перфорированной ленты, для осуществления надежного опирания стропил к мауэрлату следует приобрести:

  • универсальные соединители бруса;
  • крепежи для стропил;
  • закладные опоры;
  • проволоку-катанку;
  • стальные уголки;
  • стоечный крепеж;
  • саморезы;
  • гвозди;
  • скобы;
  • пластины;
  • оцинкованные гвозди;
  • шпильки с шайбами и гайками;
  • анкерные болты.

Создание конька и установка нижней части стропил

Монтажные работы начинаются с коньковой части кровельной конструкции. Осуществить монтаж стропил можно одним из трех способов:

  • встык;
  • на прогон;
  • внахлест.

Соединение конструкции встык предполагает разрезание верхней части стропильной ноги. Делается это под углом, который равняется наклону кровельного ската. На коньке происходит соединение пары ног. Для получения одинакового узла опирания элементов мауэрлата следует воспользоваться готовым шаблоном.

Особенностью фиксации стропил на прогон является наличие коньковой балки. Такой вариант обустройства мауэрлата отличается повышенной надежностью. Но зачастую такая система опирания стропил предусматривает монтаж дополнительных опорных конструкций, что приведет к снижению функциональности чердака. Естественно, что этот способ не подойдет для маленьких крыш.

Технология монтажа стропил внахлест во многом схожа с их установкой на коньковый прогон. Основное отличие – соединение верхней части ног происходит внахлест. Это приводит к прочному соединению конструкции, поскольку шпильки удерживают сразу два элемента.

Соединение нижних концов стропил осуществляется в зависимости от материала возведения стен. При наличии деревянного домостроения опорным элементом может выступать верхняя обвязка стены. Если при строительстве дома использовались пеноблоки (или газобетон), то опирание стропил производится на мауэрлат.

Устройство армированного железобетонного пояса – оптимальное решение в случае применения кладочных строительных материалов . Такая технология не предусматривает создания каких-либо способов фиксации стропильной системы. В качестве крепежных элементов для бруса выступают вертикально расположенные анкерные болты. Главное, чтобы при заливке бетонного раствора шпильки располагались в строго вертикальном положении.

Соединение стропил с балками и мауэрлатом

После фиксации верхней и нижней части стропил их следует закрепить к балкам. Понятно, что можно соединить стропила с балкой просто гвоздями. Но это не является лучшим решением. Такое крепление не будет максимально надежным. Для предотвращения скольжения всех элементов фиксация стропильной конструкции к балкам происходит путем использования соединений “шип” и “зуб”.

При наличии крутого ската крыши (более 35º) применяется технология врубки с помощью одного зуба. В нижней части стропила делается зуб с шипом. Гнезда, создаваемые в балке, должны иметь глубину на уровне 30% от толщины балки. Устройство стропильных соединений осуществляется на расстоянии 0,3-0,4 м от крайней части балки. Это предотвращает появление сколов балок, возникающих в результате большой нагрузки от давления ног.

При обустройстве крыши с наклоном до 35º установка стропил производится путем расширения площади сопряжения основных элементов конструкции. Обычно стропильную ногу перекрывают балкой. С этой целью в стропильной ноге вырезаются отверстия под два зуба:

  • шип с упором;
  • еще один упор.

Глубина врубки при фиксации стропил к балке составляет в пределах 30% толщины балки.

Более качественные соединения можно получить, если воспользоваться болтами или хомутами. Такая технология предполагает применение проволочных петель, с помощью которых производится фиксация узла к анкерным болтам, находящимся в стене строения.

Опирание на мауэрлат является наиболее распространенным вариантом фиксации нижней части стропил. В стропильной ноге делается вырез такого размера, чтобы ее без проблем можно было надеть на мауэрлат. В ином случае при эксплуатации крыши может произойти смещение бруска.

В некоторых случаях мауэрлат должен быть “оснащен” обратной выемкой. Это зависит от породы дерева, из которой изготовлен брус. Если для его производства применялась древесина из лиственных пород, то делается прорезь, которая в комбинации с выемкой стропил создаст замочный элемент. При изготовлении бруса из хвойного дерева вырез не потребуется, так как он приведет к ослаблению конструкции.

Наиболее приемлемым вариантом для мауэрлата является жесткое сопряжение стропильной системы.

Эта технология может быть выполнена одним из двух способов:

  • с помощью подшивных брусков и уголков, сделанных из металла;
  • путем устройства седел на стропилах.

Первый вариант заключается в том, что для размещения стропил на мауэрлат используется опорный брус. Производится жесткое опирание стропильной ноги. Надежная фиксация конструкции осуществляется металлическими уголками. Это предотвращает поперечное смещение конструкции.

Более популярным является второй вариант. Для крепежа используются гвозди, которые направляются друг к другу и забиваются под углом. Два забитых гвоздя скрещиваются. После чего вбивается еще один гвоздь. Третий гвоздь должен располагаться в вертикальном положении. Сделанный узел крепления будет характеризоваться максимальной жесткостью, если осуществить дополнительное крепление с помощью проволоки-катанки.

В начале планировки мансардной кровли подбирается система стропил, выполняющая роль опорной конструкции . Требуемый тип стропильной системы определяется на основе разновидности крыши.

В зависимости от выбранной системы это могут быть деревянные брусья , применяемые как кровельный каркас, сдерживающий составные стройматериалы всей конструкции, или конкретные элементы, которые создают опоры, называющиеся стропильными ногами. Перед началом работ деревянные составляющие пропитываются особыми составами, которые предохраняют крышу от возгорания и гниения. От качества выполнения этой процедуры напрямую зависит долговечность кровли.

Разновидности стропильных систем и устройство их узлов

Стропильная система разделяется на два основных типа: наслонные и. Поскольку узлы соединения в каждой из систем имеют различные характеристики, определенный тип стропил подбирается, исходя из свойств предпочитаемой крыши, включая ее архитектурные особенности.

Основные факторы при выборе нужного типа системы:

  • общая функциональность кровли;
  • сила давления кровельных стройматериалов на конструкцию;
  • распространенность и частота атмосферных осадков на территории, где располагается дом.

У висячего типа стропил отсутствуют опоры, размещающиеся в промежутках. По этой причине возникает усиленный распор, передающийся на стены строения по горизонтали. Чтобы уменьшить этот показатель, в узел опор внедряют затяжной элемент из древесины или металла, предназначенный для объединения стропильных ног. Таким образом, узлы висячих стропил приобретают форму треугольника. Затяжной элемент размещается в основании ног, он выполняет функцию перекладины (чаще всего используется в двускатных конструкциях крыши) и работает на изгиб и сжатие. От высоты затяжного элемента зависит прочность соединения с основанием опор.

Наслонный тип стропил зачастую обустраивается в строениях, где присутствует центральная опорная колонна или несущая стена. Стропила упираются конечностями в боковые стороны постройки, а центральная часть ложится на колонну или другую опору внутри дома. Такой узел конструкции рассчитан на изгибное функционирование. Наслонные опоры создают меньшую нагрузку на составные части постройки, поэтому их монтаж не такой трудоемкий, как в случае с висячими стропилами. Кроме того, он не требует больших материальных расходов.

Существуют также варианты обустройства крыши, совмещающие в себе оба типа стропил. В этом случае каждый тип чередуется, то есть зоны без несущих стен обустраиваются висячими стропилами, а области с необходимыми опорами – наслонными.

Грамотное обустройство стропильной системы

Основным фактором высокой прочности крыши в будущей постройке является грамотное обустройство всех узлов и опорных точек.

В случае наслонных стропил для мансардной кровли предполагается наличие не менее 3 опорных пунктов. Это значение может поменяться, если величина пролета превышает стандартные нормы. Например, если величина пролета не более 10 м, потребуется всего одна добавочная опора.

Узел висячих опор собирается на основе размеров пролета. На малых пролетах затяжной элемент чаще всего заменяется ригелем. При больших размерах пролета затяжные элементы провисают, а опоры идут на изгиб.

Таким образом, узлы висячего типа могут иметь следующие различия относительно размера пролета:

Рисунок 1. Схема устройства мауэрата.

  1. 9 м. Опоры необходимо сдерживать при помощи деревянного бруска, устанавливающегося перпендикулярно чердачному полу. В области основания он укрепляется скобами, а затяжные элементы крепятся специальными хомутами.
  2. 13 м. Крепеж осуществляется с помощью подкосов, которые верхушкой упираются в основание, а нижней частью – в перпендикулярный брус. Интервал между опорами не должен быть больше 5,5 м.
  3. 17 м. Основание необходимо усилить специальными приспособлениями. Для верхушки применяется шпренгельная структура: затяжные элементы прикрепляются к двум деревянным брускам, а между ними монтируется ригель.

Методы крепления узлов

Вне зависимости от того, требуется замена существующей стропильной системы или ее возведение с нуля, необходимо соблюдать определенный свод правил при креплении ее узлов.

Прежде всего, следует избегать простейшего крепежа перекладины и основания опоры, поскольку это может оказать разрушительное влияние на всю кровельную систему.

Рисунок 2. Крепление стропильной ноги к мауэрлату.

Другими словами, от нагрузки, создаваемой стройматериалами или атмосферными осадками, концы опор соскальзывают, и стропильная система повреждается. Это приводит к ее полному обрушению. Для предотвращения такого исхода необходимо повысить надежность этих узлов. Это достигается при помощи следующих видов крепления:

  • зубья в шип;
  • зубья в упор;
  • упор на конец перекладины.

В зависимости от уклона можно использовать один или два зуба. Чтобы повысить надежность соединения, можно создать дополнительный крепеж при помощи уголков из металла.

Узлы крепления кровельной обрешетки

Основными узлами крепления стропильной системы являются:

  • балочный;
  • мауэрлатный;
  • коньковый.

Балочный узел крепления

Рисунок 3. Схема конькового соединения стропильной системы.

В стропильной ноге создаются зубья в шип, а в перекладине вырезается гнездо, которое соответствует вырезанным зубьям. В этом случае гнездо должно занимать не более 30% от всей толщины перекладины.

Если при постройке кровли использовались легковесные материалы, а ее уклон составляет менее 35°, основания опор размещаются так, чтобы область их упора была значительно больше балки. Этого можно достичь, применив врезку с двумя зубьями в 2 шипа, упором (с использованием шипа или без него), а также двумя шипами в замок.

Узлы системы крепятся либо метизами с металлическими уголками, либо древесными брусками, накладками и шипами.

Мауэрлатный узел крепления

Существует 2 технологии мауэрлатного крепежа опор: жесткий и скользящий (рис. 1).

В первом случае между стропилом и мауэрлатом устанавливается прочное соединение без возможности соскальзывания, прогибов и выскакивания. Это достигается при помощи размещения специальных уголков с опорным бруском. Образованный узел нужно скрепить надежной проволокой при помощи метизов. Гвозди забиваются под определенным наклоном сбоку так, чтобы в мауэрлате они находились в перекрещенном состоянии. Последний гвоздь прибивается по вертикали. Данный метод является наиболее популярным.

Во втором случае крепление осуществляется при помощи особого механизма, позволяющего определенному элементу (в данном случае стропило) передвигаться в нужном направлении(рис 2).

Для создания такого соединения потребуется выполнить врезку на опорах, а затем уложить их на мауэрлат. Как и в предыдущем случае, обе части узла закрепляются при помощи двух скрещенных гвоздей и одним вертикальным сверху. К мауэрлату доски закрепляются металлическими скобами. После этого опорное основание выпускается за стену и скрепляется при помощи пластин и салазок. Таким образом, упор идет на мауэрлат, но все составляющие стропильной системы могут передвигаться в допустимых пределах.

Данный метод чаще всего применяется при возведении кровельной системы деревянных построек (бревна, сруб), которым свойственно оседание. Стоит помнить, что при жестком креплении есть вероятность повреждения стен строения.

Коньковый узел крепления

Такой узел может быть создан двумя методами: встык и внахлест (рис. 3).

Первый метод подразумевает собой обрезку верхушки опор под таким же наклоном, что и угол крыши. Их упирают в противоположные опоры, которые также нужно подрезать. Крепление создается при помощи двух гвоздей (150 мм), забиваемых сверху под определенным углом, чтобы они соразмерно располагались внутри каждого стропила. Для повышения надежности швы между опорами скрепляются деревянными накладками или пластинами из металла.

Второй метод является самым популярным. От первого способа его отличает метод стыковки внахлест. При этом опоры соединяются не торцами, а боковыми частями, после чего их закрепляют на болты.

Стропильная система — это скелет крыши. Именно она отвечает за прочность кровли, ее надежность и сопротивление нагрузкам. При самостоятельном строительстве дома необходимо знать, как правильно сделать узлы крепления стропильной системы, чтобы крыша была надежной и безопасной.

Устройство стропильной системы

Стропильная система состоит из многих элементов, каждый из которых выполняет свою задачу.

  • За распределение нагрузок на стены отвечают мауэрлаты . Эти балки принимают на себя вес всей кровли и лежат на стенах.
  • Стропильные ноги — это наклонные балки, который и создают необходимый угол наклона крыши.
  • Прогоны — это горизонтальные балки, которые скрепляют ноги между собой. Есть коньковый прогон, располагающийся вверху, и боковые, находящиеся с скатах.
  • Затяжки расположены горизонтально и не дают стропильным ногам разъехаться, образуя с ними жесткие треугольники.
  • Стойки и подкосы (подстропильные ноги) — дополнительные элементы, на которые опираются стропильные ноги. Они упираются в лежни.
  • Лежень — горизонтальная балка, находящаяся под коньком, на нее опираются стойки и подкосы. Задача лежня — перераспределить точечную нагрузку от стоек.
  • Конек — место соединения скатов кровли.
  • Обрешетка — бруски или доски, которые набивают перпендикулярно стропилам. На нее укладывают кровельный материал. Задача обрешетки — распределить его вес.
  • Свес — удлиненный край ската, защищающий стены от осадков. Если длины стропильных ног недостаточно для создания свеса, используются дополнительные элементы — кобылки.

Устройство стропильной системы показано на рисунке.

Также в устройстве крыши выделяют стропильные фермы. Это сплошной узел, состоящий из стропильных ног, растяжек, стоек и подкосов (раскосов, укосин). Ферма может быть не только треугольной, но и трапециевидной, сегментной или многоугольной. То, какой тип фермы выбрать, зависит от размеров дома. Если расстояние между стенами составляет 9-18 м, то подойдет треугольная ферма. Для домов шириной от 12 до 24 м используют трапециевидные или сегментные фермы. Если ширина здания больше (до 36 м), то используют многоугольные фермы.

Основными узлами крепления стропильной систему кровли являются это балочный, коньковый и мауэрлатный.

Виды стропильных систем

Стропила могут быть висячими и наслонными .

Висячие опираются на стены и создают распор. Чтобы уменьшить его, в основании стропил делают затяжки, которые соединяют стропила и образуют с ними треугольники. Висячие системы различных типов используются для домов шириной не более 17 м. В зависимости от ширины строения, устраивают их по-разному.

Если ширина дома не больше 9 м, то стропила поддерживаются вертикальным брусом — так называемой бабкой . Она находится под коньком.

Если ширина дома от 9 до 13 м, дополнительно устанавливают подкосы, которые одним концом упираются в стропильные ноги, а другим — в бабку.

При ширине дома 13-17 м используются две вертикальные стойки, соединяющиеся в верхней ригелем (подгоном), как на рисунке.

Наслонные стропила опираются на несущую стену или колонны внутри здания. При таком способе стропило имеет три или больше точек опоры. Наслонный тип стропильной системы создает меньшую нагрузку на стены здания и более прочен, его используют для зданий большей ширины. Такие крыши могут быть устроены по-разному, в зависимости от расположения внутренних стен, они могут быть симметричными или асимметричными.

Как соединяют части стропильной системы

Для соединения деревянных элементов между собой используются гвозди, болты, шпильки, а также металлические пластины и уголки для укрепления узлов. Дополнительно применяются деревянные бруски или пластины.

Методы крепления:

  • зубья в шип,
  • зубья в упор,
  • упор в конец перекладины.

Использование металлического крепежа не уменьшает несущую способность, так как не требуется их врезка, в отличие от крепления, например, методом зубья в шип.

Стропила могут быть не только деревянными, но и металлическими. Для крепления металлических стропил применяют различные уголки, кронштейны, монтажную перфорированную ленту, пластины, болты с гайками или саморезы.

Крепление к мауэрлату

Если стена бетонная, то в ее верхней части делают армированный пояс жесткости, в котором предусматривают шпильки. К ним и будет крепиться мауэрлат.

Стропила к мауэрлату можно крепить двумя способами: жестким и скользящим.

Первый способ более популярен. Для крепления используют специальные уголки с опорным бруском. Есть несколько способов крепления стропилины к мауэрлату.

  • Прибивают каждое стропило тремя гвоздями: два их них должны быть перекрещены, а третий расположен вертикально.
  • Крепление с помощью скобы: один ее конец забивается примерно в середину опорного бруса, а другой поворачивают на 90 градусов и забивают в стропило.
  • Крепление проволокой-катанкой: из сложенной в 4 ряда проволоки делают хомут, которым прикручивают стропило к брусу. Вместо проволоки используют также специальную перфорированную ленту. Иногда такой способ используют в дополнение к другим методам крепления.
  • С помощью уголков: уголок прикручивают шурупами к мауэрлату и стропильной ноге. Лучше применять уголки с двумя рядами отверстий и ребром жесткости.

Недостаток жесткого способа — при оседании здания возможно повреждение стен. Поэтому жесткое крепление применяют в кирпичных зданиях.

Скользящий способ подразумевает, что стропила соединены с мауэрлатом такими крепежными элементами, которые не препятствуют их движению в некоторых пределах. Этот способ используют в деревянных зданиях, которые могут оседать. С помощью особых способов крепления можно достичь того, что стропило будет иметь одну, две или три степени свободы. В последнем случае применяется специальный шарнир.

Одна степень свободы подразумевает, что стропило может поворачиваться по кругу. В этом случае они крепится одним гвоздем или шурупом. Две степени свободы — это поворот по кругу и смещение по горизонтали. Для этого стропила к мауэрлату крепятся металлическими скобами. Используются также специальные уголки-салазки.

При скользящем соединении в небольших зданиях с не очень тяжелой кровлей крепление делается без запилов. Если здание большое, рекомендуется этот узел делать с запилом на стропильной ноге.

Важно! Запил вырезают именно на стропиле, а не на мауэрлате, чтобы не повредить и не ослабить балку.

При этом фиксация может быть как жесткой (с упором в балку), так и подвижной (с зубом на внешней стороне). Иногда вместо выпиливания зуба применяют дополнительный брусок.

Коньковое соединение

После того, как стропильная нога укреплена на мауэрлате, переходят к коньковому узлу крепления. Это соединение можно сделать тремя способами: встык, к коньковому прогону и внахлест.

Для крепления встык стропила спиливают в верхней части под углом, равным наклону крыши, и соединяют гвоздями (150 мм), вбивая их в верхние плоскости стропил, так, чтобы гвозди вошли в торец противоположного стропила. Для прочности прикрепляют металлическую пластину или деревянную накладку, которую также прибивают гвоздями или прикрепляют с помощью болтов..

При креплении к коньковому прогону между стропилами дополнительно укладывается коньковая балка (прогон), этот способ более трудоемкий.

При креплении внахест стропила, находящиеся с противоположных сторон, заходят друг на друга и соприкасаются боковыми поверхностями. Их соединяют болтами, гвоздями или шпильками.

Балочный узел

К балкам стропила прикрепляются следующим образом. Главная задача крепления — не допустить скольжения стропила по балке, поэтому используются различные приемы.

  1. В пятке стропила необходимо вырезать зуб и шип, в балке вырезают соответствующего размера упор.
  2. От свисающего края балки место крепления должно отстоять на 25-40 см.
  3. Гнездо для крепления должно быть глубиной 1/4 — 1/3 толщины балки.
  4. Вместе с зубом вырезают шип, который не дает стропилу сдвинуться вбок. Такое соединение называют «зубом с шипом и упором».

Если крыша более пологая (угол ее наклона меньше 35 градусов), то стропила крепят таким образом, чтобы площадь их соприкосновения с балкой увеличилась. Тогда используют следующие способы:


При создании стропильной системы для крыши важно помнить следующее.

  • Все деревянные элементы перед установкой обрабатывают антисептиком и огнеупорным составом.
  • Толщина любой деревянной части не должна быть меньше 5 см.
  • Стропила без стоек и подкосов не делают длиннее 4,5 м.
  • Мауэрлат должен располагаться строго горизонтально.
  • Стойки и подкосы рекомендуется делать максимально симметрично.
  • Нельзя добавлять элементы в рассчитанную стропильную систему — это может привести к появлению нагрузок там, где они не нужны.
  • В местах стыка дерева с каменной (кирпичной) кладкой нужна гидроизоляция.

Правильно сделанная стропильная система — это залог надежности кровли. Именно стропила принимают на себя весь вес материалов кровли и противостоят ветровым нагрузкам. Поэтому очень важно построить стропильную систему с соблюдением технологии.

Узлы крепления для стропильной системы кровли. Что представляют собой узлы стропильной системы? Узлы крыш с деревянными стропилами

Кроме правильно произведенных расчетов и чертежей, немаловажное значение в устойчивости конструкции имеет крепеж для стропил и всех ее элементов.

Помимо нагрузки атмосферных осадков, стропила должны выдержать вес обрешетки и общий вес кровельного пирога, что необходимо учитывать при подборе крепления.

Стропильная система является пространственной конструкцией, состоящей из следующих элементов:

  • мауэрлат;
  • стропильные ноги;
  • ендовы;
  • коньковые балки;
  • прогоны;
  • обрешетка.

Для того чтобы понять, каким образом все части стропильной системы крепятся между собой, нужно разобраться, из каких узлов она состоит, какие крепления в каждом случае используются и что они собой представляют. При сборке несущей конструкции кровли применяются крепежные элементы, как стальные, так и деревянные.

Основные узлы соединения стропильной системы

Прежде чем соединять между собой мауэрлат и стропильную ногу, первый потребуется прочно соединить со стеной. Мауэрлат представляет собой толстую балку (15х15), уложенную по оси стены и параллельную коньку балки, на которую опираются стропильные ноги. Возложенные функции на данный элемент несущей конструкции заключаются в распределении нагрузки от стропил, веса кровельного пирога и атмосферных осадков по всей стене, включая внутренние опоры. Иными словами, фундаментом для всей крыши является мауэрлат. Его укладывают на ось стены и закрепляют к ней. В данном случае имеется несколько способов соединения.

Способ первый. При устройстве крыши большой площади по всей длине стены заливается армопояс, куда сразу же вмуровывают металлические штыри под резьбу м12 через каждые 2 м. В данном способе в качестве крепежа мауэрлата со стеной будут шпильки, которые насквозь проходят через балку и притягиваются к стене с помощью гайки и шайбы. При небольшой площади крыши, где нет большой нагрузки на стену, обходятся без мауэрлата и стропила крепятся непосредственно на вмурованные в процессе кладки шпильки.

Способ второй. Еще один вполне доступный способ сделать стропильную систему устойчивой – это крепить мауэрлат к стене с помощью проволоки. Для этого понадобится за 3 ряда до конца кладки уложить середину проволоки между рядами кирпичей. Ее длина должна быть достаточной, чтобы хватило обвязать и притянуть мауэрлат к стене. Также можно обойтись без мауэрлата и закрепить стропило проволокой прямо к стене. Но такое соединение даст точечную нагрузку на стену, что может повлиять на ее целостность

Схема крепления стропильной ноги к мауэрлату может быть жесткой и скользящей. Тип соединения зависит от формы крыши и вида стропил, которые могут быть висячими или наслонными.

Жесткое и скользящее соединение нижней части стропил с мауэрлатом

Узлы соединения в данном случае будут выполнены из дерева и могут иметь несколько видов:

  1. Зуб, имеющий только упор.
  2. Зуб, имеющий шип и упор.
  3. Упор непосредственно в балку.

Врубка одинарного зуба используется для крыши с большим углом наклона, где угол между мауэрлатом и стропильной ногой более 35º. Для этого в стропильной ноге потребуется вырезать зуб с шипом, а в мауэрлате создать под него гнездо. Применение шипа позволяет избежать бокового смещения стропила. Врубка двойного зуба используется при монтаже более пологих крыш. Последний способ применяется крайне редко.

В последнее время все чаще деревянное крепление для стропил заменяется металлическим, поскольку позволяет не только получить более надежную , но и значительно сократить работы по ее монтажу. Поэтому в качестве дополнительных крепежей используются металлические стропильные болты, скобы, пластины, хомуты, петли и различные уголки.

Наиболее используемый метод жесткого соединения – это вбивание гвоздей с боковых сторон под углом в мауэрлат. Таким образом происходит внутреннее скрещивание внутри него. Далее для окончательной фиксации соединения вбивается вертикально третий гвоздь. Еще один способ предотвращения поперечного смещения стропильной ноги – это закрепление ее по бокам металлическими уголками.

Схема для подвижного крепежа стропил в нижней части применяется для домов, построенных из оцилиндрованного бревна или бруса. Так как в процессе эксплуатации стропильная система находится в движении из-за изменения своих физических свойств, т. е. происходит усадка здания.

Схема жесткого крепления в данном случае недопустима, поскольку такие подвижки могут привести разрушению стены. Это значит, что узлам крепления требуется обеспечить подвижность. В таких случаях используются специальные шарнирные соединения, которые называются салазки либо уголки с продолговатым отверстием под крепеж. Скользящее сопряжение в данном креплении достигает двух уровней свобод путем свободного движения одного из элементов крепежа.

Узловое коньковое соединение

Коньковое соединение стропильной системы можно получить тремя способами: встык, внахлест и на коньковую балку.

Встык. Верхнюю часть стропильной ноги нужно обрезать под углом, равным уклону крыши. Противоположную ногу также подгоняют под соответствующий угол, но с наклоном в другую сторону. Далее они между собой соединяются в верхней точке с помощью гвоздя, который должен быть забит в торец стропил с захватом противоположного конца. Кроме гвоздей, для более прочного соединения стыков используются специальные пластины. В качестве такого крепежа может выступать как деревянная доска 30 мм, так и металлическая фиксирующая двусторонняя накладка. Для ее установки используются болты или гвозди.

Следующие два способа будут подобными первому, но имеют небольшую разницу. При креплении внахлест верхние части стропильной ноги будут соединены между собой своими боковыми сторонами. Последний вариант осуществляется путем соединения каждого стропила непосредственно к коньковой балке. В данном случае в качестве крепежей используются резьбовые шпильки с шайбами и болты.

Если для придания жесткости стропильной системе используются фермы, то для обеспечения хорошей устойчивости к ветровым нагрузкам потребуется установить необходимое количество диагональных связок. Наличие раскоса и подкоса (подстропильной ноги) в несущей конструкции помогает фронтонам дома быть более устойчивыми. Установка раскоса осуществляется путем упора верхней части в , а нижней частью он упирается в основную балку перекрытия. Подкос помогает снизить нагрузку на стропила по центру. Его монтаж ведется под углом 45º. Закрепляются диагональные связи с использованием хомутов, уголков, пластин.

Виды и особенности металлических крепежей для стропил

Если ранее в качестве таких крепежей мастера использовали деревянные элементы (бруски, накладки, нагели, металлические скобы, деревянные штыри, клинья), то сейчас такие способы уступают более современным видам. Строительный рынок имеет большой модельный ряд металлических крепежей, которые теперь намного прочнее и позволяют процесс сделать намного проще. В технологии изготовления данных элементов используется металл, толщина которого варьируется от 1.5…3,0 мм, что позволяет изделию быть более устойчивым к нагрузкам в сравнении с любым другим материалом. Кроме того, крепежи стропил представлены любых размеров и позволяют с большой точностью осуществлять технологический процесс.

К металлическим крепежам стропил, которые могут быть перфорированными и гвоздевыми, относятся:

  • лента монтажная перфорированная;
  • уголки;
  • пластины;
  • опора балки;
  • опора бруса;
  • проволочная стяжка;
  • саморезы;
  • болты с гайками;
  • уголки КР;
  • кронштейны WB;
  • крепежные элементы LK.

Применение перфорированных изделий позволяет достаточно прочно со всеми частями системы и обеспечить хорошую жесткость и прочность под любым углом. Для них характерно наличие множества отверстий под болты, шурупы и саморезы, с помощью которых и осуществляется крепление к дереву. Размер изделия регулируется обрезкой на нужную длину и ширину.

Также крепежные элементы могут быть гвоздевыми. Однако использование такого вида возможно только в заводских условиях методом просечки, которая отгибает конусовидную часть. Эта операция осуществляется специальными станками под давлением.

Уголки КР имеют большое количество модифицированных видов, снижающие риск обрыва болтового соединения при естественной осадке конструкции. Крепление осуществляется без применения специального оборудования с помощью шурупов и гвоздей.

Кронштейны WB используются для крепления консоли несущей балки при устройстве деревянных перекрытий в домах из оцилиндрованного бревна или бруса. При этом врезка на стропильной ноге не производится, что не ослабляет ее несущей способности. Соединение ведется с использованием анкерных болтов, гвоздей либо шурупов.

Крепеж стропила LK применим в , где требуется соединить стропила и балки. Обладает теми же достоинствами, что и крепеж WB, но процесс осуществляется только шурупами либо гвоздями. Используется при строительстве деревянных домов.

Крепеж в стропильной системе играет огромную роль. Именно от него зависит прочность и длительность эксплуатации всего кровельного пирога. Поэтому к выбору типа и способа крепления следует отнестись с большим вниманием.

  • Основным препятствием для начинающих застройщиков, даже если речь идет о несложной крыше, может стать недостаток знаний о том, что такое узлы стропильной системы. Как их выполнить, чтобы получить прочную, надежную и устойчивую крышу?

    Началом проектирования скатной крыши является выбор стропильной системы, которая должна выполнять функции несущей конструкции. Тип конструкций определяют исходя из вида кровли.

    В одном случае стропила – это брусья или доски, выступающие в качестве «скелета» крыши, который удерживает вес утеплителя и кровельного материала. В другом они могут быть составные, и собираются из отдельных элементов, известных как стропильные ноги.

    Доска и брусья должны пройти специальную пропитку – противопожарную и антисептическую. Чем качественнее это будет выполнено, тем дольше прослужат .

    Составные каркасы подразделяют на два вида: наслонные и висячие. Выбор конкретной системы, помимо архитектурных предпочтений владельцев, зависит от некоторых параметров крыши:

    • ее функциональности,
    • количества испытуемых нагрузок, включая связанные с климатическими особенностями данного региона.

    Висячие стропила промежуточных опор не имеют, поэтому создают существенное распирающее усилие, которое в горизонтальной плоскости передается стенам. Для его уменьшения используют затяжку (деревянную или металлическую), которая, соединяя ноги, завершает треугольную конструкцию. Ноги в ней работают на изгиб и сжатие. Затяжка может быть расположена у основания, и служит в этом случае балкой перекрытия (такой вариант чаще встречается при устройстве мансард), или выше.

    Чем расположение затяжки выше, тем она, с одной стороны, должна быть мощнее, а с другой – надежнее соединена со стропильными ногами.

    Наслонные виды устраивают в домах, имеющих среднюю несущую стену или столбчатые промежуточные опоры. Опираются они своими концами на наружные стены, средней частью – на опоры или внутреннюю стену. В итоге элементы работают по принципу балок – только на изгиб. Вес стропильной системы в случае наслонных при одинаковой ширине дома меньше: для нее требуется меньше пиломатериалов, стало быть, и денежных затрат.

    Если над несколькими пролетами устанавливают единую кровельную конструкцию, висячие и наслонные фермы могут чередоваться: для участков без промежуточных опор – устанавливают висячие, там, где есть – наслонные.

    Как правильно установить стропильную систему

    Одним из условий надежности будущего строения является правильное устройство узлов крепления стропильной системы.

    Наслонные стропила скатной крыши обычно имеют самое меньшее три точки опоры. Их количество может меняться в зависимости от размеров пролета. При ширине пролета до 10 м необходима одна дополнительная опора, при больших значениях их количество увеличивается.
    Конструкция висячих также зависит от ширины пролета. Если он небольшой, затяжку обычно заменяют ригелем. С увеличением пролета затяжка начинает провисать, а ноги – прогибаться.

    При величине пролета
    до 9 м висячие стропила поддерживаются бабкой – специальным вертикальным брусом. Концы ног крепят в ее верхний конец при помощи скоб или хомутов, бабку с затяжкой – хомутом.
    до 13 м – укрепление проводят при помощи подкосов. Верхними концами они опираются в ногу, причем ее длина между опорами не должна быть больше 5,5 м, а нижними – в бабку.
    до 17 м ноги в нижней части усиливают при помощи подмог, для верхней – используют шпренгельную систему: затяжку крепят к двум бабкам и устанавливают между ними ригель.

    Как правильно крепить стропила

    Проводится ли замена стропильной системы или ее монтируют в новом доме, следует придерживаться определенных правил.

    Простое крепление ноги и балки может оказаться даже разрушительным – при создании давления на стропило его конец начинает скользить по балке, что приводит к разрушению кровли.

    Чтобы избежать скольжения и обеспечить надежность, используют следующие виды соединений:

    • зуб с шипом,
    • зуб с упором,
    • упор в конец балки.

    Возможно использование и двух зубьев – это зависит от угла наклона. Для крепления дополнительно к этому соединению используют также металлические уголки.

    Основные узлы каркаса крыши

    Узел крепления к балке

    • В пятке стропила изготавливают зуб с шипом, в балке с соответствующим гнездом для шипа вырезают упор.
    • Глубина гнезда составляет порядка 25–30% от толщины балки.
    • Врубку выполняют на расстоянии 0,25–0,4 м, начиная края балки, который свисает.
    • Одинарный зуб выполняют, как правило, вместе с шипом, который не допускает сдвига вбок. Поэтому такое соединение называют «зуб с шипом и упором».

    В случае полой крыши, угол наклона которой меньше 35°, стропильные ноги устанавливают так, чтобы опорная площадь на балку увеличилась. Для этого пользуются врубкой двумя зубами:

    • в два шипа;
    • упор с шипом и без;
    • двумя шипами в замок.

    Все соединения в конструкции выполняются при помощи крепежей:

    • металлических – шурупов, гвоздей, болтов с шайбами, различных уголков;
    • деревянных – брусьев, треугольных накладок (косынок), шипов.

    К мауэрлату:

    Есть две технологии, согласно которым .

    Жесткое – в этом варианте между данными конструктивными элементами полностью исключается возможность каких-либо воздействий (сдвигов, поворотов, изгибов, кручения). Для достижения подобного результата:

    • при креплении используют уголки с подшивным опорным брусом;
    • выполняется седло (запил) на ноге, полученное соединение дополнительно закрепляется с помощью проволоки, гвоздей и скоб. Гвозди прибивают с боков, по направлению друг к другу под углом (внутри мауэрлата они скрещиваются), затем забивается третий гвоздь в вертикальном положении. Это более распространенный метод крепления.

    Скользящее (шарнирное) – подобного сопряжения, имеющего два уровня свободы достигают за счет использования специального крепежа, который обеспечивает возможность одному из сопрягаемых элементов свободно перемещаться (в заданных пределах).

    Можно выделить следующие варианты скользящего крепления стропил и мауэрлата:

    • выполняется запил, после чего стропила запилом укладывают на мауэрлат:
    • элементы соединяют наискось двумя гвоздями по направлению друг к другу;
    • соединяют одним гвоздем, который прибивают вертикально сверху вниз в тело бруса-основы через ногу;
    • альтернативой гвоздям могут послужить стальные пластины с отверстиями для гвоздей;
    • крепят доски к мауэрлату с помощью скобы;
    • выпускают стропильную ногу за стену и выполняют единичную фиксацию крепежными пластинами;
    • используют специальный стальной крепеж – «салазки».

    Во всех этих случаях обеспечен упор ноги в мауэрлат, но при подвижках элементы системы имеют возможность двигаться по отношению друг к другу.

    Подобное сопряжение особенно актуально для деревянных домов, воздвигаемых из бруса или бревен, которые со временем претерпевают усадку. Использование жесткого сопряжения может стать причиной нарушения целостности стен.

    Стропильная система бывает «плавающей» или жестко-закрепленной. Плавающая крепится на специальных кронштейнах, которые позволяют деревянному каркасу «садиться» одновременно с усадкой фронтонов и не дает им зависать над коньковым бревном .

    Узел конькового соединения

    Способов соединения в коньковой части – три.

    Встык
    Верхний край стропил обрезают под тем же углом, что и угол наклона крыши, упирают в находящееся с противоположной стороны нужное стропило, оно должно быть так же обрезано. Обрезку углов обычно делают по шаблону. Для фиксации под коньком используют два гвоздя (150″) или больше. По одному гвоздю под углом забивают в верхнюю плоскость первого и второго стропила, они при этом должны войти в срез противоположного. Коньковый стык дополнительно укрепляют, наложив на него сбоку деревянную накладку или металлическую пластину, которую притягивают болтами или гвоздями.

Надежность конструкции крыши напрямую зависит от того, насколько правильно будет смонтирована вся ее несущая система. А основными ее элементами являются стропила. Вся же система состоит из стропильных ног, которые поддерживают и распирают дополнительные элементы, такие как подкосы, затяжки-ригели, боковые прогоны, опорные стойки и растяжки. Стропильные ноги соединяются на коньковой балке сверху, а нижние их края очень часто опираются на , закрепленный на боковых несущих стенах здания.

Так как на мауэрлат выпадает самая большая нагрузка, его изготавливают из мощного бруса. Его сечение определяется массивностью всей стропильной системы, но в основном размер составляет от 150 × 150 до 200 × 200 мм. Этот несущий элемент пр едназначен для равномерного распределения нагрузки от всей конструкции крыши и кровли на несущие стены строения. Крепление стропил к мауэрлату осуществляется различными способами. Они выбираются по месту в зависимости от типа стропильной системы (которая может быть наслонной или висячей), ее сложности и массивности, от величины суммарных нагрузок, которым будет подвергаться вся конструкция крыши.

Разновидности соединительных узлов «стропила — мауэрлат»

Прежде всего, существуют скользящие и жесткие крепления стропил к мауэрлату.

1. Скользящие крепления состоят из двух отдельных элементов, один из которых имеет возможность перемещаться относительно другого.

Эти крепления могут быть разными по конструкции — закрытыми и съемными .


  • Закрытое крепление состоит из уголка, который крепится одной стороной к мауэрлату, а на другой стороне имеет специальную щелевидную проушину. В ней устанавливается металлическая петля с отверстиями для креплений к стропилу. Благодаря свободной, не закрепленной вертикальной стороне уголка, крепление дает возможность стропилу при необходимости несколько смещаться, не оказывая деформирующего воздействия на стены здания.

  • Открытое крепление устроено по тому же принципу, и отличается лишь тем, что металлическая петля не вставляется в проушину, а просто верхняя часть вертикальной полки уголка после монтажа загибается вниз, фиксируя тем самым соединение.
Видео: пример установки подвижного крепления на стропильную ногу и мауэрлат

2. Видов жестких креплений — гораздо больше. Они выбираются в зависимости от массивности деревянных элементов конструкции и способа установки на мауэрлат.


Сюда можно отнести металлические уголки разных размеров, крепления LK, которые надежно зафиксируют стропило, устанавливаемое с помощью запила, не повредив его крепежными саморезами или гвоздями.

  • Крепления LK производится в нескольких размерных вариантах, поэтому их можно подобрать под любую толщину бруска или доски. Толщина металла, из которого изготавливаются это крепежные элементы, составляет 2 мм, какой бы размер они ни имели. В зависимости от величины, крепежные детали имеют разное обозначение.
Обозначение Размер в мм
LK-1L 40 × 170
LK-2P 40 × 170
LK-3L 40 × 210
LK-4P 40 × 210
LK-5L 40 × 250
LK-6P 40 × 250

Необходимо отметить, что эти крепления подходят не только для соединения стропил на мауэрлате – их используют и для фиксации узлов «балки перекрытия – мауэрлат».


Главное преимущество этой крепежной детали — это максимальная жесткость и надежность соединения деревянных элементов.

  • Закрепление стропил с запилом на мауэрлате с помощью уголков осуществляется с двух сторон, что обеспечивает т ребуемую жесткость .

Существуют уголки, предназначенные для крепления стропил без запилов . Они имеют более высокие полки и прикручиваются большим количеством саморезов. Их производят из металла толщиной в 2; 2,5 или 3 мм.


Обозначение Размер
(длина, высота, ширина,
толщина металла)
в мм
Обозначение Размер
(длина, высота, ширина,
толщина металла)
в мм
Усиленный уголок 105 × 105 × 90 × 2 Усиленный уголок KP5 140 × 140 × 65 × 2,5
Усиленный уголок 130 × 130 × 100 × 2 Усиленный уголок KP6 105 × 172 × 90 × 3,0
Усиленный уголок 105 × 105 × 90 × 2 Усиленный уголок KP7 145 × 145 × 90 × 2,5
Усиленный уголок 50 × 50 × 35 × 2 Усиленный уголок KP8 145 × 70 × 90 × 2,5
Усиленный уголок 70 × 70 × 55 × 2 Усиленный уголок KPL1 90 × 90 × 65 × 2
Усиленный уголок 90 × 90 × 40 × 2 Усиленный уголок KPL11 90 × 90 × 65 × 2
Усиленный уголок KP1 90 × 90 × 65 × 2,5 Усиленный уголок KPL2 105 × 105 × 90 × 2
Усиленный уголок KP11 90 × 90 × 65 × 2,5 Усиленный уголок KPL21 105 × 105 × 90 × 2
Усиленный уголок KP2 105 × 105 × 90 × 2,5 Усиленный уголок KPL3 90 × 50 × 55 × 2
Усиленный уголок KP21 105 × 105 × 90 × 2,5 Усиленный уголок KPL4 70 × 70 × 55 × 2
Усиленный уголок KP3 90 × 50 × 55 × 2,5 Усиленный уголок KPL5 50 × 50 × 35 × 2
Усиленный уголок KP4 70 × 70 × 55 × 2,5 Усиленный уголок KPL6 60 × 60 × 45 × 2

О некоторых уголках, приведенных в таблице, нужно сказать несколько слов дополнительно, так как их описание требует уточнений:

— КР 11 и КР21 — это усовершенствованные уголки, маркированные часто, как К Р1 и КР2 . В этих элементах имеется отверстие для анкерного крепления, имеющее овальную форму, которое снижает риск ср ыва болта в случае усадки конструкции.


— КР5 и КР6 — это уголки, применяемые для крепления элементов, на которые выпадает большая несущая нагрузка. Уголок К Р6 тоже снабжен овальным отверстием, и его рекомендовано использовать при создании стропильной системы на новом доме, который будет еще давать усадку. Эти модели востребованы при монтаже конструкций, имеющих большой вес.


— Уголок К М произведен из перфорированной стали и используется для крепления стропил с большим сечением. Особенно он хорошо подходит для деревянных строений. Этот уголок закрепляет элементы конструкции очень надежно , и при его использовании не требуется врезки стропила в мауэрлат — достаточно на первом выпилить правильный угол.


— Уголок KMRP используется для скрепления деталей стропильной системы под прямым углом, в том числе и стропила с мауэрлатом. Он также отличается от обычных уголков своим вытянутым отверстием, с помощью которого возможно смещение при усадке без повреждения крепежного болта. Его можно использовать в конструкции, где нельзя сделать врезку одного элемента к другому.

Производятся уголки KMRP из стали толщиной в 2 мм. Выпускаются три разновидности:

Обозначение уголка Размеры в мм
a b c
KMRP1 60 60 60
KMRP2 80 80 80
KMRP3 100 100 100
  • Другим вариантом закрепления стропил на мауэрлате является установка их между двумя досками, спиленными под определенным углом, и дополнительно в нижней части зафиксированных с помощью металлических уголков или креплений LK.

Такое закрепление дает хорошую жесткость и надежность . Этот способ хорошо подходит в тех случаях, когда стропило нужно закрепить под нужным углом, приподняв его над горизонтальной плоскостью мауэрлата, но закрепив его на вертикальную внешнюю сторону.

  • Способ крепления стропил на мауэрлат, сделанный из бруса не слишком большого сечения. Осуществляется путем усиления бруска с помощью деревянных подкладок, имеющих необходимую толщину.

Крепление с применением усиливающей подкладки

Отрезки досок прикрепляются к мауэрлату с помощью гвоздей или саморезов, в тех местах, где будут установлены стропильные ноги.

В этом случае в стропилах делаются вырезы нужной конфигурации и глубины. Надежно фиксируются стропильные ноги к стене с помощью стальной проволоки, которую закрепляют на вбитый стальной костыль.

  • Кроме вышеописанных способов крепления, стропила прибиваются к мауэрлату с помощью скоб. Нужно отметить, что этот метод достаточно распространен и используется уже очень давно. При правильном закреплении этих элементов, стропильная система прослужит долгие годы.

Крепление «по-старинке» — скобами

Скобы могут иметь различный размер, вбиваются в разных местах соединения.

  • Еще один крепежный элемент, который применяется как вспомогательный — это перфорированная лента ТМ . Ее используют для усиления крепежного узла при необходимости дополнительной его фиксации.

В некоторых случаях этот элемент может быть незаменим, поэтому его тоже нельзя исключать при установке стропильных ног на мауэрлат.

Особенности стропильных систем

Выбирается в зависимости от расположения несущих стен здания. У каждой из систем предусмотрены свои дополнительные подпорные или стягивающие элементы.


Наслонные стропила

Система с наслонными стропилами отличается тем, что имеет одну или несколько опорных точек, кроме несущих стен. В связи с этим, с боковых стен снимается значительная часть нагрузки.


В виде дополнительных подпорных элементов применяют боковые стойки и «бабки», подпирающие и закрепляющиеся на балки перекрытия. А сами балки, в свою очередь, одновременно служат затяжками для конструкции, и также облегчают нагрузку от стропильной системы на несущие стены.


Наслонные стропила крепятся к мауэрлату чаще всего скользящими соединениями, которые способны сдвигаться при усадке или деформации стен, оставляя невредимой конструкцию крыши. Особенно это важно учесть в новых постройках, так как любое недавно выстроенное здание обязательно дает усадку под влиянием колебаний температуры и грунтовых подвижек.

Висячие стропила

Висячими стропила называются в связи с тем, что они не имеют других опор, помимо двух боковых несущих стен. Получается, что они как бы нависают над внутренним пространством строения. В этом случае вся нагрузка от конструкции каркаса крыши выпадает именно на мауэрлат.


Для крепления к мауэрлату висячих стропил используются жесткие крепления с отсутствием степени свободы движения, так как каркасная конструкция имеет всего две точки опоры.


Висячая система стропил является распорной, поэтому оказывает большое давление на стены.


Для снятия части нагрузки со стен строения применяются такие дополнительные элементы, как подкосы, «бабки» и затяжки-ригели, которые, подтягивают систему к коньковому бруску и равномерно распределяют нагрузку на все стены. Ригели устанавливаются параллельно балкам перекрытия и стягивают стропила между собой. Без этих дополнительных деталей конструкция может стать ненадежной .

Расчет установки стропил

Чтобы стропильная система была надежной и прочной, кроме оптимального способа соединения нужно выбрать правильный шаг расположения стропильных ног. Этот параметр выбирается в зависимости от размеров стропил (их и длины между точками опоры), а также – от конструкции крыши.

В данной таблице можно получить информацию о необходимых параметрах для монтажа надежной стропильной системы.

Шаг установки стропильных ног в мм Длина стропильных ног в мм
3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000
600 40×150 40×175 50×150 50×150 50×175 50×200 50×200
900 50×150 50×175 50×200 75×175 75×175 75×200 75×200
1100 75×125 75×150 75×175 75×175 75×200 75×200 100×200
1400 75×150 75×175 75×200 75×200 75×200 100×200 100×200
1750 100×150 75×200 75×200 100×200 100×200 100×250 100×250
2150 100×150 100×175 100×200 100×200 100×250 100×250

Воспользуйтесь , в статье на нашем портале.

Цены на различные виды крепежа для стропил

Крепеж для стропил

Несколько правил по креплению стропил к мауэрлату

Для того чтобы крепления были надежны , необходимо соблюдать ряд правил, которые предусмотрены для этого процесса:

  • Если для крепления используются металлические соединительные детали, то они должны быть закреплены к деревянным соединяющимся элементам с максимальной тщательностью – качественными саморезами нужной длины.
  • Если стропила будут укладываться в запилы в мауэрлате, то размеры должны быть точно выверены. Это позволит обеспечить плотную надежную установку стропила в подготовленный запил, которые должен иметь глубину на ⅓ мауэрлата. Однако, следует помнить, что такое правило будет справедливо лишь в том случае, если мауэрлат изготовлен из мощного бруска, имеющего размер в сечении не менее 150 × 150 мм.

  • Чтобы не ослаблять мауэрлат, чаще всего запилы выполняют в самой стропильной ноге под нужным углом, а дополнительно узел затем фиксируются уголками. Запил не должен в этом случае превышать ¼ толщины стропила. Это крепление — жесткое и может быть применено в висячей стропильной системе.

  • При использовании болтов для скрепления стропил с откосами, затяжками и другими деревянными элементами, нужно обязательно устанавливать на болт шайбу или металлическую пластину, во избежание затопления гайки в древесину и, соответственно, ослабления конструкции.
  • Крепление стропил к мауэрлату только на гвозди или саморезы считается ненадежным , поэтому нужно обязательно использовать уголки или другие металлические крепежные элементы различных конфигураций.

  • При установке стропил на деревянные стены, будь то висячая или наслонная система, рекомендовано крепить их к мауэрлату скользящим креплением, особенно в том случае, если кровельный материал имеет достаточно большой вес.
Видео : несколько примеров крепления стропил к мауэрлату

Конструкция крыши получится прочной и прослужит длительный срок, не деформируясь по, самыми разными внешними воздействиями, если расчеты всех элементов произвести верно , грамотно подобрать и правильно смонтировать все крепежные узлы.

В любом здании основные элементы, на которые выпадает максимальная нагрузка — это фундамент, стены и крыша. Качество монтажа кровли во многом зависит от того, правильно или нет, выполнено устройство стропильной системы. Если узлы крепления стропильной системы не отвечают определенным требованиям, то такая крыша не прослужит даже минимального эксплуатационного срока без ремонтных работ.

Требования к стропильной системе


Стропильная система любой кровли должна соответствовать таким важным требованиям, как:

  • Максимальная жесткость. Любой узел каркаса должен выдерживать нагрузки, не подвергаясь при этом деформации или смещению. Получаемый при обустройстве стропильной системы треугольник должен обеспечивать жесткость конструкции, и ее максимальную устойчивость;
  • Оптимальный вес. В зависимости от кровельного материала выбирают материал, используемый для стропил. Обычно выбирают деревянный брус, но для тяжелых крыш может быть использован и металл.

    Важно! Чтобы предотвратить повреждение стропил, их гниение и образование грибка на древесине, ее обрабатывают антисептиком, а металлические конструкции — антикоррозионными составами.

  • Высокое качество используемых материалов. Древесина, используемая в качестве стропильных ног должна не иметь трещин и сколов.

Разновидности стропильных систем


Крыша может быть обустроена одним из видов стропильной системы, которых существует всего два:

  • Висячие стропила;
  • Наслонные стропила.

Висячая стропильная система


Такая система оптимальна в случае двускатной кровли, когда величина пролета между стенами составляет не более 6-ти метров, но при установке дополнительных элементов применима и для более широких вариантов проемов. Нижней основой для опоры служит мауэрлат, верхняя же часть конструкции упирается друг в друга. Такая конструкция содержит и затяжку — необходимую для снятия нагрузки со стен, за счет уменьшения распора стропил. Балочные затяжки устанавливаются снизу стропильных ног и могут выполнять функции балок перекрытия.

Внимание! Роль затяжки необязательно может выполнять деревянный брус, им может стать и перекрытие из железобетонных конструкций, которым в некоторых домах оборудуется верхний этаж.

Если затяжка расположена выше нижней части стропильной системы, то она называется ригелем . К важным моментам обустройства стропильной системы такого типа можно отнести:

  • Не следует допускать, чтобы кровельный свес опирался на нижнюю часть стропильных ног, которые выводятся за пределы стенки. В такой ситуации лучше всего использовать кобылку (ширина свеса при этом устанавливается в пределах одного метра). При таком обустройстве стропило будет опираться на мауэрлат. Сечение бруса для кобылки выбирается меньшим, чем для стропил;
  • Чтобы придать крыше дополнительной жесткости, и не допустить ее шатания и разрушения сильными порывами ветра, на скате прибивается ветровая доска, к мауэрлату от конька;
  • При влажности материала, используемого для обустройства стропильной системы более 18%, следует предусмотреть шаткость, которую будет вызывать постепенное высыхания древесины. Именно поэтому крепеж должен осуществляться болтами или винтами, а не гвоздями.

Наслонная стропильная система


Такое обустройство применимо для кровель с расстояниями между стен от 10 метров (максимум 16 метров). Уклон может быть выполнен под любым углом, а внутри здания находятся несущие стены или поддерживающие колонны. Сверху для стропил основной опорой служит коньковый прогон, а снизу эту функцию выполняет мауэрлат. Поддержку внутреннего прогона осуществляет или внутренняя стена, или стойки. За счет наличия только вертикального типа нагрузок, отпадает необходимость в монтаже затяжки.

При 16-ти метровом пролете замена прогона конька выполняется двумя боковыми конструкциями, опорой для которых будут служить стойки.

Важно! Отсутствие изгибов стропильных ног обеспечивается такими узлами, как подкосы и ригели.

Особое внимание на обустройство крыши с использованием стропильной системы наслонного типа следует обратить на такие нюансы:


Особенности расчетов стропильной системы двускатной крыши показаны в видео:

Основные узлы стропильных систем


К основным узлам стропильной системы кровли можно отнести:

  • Стропила. Они выполняют функцию скелета, оказывая поддержку внутренних и внешних элементов крыши, а также служат основой для прокладки коммуникаций;
  • Мауэрлат. Это своеобразный кровельный фундамент, представляющий собой балку, на которую устанавливается вся конструкция. Он выполняет важную функцию — равномерное распределение нагрузки всей конструкции;
  • Прогон. Предназначен для скрепления между собой стропильных ног и может располагаться как сверху, так и сбоку;
  • Затяжка. Служит для фиксации стропил в нижней части конструкции;
  • Подкосы и стойки. Обеспечивают максимально устойчивое расположение стропильных балок;
  • Конек. Место соединения скатов кровли;
  • Кобылки. Это продолжения стропильных ног, которые иногда обустраиваются;
  • Ригель. Необходим для качественной и надежной опоры несущих элементов;
  • Лежень. Поперечный брус, необходимый для распределения нагрузки.

Кроме перечисленных элементов, в конструкцию входят узлы крепления стропильной системы кровли. При их выполнении необходимо обязательно соблюдать определенные правила.

Важно! Выполнять простое крепление основания к перекладине категорически не стоит, так как это может привести к полному разрушению стропильной системы.

Следует использовать такие виды креплений:

  • С упором на конец перекладины ;
  • Зубьями в упор ;
  • Зубьями в шип .

Выбирать количество зубьев следует в зависимости от уклона ската, а дополнительная надежность конструкции может быть создана при помощи уголков из металла.

К основным узлам крепления стропильной конструкции относятся:

  • Балочный узел;
  • Мауэрлатный узел;
  • Коньковый узел.

Балочный узел


При таком узле соединения элементов, в стропило выполняется вставка из зубьев в шип, а в поперечном участке перекладины делается углубление, соответствующее зубьям. Такое углубление или гнездо должно составлять не более 30% толщины бруса.

Крепление выполняется специальными метизами с уголками из металла, или древесными брусьями, шипами и накладками.

Внимание! Если кровля выполнена из материалов с незначительным весом, а уклон ее ската не превышает значение 35º, то следует размещать основания опор таким образом, чтобы они упирались в площадь большую, чем сама балка.

Мауэрлатный узел


Такое крепление может быть выполнено как по жесткой технологии, так и по скользящей. Жесткая технология предполагает установку между мауэрлатом и стропилом прочного соединения, предотвращая возможность соскальзывания, прогиба или выскакивания. Для этого используются специальные опорные уголки с брусками. Полученный в результате узел скрепляется проволокой с применением метизов. При этом забивать гвозди следует наискосок, чтобы они входили в древесину наперекрест. Последний гвоздь должен быть вбит по вертикали.

В случае скользящего крепления совмещение выполняется с применением специального механизма, который позволяет передвигать стропильную ногу в необходимом направлении. Для этого выполняется врезка на опорах, на которые потом укладывается мауэрлат. Закрепляется конструкция, как и в предыдущем случае, скрещенными гвоздями. Такой способ обустройства узлов соединения позволяет всем узлам стропильной конструкции смещаться в некоторых пределах.

Внимание! Жесткое крепление при неопытности строителей может привести к повреждению стен постройки.

Коньковый узел


В этом случае крепление также может быть выполнено двумя видами — встык и внахлест. При стыковом соединении верхушка опор обрезается со скосом, как и угла наклона крыши. Они опираются в такие же подрезанные противоположные опоры. Крепление выполняется с использованием гвоздей, в количестве двух штук. Их забивают сверху под определенным углом. Швы, которые образуются между опорами, соединяют металлическими накладками или пластинами. Во втором случае скрепление выполняется стыковкой внахлест, не торцевыми частями, а боковыми участками и закрепляются при помощи болтов.

Заключение


Выполняя работы по монтажу крыши, обустройству стропильной системы следует уделить тщательное внимание, не допуская нарушения технологических процессов. Это обеспечит конструкции прочность, долговечность и надежность.

Можно ли выделить какую-то главную деталь в кровле? Вряд ли это получится, так как здесь каждый элемент выполняет свою функцию. Например, стропила – это часть крыши, имеющей скаты, которую можно назвать каркасом. Именно на них будет укладываться кровельный материал, будут крепиться другие элементы. Именно от того, как собрана и установлена стропильная система, будет зависеть и итоговая форма кровли. Но если работы по созданию крыши выполняются самостоятельно, то как крепить стропила? На самом деле, это достаточно сложный этап работ, от которого будет зависеть и прочность, и надежность, и даже геометрическая правильность крыши.

Стропильная система – это каркас крыши со скатами, собранный из непосредственно самих стропильных ног, а также мауэрлата и конькового бруса. Мауэрлат – это опорный брус, который располагается по периметру верхней части стен дома, а коньковый брус устанавливается непосредственно в верхней части кровли в том месте, где происходит соединение двух противоположных стропильных ног под углом.

Проектирование стропильной системы – важная задача, во время которой приходится правильно рассчитывать ветровую и снеговую нагрузки, которые будут приходиться на кровлю, а также учитывать и другие параметры. Первые показатели будут зависеть от того, в каком климатическом регионе будет находиться строящийся объект. Далее на основе полученных данных производится расчет толщины непосредственно стен дома (несущих), а также выбирается качество и тип материала для самой кровли, высчитывается угол наклона ее скатов и другие моменты.

Внимание! Недочеты и ошибки, допущенные при проектировании, могут негативно сказаться на качестве кровли. В ряде случаев они могут привести к быстрому обрушению или разрушению крыши.

В конструкцию стропильной системы могут входить сами стропила, стяжки, которые будут располагаться между ними, прогоны, дополнительные опоры – так называемые подстропильные ноги – и прочие элементы. Собранная стропильная система опирается обычно на тот самый мауэрлат либо на балки перекрытия. Мауэрлат помогает равномерно распределять нагрузку по всему периметру стен. В этом главное отличие данного способа крепления. Если крепить стропильную систему на балки перекрытий, то есть без установки мауэрлата, то основная нагрузка будет приходиться на точки крепления, а не распределяться равномерно по всем стенам.

На заметку! Последний случай – не вариант, если стены сделаны из кирпича, который начнет разрушаться со временем в местах, испытывающих максимальную нагрузку. А вот для деревянного сруба такой способ вполне подойдет.

Таблица. Зависимость сечения стропильных ног от их длины и шага.

Шаг, см / Длина, см 300 350 400 450 500 550 600
60 4х15 4х17,5 5х15 5х15 5х17,5 5х20 5х20
90 5х15 5х17,5 5х20 7,5х17,5 7,5х17,5 7,5х20 7,5х20
110 7,5х12,5 7,5х15 7,5х17,5 7,5х17,5 7,5х20 7,5х20 10х20
140 7,5х15 7,5х17,5 7,5х20 7,5х20 7,5х20 10х20 10х20
175 10х15 7,5х20 7,5х20 10х20 10х20 10х25 10х25
215 10х15 10х17,5 10х20 10х20 10х25 10х25

Узлы соединения стропильной системы. Подкос стропильной системы

Кровельная система представляет собой часть устройства крыши с наружной стороны, которая поддерживается несущей конструкцией. В ее состав входит обрешетка и стропильная система. Треугольник, лежащий в основе данной системы, должен являться жестким и наиболее экономичным конструктивным элементом, который содержит узлы крепления стропил кровли.

Главные характеристики узлов стропильной системы

Основные узлы крепления стропильной системы кровли показаны на рис. 1. Они подразумевают наличие стропильной ноги (мауэрлата – 1), стропильной ноги (конькового прогона – 2), стойки (затяжки – 3). Конструкция стропильной системы – это основной несущий элемент кровли.

Все узлы крепления кровли должны иметь достаточную прочность, это должно исключать значительную степень риска, связанного с обрушением кровли. Последствия допущенной ошибки при соединении элементов могут оказаться самыми непредсказуемыми.

Рисунок 1. Основные узлы крепления стропильной системы кровли: 1 – мауэрлат, 2 – коньковый прогон, 3 – затяжки.

Вначале производят установку стропил на мауэрлате при наличии у строения кирпичных стен. Аналогичные узлы предусматриваются и для блоков из бетона, тогда необходимо создать железобетонный пояс жесткости, а в его конструкцию обязательно вставить шпильки. Их расположение должно быть на расстоянии от 1 до 1,5 м друг от друга, а их диаметр должен составлять более 14 мм. Верх шпилек должен быть оснащен специальной резьбой.

Мауэрлат просверливают, делая отверстия, которые необходимы для крепления элементов на нем. Каждое из отверстий должно иметь размер, совпадающий с диаметром шпильки, а его шаг должен соответствовать расстоянию между шпильками. На каждый выступающий конец шпильки надевают гайку и затягивают ее, за счет чего и обеспечивается прочность соединения мауэрлата и стены. Соединять стропила с мауэрлатом следует так, чтобы не произошло ослабление их несущей способности.

Описание основных крепежных элементов для монтажа стропильной системы

Если в процессе строительства дома было использовано оцилиндрованное бревно либо брус, то создавать армопояс не обязательно. производят на верхнем брусе либо на бревне стенки. С данной целью соединения мауэрлата со стропилами применяют разные способы врубок (врезок).

Каким крепежом крепят металлические стропила:

  1. Пластинами.
  2. Крепежными элементами LK.
  3. Уголками.
  4. Кронштейнами WВ.
  5. Саморезами.
  6. Разновидностями уголка КР.
  7. Стяжками из проволоки.
  8. Монтажной лентой перфорированной ТМ.
  9. Болтами с гайками.
  10. Кронштейнами WВ.

Если при соединении стропил с мауэрлатом применяют кронштейны, то их врезку на стропилах не производят, что способствует укреплению несущей способности. Обычно производят металлические кронштейны, а металл является оцинкованным и имеет размер толщины в 0.2 см. Кронштейны укрепляют гвоздями, анкерными болтами или шурупами.

Применять крепежный элемент LK можно, создавая узлы крепления не только стропил с мауэрлатом, но и других различных элементов, составляющих конструкции кровли. Крепежный элемент LK укрепляется к древесине, как и кронштейны, при этом исключение будет составлять использование анкерных видов болтов.

Монтажная перфорированная лента позволяет усилить соединительные узлы при возведении кровельных систем. Ее применяют не только с целью создания более прочных узлов, но и для укрепления элементов для дополнительного применения с целью придания жесткости либо прочности системе в целом. Крепят перфорированную монтажную ленту шурупами или гвоздями, поэтому используется она с целью усиления конструкции системы стропил любой кровли, целостность которой не будет нарушаться.

С использованием уголков КР и их различных модификаций узлы крепления усиливают, чтобы они могли эффективно участвовать при соединении мауэрлата и стропил. Обеспечение соответствующей прочности узлам кровли допустимо при использовании уголков, что позволяет повысить несущие характеристики кровельной конструкции.

Использование соединительных элементов из металла не связано с врезкой уголков в систему кровли. Это не будет являться причиной понижения несущей способности кровельной системы. Применять уголки для соединения можно с применением шурупов либо гвоздей, выступы которых напоминают ерша.

Как соединяют узлы в коньковой части?

Существует три основных типа крепления в коньковых частях кровельной системы:

  1. Соединение встык.
  2. Крепление на основе конькового прогона.
  3. Коньковый стык внахлест.

С целью крепления первым способом обрезают коньковую часть с верхнего края под углом, который является одинаковым с углом ската крыши. Затем его упирают в необходимое стропило, которое должно быть тоже обрезано под углом, но с противоположной стороны кровли. Для обрезки углов иногда используют специальный шаблон.

Гвозди для соединения стропил под коньком должны быть размером 150 мм и больше, их понадобится две штуки. Каждый гвоздь забивается в стропила в их верхней части под соответствующим углом. Острый конец прибитого гвоздя обычно входит в срез стропила с противоположных сторон. Укрепления конькового стыка можно добиться путем наложения на него пластины из металла сбоку либо деревянной накладки так, чтобы достаточно было притянуть ее с помощью болтов либо гвоздей.

Соединение вторым способом, то есть через коньковый прогон, связано с укреплением стропил на коньковом брусе. Прогон представляет собой одну из дополнительных опорных балок или брусов, который является подпоркой стропил. Он располагается параллельно коньку или мауэрлату. Способ отличается от предыдущего тем, что между стропилами, которые спилены под углом, укладывается коньковая балка, что является трудоемким процессом, поэтому данный способ используется реже.

Более распространен способ, который схож с первым, но отличается он тем, что крепление производится внахлест, а метод стыка не применяется. Стропила должны при этом соприкасаться торцами, а не боковыми поверхностями. Стянуть стропила следует болтом или шпилькой, гвоздями. Это соединение применяется многими мастерами на практике.

В целом устанавливать стропила на мауэрлате можно путем создания конструкций кровельных стропильных систем, которые являются распорными либо безраспорными. Это определяет выбор соответствующего способа соединения мауэрлата и стропил, которые можно аналогично укрепить к коньку.

Основные недочеты при монтаже узлов крепления стропильной системы

Проблема выбора способа крепления стропильной системы к конструкции строения является очень важной при создании узлов крепления. Зачастую при создании узлов мауэрлат служит опорой для стропил. Крепление мауэрлатного бруса осуществляется “намертво” с помощью анкерных болтов к армированному поясу жесткости.

Возможным недочетом является незаанкерованный пояс жесткости, что может привести к опрокидыванию мауэрлатного бруса и нарушению устойчивости кровельной стропильной системы. Происходит расшатывание крыши, а кровля при этом сползает. Из-за ошибочного размещения анкерных болтов или неправильно выполненных отверстий крепление является уже неэффективным.

Если гайки навинчивают с перетягом на болты, то узел крепления становится непрочным и подвергается скорому разрушению. Для создания узла крепления при этом иногда применяется проволочная скрутка.

При строительстве стропильной системы следует соблюдать безопасность соединений.

Например, если стропильная конструкция совмещается с перекрытием без учета несущей способности перекрытия чердака, то это является наиболее опасным моментом, который может повлечь разрушение постройки.

Если затяжку меняют на сборную железобетонную балку перекрытия, предназначенную на изгиб, то использование сборных железобетонных балок должно быть эффективным за счет их жесткого закрепления в армированном поясе жесткости перекрытия, который устроен с использованием арматурного каркаса. Его ось должна идти в одном направлении с действующими силами.

Вместе с тем наличие недочетов в процессе создания стропильной системы, которая является несущей деревянной конструкцией перекрытия, зачастую возникает по причине недопонимания функций, выполняемых затяжкой и ригелем во всей кровельной системе. Затяжка отличается от ригеля тем, что она представляет собой продольную, а ригель – поперечную балку.

Строительство стропильной системы связано с созданием распорной системы, работающей по принципу расхождения внизу плоскостей, что происходит под влиянием не только их собственного веса, но и нагрузки, которая приходится на линию пересечения плоскостей, чему должна препятствовать поперечная балка, то есть затяжка.

Приступая к устройству крыши, следует выяснить все моменты, связанные с допущением определенных ошибок, возникающих при выполнении работ по устройству стропильной системы. Устройство кровли дома связано с возможными трудностями и недочетами, не позволяющими достичь поставленной цели.

Стропильная система – каркас крыши дома, который несет на себе и равномерно распределяет вес кровельного пирога, порой доходящий до 500 кг/м2. Надежность этого своеобразного остова зависит от трех факторов: точности расчета, исходя из чего подбирается количество и сечение опорных элементов, материал, из которого он изготавливается, а также от правильности технологии крепления. Зная, как правильно крепить стропила, можно существенно увеличить несущую способность каркаса, сделав его более прочным и надежным. Ошибки в монтаже, напротив, приводят к ощутимым потерям прочности и деформациям крыши. В этой статье мы расскажем об основных видах и способах креплений, с помощью которых можно качественно установить стропила своими руками.

Стропильный каркас крыши дома – система взаимосвязанных опорных элементов из дерев или металла, которые придают конструкции форму, уклон, а также равномерно распределяют ее вес между несущими стенами. Его главным компонентом являются стропильные ноги, представляющие собой установленные под углом балки, которые соединяются попарно вдоль ската, образуя в верхней точке своего соединения конек. Существует две основных разновидности стропил:

  • Наслонные. Наслонными стропилами называют опорные элементы, которые в конструкции крыши имеют две точки опоры – на коньковый прогон и мауэрлат. Стропильная система такого типа используется в сооружениях, имеющих внутри одну или более несущие стены, на которые можно «наслонить» стропила. Такое крепление стропил позволяет разгрузить их за счет использование дополнительных вертикальных опор.
  • Висячие. Висячими называются элементы, которые имеют только одну точку опоры, располагающуюся там, где происходит крепление стропил к стене или мауэрлату. Стропильная система висячего типа испытывает нагрузку не только на изгиб, но и на распирание, поэтому она усиливается горизонтальными компенсирующими элементами (ригелями, затяжками, схватками).

Обратите внимание! В большинстве наиболее популярных стропильных систем осуществляется крепление стропил к мауэрлату. Мауэрлатом называют массивный брус или балку с сечением 150х150 мм или 200х200 мм, укладываемый вдоль несущих стен сооружения, на которые впоследствии будут опираться стропильные ноги. Он смягчает давление на стены дома, а также равномерно распределяет вес кровельного пирога. Прикрепить мауэрлат к верхнему поясу стен можно с помощью анкерных болтов или вмурованных металлических шпилек.

Основные соединительные узлы

Стропильный каркас называют системой, потому что все его элементы тесно взаимосвязаны и зафиксированы, в результате чего конструкция крыши приобретает устойчивую форму, жесткость и высокую несущую способность. Каждый соединительный узел между его частями является уязвимым местом, которое может легко деформироваться под нагрузкой, поэтому все крепления должны выполняться строго по технологии. Опытные мастера выделяют типы соединений в конструкции кровли:

  1. Крепление стропил к коньковому брусу. Этот соединительный узел характерен только для наслонных стропильных систем, в которых верхней частью стропильная нога опирается на коньковый прогон, закрепленный на вертикальных стойках. Крепление стропил к нему может выполняться с помощью металлических накладок, гвоздей или скользящих креплений-ползунов.
  2. Крепление стропил к мауэрлату. Наиболее важным крепежным узлом стропильного каркаса считается место соединения мауэрлатного бруса со стропильными ногами. Зафиксировать стропила на нем можно с помощью гвоздей, металлических уголков или деревянных брусков.
  3. Соединение стропил между собой. Чтобы удлинить стропильные ноги, если длина ската превышает стандартную длину пиломатериалов, их собирают из нескольких элементов, соединенных между собой с помощью гвоздей, клея или металлических накладок.
  4. Соединение стропильных ног с вспомогательными опорными элементами. В конструкции стропильного каркаса стропила могут соединяться с затяжкой, ригелем или подкосами для увеличения жесткости, прочности и несущей способности.

Учтите, что любые запилы, выполняемые, чтобы прикрепить стропила к балкам, мауэрлату или другим конструктивным элементам каркаса приводят к уменьшению их прочности, поэтому опытные мастера рекомендуют соединять их между собой с помощью уголков и накладок.

Способы фиксации

Решая вопрос, как крепить стропила к мауэрлату или коньковому прогону, необходимо правильно подобрать крепежную фурнитуру. Современный строительный рынок располагает огромным ассортиментом разнообразных по конструкции и размеру креплений. Главными критериями выбора крепежа являются материал, использованный для изготовления стропила, их сечение, а также вид нагрузки, которому они подвергаются. Существуют следующие способы крепления стропил:


Опытные мастера считают, что наиболее надежным способом фиксации стропил является использование металлических уголков, которые прочно соединяют деревянные элементы между собой, жестко фиксируя угол между ними. Уголок, перекрывающий стык между стропильной ногой и коньковым брусом или мауэрлатом, служит своеобразным распором между ними.

Разновидности креплений

Дерево — природный материал, который в процессе выравнивания влажности и высыхания дает значительную усадку, из-за чего линейный размеры сооружения изменяются. Именно поэтому опытные мастера рекомендуют возводить крышу для брусовых и бревенчатых домов, спустя год после постройки, когда процесс усадки переходит из активной в пассивную фазу. Если зафиксировать деревянные элементы каркаса жестко, то после высыхания крыша дома может деформироваться. Поэтому для соединения стропил используют следующие виды креплений:


Интересно, что существует несколько вариантов комбинаций подвижных и неподвижных соединительных узлов. Наиболее распространёнными являются стропильные системы с одним жестким и двумя скользящими креплениями, которые обеспечивают достаточную подвижность при высокой прочности и жесткости конструкции.

Виды крепежных элементов

Среди опытных кровельщиков не стихают споры, чем эффективнее выполнять крепление стропил к балкам перекрытия и мауэрлату. Однако, в большинстве случаев загвоздка в том, что в данных условиях практичнее использовать – гвозди или саморезы. Оба эти крепежные элемента обладают своими достоинствами и недостатками:

  • Гвозди хороши тем, что для их забивания необходим только молоток, который есть в каждом хозяйстве. Однако, некоторые мастера сетуют на то, что забивать их вручную слишком долго. Стоит напомнить, что для фиксации стропил используются специальные зазубренные гвозди, которые надежно сцепляются с древесиной.
  • Для сборки стропильного каркаса используют оцинкованные саморезы, которые не боятся коррозии. За счет резьбы они прочно ввинчиваются в толщу древесины, надежно фиксируя элементы между собой. Завинчивать их быстро и удобно с помощью портативного шуруповерта. Минус этого вида крепежа в том, что при демонтаже удалять саморезы из дерева долго и муторно.

Большинство опытных кровельщиков сходятся на том, что для фиксации стропильных ног лучше использовать оцинкованные ершенные гвозди, длина которых на 5-3 мм превосходит толщину пиломатериалов. Правильно подобранные крепежные элементы – залог качественной и долговременной фиксации каркаса крыши, которой будет не страшны ни механические воздействия, ни ветровая нагрузка.

Видео-инструкция


















Скатная крыша дома состоит из большого количества деталей, каждая из которых соединяется с другими особым способом. Такое соединение называется узлом кровли. В этой статье будем говорить именно об узлах соединения, как это проводят, какие технологии используют, какие крепежные изделия применяют.

Основные части кровельной конструкции

Перед тем как непосредственно перейти к разбору темы статьи, необходимо обозначить, из каких элементов (деталей) состоит кровельная конструкция. Перечислим все основные детали и обозначим их назначение.

    Мауэрлат . Это брус, который укладывают на стены дома, расположенных по периметру постройки. Назначение мауэрлата – равномерно распределить нагрузки, исходящие со стороны стропильной системы. Ведь если мауэрлата не будет, то каждая стропила будет давить на стену точечно. И именно в этом месте произойдет разрушение стеновой конструкции.

    Стропильные ноги . Изготавливают их или из досок толщиною не меньше 50 мм, или из брусов. Стропила являются основой крыши, именно они формируют скаты и несут на себе все нагрузки, действующие на кровельную конструкцию.

    Коньковый прогон . Это самый верхний брус, установленный горизонтально. Его назначение – поддерживать верхние концы стропильных ног. Именно он формирует конек крыши.

Это три основных элемента крыши, о которых и пойдет дальше речь. Конечно, это не все детали кровли, и нельзя говорить о том, что другие менее важные. Просто эти три элемента формируют саму конструкцию. Единственное надо добавить, что в некоторых конструкциях крыш отсутствует коньковый прогон. Просто стропила верхними концами упираются друг в друга. Такой тип стропил называют висячими, а с коньковым прогоном наслонными.

Чтобы кровельная конструкция была максимально надежной , необходимо чтобы узлы крыши были правильно соединены. При этом обязательно учитывают силу действующих нагрузок и их направление.

Как соединять элементы кровельной конструкции

Еще совсем недавно соединение узлов деревянной кровли проводили с помощью врубок. То есть подрезали элементы кровельной конструкции, чтобы соединить их по одной достаточно широкой плоскости. Поэтому, чтобы детали крыши не снижали своих прочностных характеристик, а также несущей способности, их подбирали с достаточно большим сечением. А это не экономно. То есть чем больше сечение пиломатериала, тем дороже он стоит.

Сегодня технологии крепления узлов и деталей кровельной конструкции кардинально изменились. Для этого используют болты, нагели или металлические перфорированные профили. Последние изготавливают из оцинкованной стали, что дает возможность эксплуатировать крепежные изделия долгое время без потери их качества. При этом производители предлагают достаточно широкий их ассортимент для каждого вида узла. На фото ниже показаны некоторые из этих крепежей.

Необходимо отметить, что перфорированные профили постепенно вытеснили все остальные виды крепежей за счет прочности, надежности и простоты проведения крепежных операций. Ведь для этого надо просто профиль установить по требуемому месту и закрепить к разным деталям саморезами по дереву или ершовыми гвоздями.

Давайте теперь рассмотрим, как надо крепить детали кровельной конструкции между собой. В принципе, здесь два вида соединения: мауэрлат-стропила, стропила-коньковый прогон. Остальные детали соединяются параллельно этим стыкам. О них будет также рассказывать.

Соединение мауэрлата и стропил

Вариантов крепления на самом деле огромное количество, начиная обычными гвоздями, заканчивая перфорированными профилями. К примеру, на фото ниже показан вариант, где в качестве крепежа используется обычная проволока. То есть в самой стропиле делают сквозное отверстие, куда вставляют проволоку диаметром 6 мм. Делают отверстие и в мауэрлате или в балке перекрытии.

Затем концы проволоки просовывают в это отверстие и делают скрутку, прижимая стропильную ногу к мауэрлату. Соединение на самом деле прочное и надежное, но процесс трудоемок.

Вместо проволоки можно использовать металлическую ленту толщиною 3 мм. Ею просто оборачивают два соединяемых элемента и через полосу крепят к ними саморезами, чаще гвоздями. В последнем случае нет необходимости высверливать сквозные отверстия в металле. Обратите внимание , что на нижнем фото крепление проведено к армированному поясу анкером, что увеличивает прочность и надежность соединения.

На нашем сайте Вы можете найти контакты строительных компаний, которые предлагают услугу расчета и проведения кровельных работ любой сложности под ключ . Напрямую пообщаться с представителями можно посетив выставку домов «Малоэтажная Страна».

Следующий вид крепления – перфорированный уголок из оцинкованной стали. Самый удобный вариант, но максимально надежный. Для этого уголок просто устанавливают так, чтобы он своими монтажными полочками плотно прижимался к плоскости мауэрлата и стропильной ноги. Крепление проводят саморезами или гвоздями.

Крепить уголки можно не только саморезами или ершовыми гвоздями. Есть другой более надежный вариант, где используют болты. Правда, под них придется сделать отверстия, что увеличивает затратное время на проведение этого вида работ. Но в данном случае качество превыше всего. На фото ниже как раз такой вариант крепления показан. Обратите внимание, что к мауэрлату уголок крепится саморезами, а к стропильной ноге болтом. При этом один болт используется для соединения двух уголок, расположенных на противоположных торцах стропилы.

И еще один вариант крепления – на ползун . Это специального вида крепежный элемент, состоящий из двух частей. Одна крепится к мауэрлату, вторая к стропильной ноге. При этом обе части между собой соединяются не намертво. Это сделано специально для того, чтобы стропилы могли относительно мауэрлата смещаться при температурном расширении пиломатериала. А значит, будут отсутствовать нагрузки, которые действуют на стык двух деталей крыши. На фото ниже этот вариант соединения показан.

На нашем сайте Вы можете ознакомиться с самыми популярными проектами домов комбинированного типа от строительных компаний, представленных на выставке домов Малоэтажная Страна.

Соединение стропил с коньковым прогоном

Второй основной узел деревянной крыши – стык между стропильной ногой и коньковым брусом . На самом деле коньковый узел стропильной крыши очень сложен, потому что на нем стыкуются две стропильные ноги и брус. При этом все элементы располагаются в разных плоскостях, имеется в виду стропила и брус. А значит, для их соединения придется использовать не один крепежный элемент.

    Для соединения стропил между собой применяют перфорированную пластину . Их две, установленные с разных сторон стропильных ног для увеличения прочности и надежности.

    Перфорированные уголки, соединяющие стропила с мауэрлатом. Их четыре по две на каждую стропильную ногу, установленных с разных сторон.

Необходимо отметить, что крепления можно проводить не только саморезами или гвоздями. Нередко мастера используют болты для соединения парных крепежных элементов.

Обратите внимание на другой вид крепления. Здесь используют только уголки. Этот вариант применяют, если в качестве конькового бруса устанавливают доску толщиною 50 мм.

Еще один интересный вариант крепления стропильных ног к коньковому пролету, для чего используют специальные перфорированные профили сложной формы . По сути, это кронштейны, в которые вставляется стропильная нога. Кронштейн не только скрепляет детали между собой, он поддерживает стропилу, снижая нагрузки на ее конец.

Строительные компании, представленные на выставке, регулярно проводят акции для своих клиентов, помогающие существенно сэкономить. На нашем сайте Вы можете найти . Напрямую пообщаться с представителями можно посетив выставку домов «Малоэтажная Страна».

Обратите внимание на все вышеперечисленные варианты соединения стропил между собой. В них четко видно, что торцы стропильных ног стыкуются плотно друг к другу, для чего их приходится подпиливать под определенным углом. Можно обойтись без подпиливания, если использовать сложный крепежный замок, состоящих из нескольких пластин, которые соединяются между собой болтами. На фото ниже этот вариант соединения хорошо виден.

Соединение висячих стропил

Стропильная система этого вида отличается от наслонной тем, что в ней нет конькового прогона . То есть стропильные ноги в верхней части (коньковой) упираются друг в друга. Для того чтобы они не разъехались в разные стороны, стропила между собой соединяют горизонтальной затяжкой. Последняя – это доска, расположенная на любом расстоянии по высоте: сверху, снизу или посередине.

Необходимо отметить, что висячие стропила на крыше по отдельности не собираются. Из них на земле собирают фермы, которые в готовом виде устанавливают на крышу дома. При этом все элементы фермы между собой соединяют перфорированными пластинами.

Видео описание

В видео мастер рассказывает, как надо собирать стропильную ферму, используя перфорированные пластины и гвозди:

Другие виды узлов

Как было сказано выше, деталей в кровельной конструкции много. Поэтому расскажем и покажем еще несколько немаловажных узлов соединения.

Если пролет дома больше 6 м, то под каждую стропилу устанавливают стойку, которая сама должна упираться или в бетонное основание, или в балку перекрытия. При этом соединение стойки со стропильной ногой проводят обычными досками, как показано на фото ниже. Хотя можно использовать перфорированные металлические пластины.

Под коньковый брус также устанавливают вертикальные опорные стойки , которые крепят между собой перфорированными пластинами. Но в некоторых кровельных конструкциях используют совершенно другой подход к решению установки конькового прогона. Под брус монтируют укосины из брусков, которые закрепляют к коньку специальными крепежными элементами, изготовленными из металла. На фото ниже показан один из вариантов такого типа крепежа.

Очень часто при сооружении стропильной системы возникает необходимость удлинить сами стропила. Сделать это несложно, при этом мастера используют несколько технологий, где применяют различные дополнительные крепежные элементы.

Видео описание

В видео показано один из вариантов удлинения стропил:

Кровельные конструкции – это несколько разновидностей их форм. Практически во всех моделях присутствуют большое количество одинаковых элементов. Но есть среди них одна конструкция, которая от других отличается значительно. Это шатровая крыша . Отличительная ее особенность – стропила соединяются верхними краями в одну точку, которая называется коньковым узлом.

Так вот, чтобы соединить стропильные ноги между собой, необходимо опора, к которой они и крепятся. Существует несколько способов, обеспечивающих высокую надежность узла. На фото ниже показан один из них, в котором используются крепежные перфорированные металлические профили П-образной формы.

Заключение по теме

На самом деле нами рассмотрена всего лишь небольшая часть соединительных узлов крепления стропильной системы кровли. Но даже на их примере становится понятно многообразие деталей и узлов. То есть кровельная конструкция – система сложная, состоящая из большого количества разных элементов и деталей, которые соединяются между собой по-разному.

Надежность конструкции крыши напрямую зависит от того, насколько правильно будет смонтирована вся ее несущая система. А основными ее элементами являются стропила. Вся же система состоит из стропильных ног, которые поддерживают и распирают дополнительные элементы, такие как подкосы, затяжки-ригели, боковые прогоны, опорные стойки и растяжки. Стропильные ноги соединяются на коньковой балке сверху, а нижние их края очень часто опираются на , закрепленный на боковых несущих стенах здания.

Так как на мауэрлат выпадает самая большая нагрузка, его изготавливают из мощного бруса. Его сечение определяется массивностью всей стропильной системы, но в основном размер составляет от 150 × 150 до 200 × 200 мм. Этот несущий элемент пр едназначен для равномерного распределения нагрузки от всей конструкции крыши и кровли на несущие стены строения. Крепление стропил к мауэрлату осуществляется различными способами. Они выбираются по месту в зависимости от типа стропильной системы (которая может быть наслонной или висячей), ее сложности и массивности, от величины суммарных нагрузок, которым будет подвергаться вся конструкция крыши.

Разновидности соединительных узлов «стропила — мауэрлат»

Прежде всего, существуют скользящие и жесткие крепления стропил к мауэрлату.

1. Скользящие крепления состоят из двух отдельных элементов, один из которых имеет возможность перемещаться относительно другого.

Эти крепления могут быть разными по конструкции — закрытыми и съемными .


  • Закрытое крепление состоит из уголка, который крепится одной стороной к мауэрлату, а на другой стороне имеет специальную щелевидную проушину. В ней устанавливается металлическая петля с отверстиями для креплений к стропилу. Благодаря свободной, не закрепленной вертикальной стороне уголка, крепление дает возможность стропилу при необходимости несколько смещаться, не оказывая деформирующего воздействия на стены здания.

  • Открытое крепление устроено по тому же принципу, и отличается лишь тем, что металлическая петля не вставляется в проушину, а просто верхняя часть вертикальной полки уголка после монтажа загибается вниз, фиксируя тем самым соединение.
Видео: пример установки подвижного крепления на стропильную ногу и мауэрлат

2. Видов жестких креплений — гораздо больше. Они выбираются в зависимости от массивности деревянных элементов конструкции и способа установки на мауэрлат.


Сюда можно отнести металлические уголки разных размеров, крепления LK, которые надежно зафиксируют стропило, устанавливаемое с помощью запила, не повредив его крепежными саморезами или гвоздями.

  • Крепления LK производится в нескольких размерных вариантах, поэтому их можно подобрать под любую толщину бруска или доски. Толщина металла, из которого изготавливаются это крепежные элементы, составляет 2 мм, какой бы размер они ни имели. В зависимости от величины, крепежные детали имеют разное обозначение.
Обозначение Размер в мм
LK-1L 40 × 170
LK-2P 40 × 170
LK-3L 40 × 210
LK-4P 40 × 210
LK-5L 40 × 250
LK-6P 40 × 250

Необходимо отметить, что эти крепления подходят не только для соединения стропил на мауэрлате – их используют и для фиксации узлов «балки перекрытия – мауэрлат».


Главное преимущество этой крепежной детали — это максимальная жесткость и надежность соединения деревянных элементов.

  • Закрепление стропил с запилом на мауэрлате с помощью уголков осуществляется с двух сторон, что обеспечивает т ребуемую жесткость .

Существуют уголки, предназначенные для крепления стропил без запилов . Они имеют более высокие полки и прикручиваются большим количеством саморезов. Их производят из металла толщиной в 2; 2,5 или 3 мм.


Обозначение Размер
(длина, высота, ширина,
толщина металла)
в мм
Обозначение Размер
(длина, высота, ширина,
толщина металла)
в мм
Усиленный уголок 105 × 105 × 90 × 2 Усиленный уголок KP5 140 × 140 × 65 × 2,5
Усиленный уголок 130 × 130 × 100 × 2 Усиленный уголок KP6 105 × 172 × 90 × 3,0
Усиленный уголок 105 × 105 × 90 × 2 Усиленный уголок KP7 145 × 145 × 90 × 2,5
Усиленный уголок 50 × 50 × 35 × 2 Усиленный уголок KP8 145 × 70 × 90 × 2,5
Усиленный уголок 70 × 70 × 55 × 2 Усиленный уголок KPL1 90 × 90 × 65 × 2
Усиленный уголок 90 × 90 × 40 × 2 Усиленный уголок KPL11 90 × 90 × 65 × 2
Усиленный уголок KP1 90 × 90 × 65 × 2,5 Усиленный уголок KPL2 105 × 105 × 90 × 2
Усиленный уголок KP11 90 × 90 × 65 × 2,5 Усиленный уголок KPL21 105 × 105 × 90 × 2
Усиленный уголок KP2 105 × 105 × 90 × 2,5 Усиленный уголок KPL3 90 × 50 × 55 × 2
Усиленный уголок KP21 105 × 105 × 90 × 2,5 Усиленный уголок KPL4 70 × 70 × 55 × 2
Усиленный уголок KP3 90 × 50 × 55 × 2,5 Усиленный уголок KPL5 50 × 50 × 35 × 2
Усиленный уголок KP4 70 × 70 × 55 × 2,5 Усиленный уголок KPL6 60 × 60 × 45 × 2

О некоторых уголках, приведенных в таблице, нужно сказать несколько слов дополнительно, так как их описание требует уточнений:

— КР 11 и КР21 — это усовершенствованные уголки, маркированные часто, как К Р1 и КР2 . В этих элементах имеется отверстие для анкерного крепления, имеющее овальную форму, которое снижает риск ср ыва болта в случае усадки конструкции.


— КР5 и КР6 — это уголки, применяемые для крепления элементов, на которые выпадает большая несущая нагрузка. Уголок К Р6 тоже снабжен овальным отверстием, и его рекомендовано использовать при создании стропильной системы на новом доме, который будет еще давать усадку. Эти модели востребованы при монтаже конструкций, имеющих большой вес.


— Уголок К М произведен из перфорированной стали и используется для крепления стропил с большим сечением. Особенно он хорошо подходит для деревянных строений. Этот уголок закрепляет элементы конструкции очень надежно , и при его использовании не требуется врезки стропила в мауэрлат — достаточно на первом выпилить правильный угол.


— Уголок KMRP используется для скрепления деталей стропильной системы под прямым углом, в том числе и стропила с мауэрлатом. Он также отличается от обычных уголков своим вытянутым отверстием, с помощью которого возможно смещение при усадке без повреждения крепежного болта. Его можно использовать в конструкции, где нельзя сделать врезку одного элемента к другому.

Производятся уголки KMRP из стали толщиной в 2 мм. Выпускаются три разновидности:

Обозначение уголка Размеры в мм
a b c
KMRP1 60 60 60
KMRP2 80 80 80
KMRP3 100 100 100
  • Другим вариантом закрепления стропил на мауэрлате является установка их между двумя досками, спиленными под определенным углом, и дополнительно в нижней части зафиксированных с помощью металлических уголков или креплений LK.

Такое закрепление дает хорошую жесткость и надежность . Этот способ хорошо подходит в тех случаях, когда стропило нужно закрепить под нужным углом, приподняв его над горизонтальной плоскостью мауэрлата, но закрепив его на вертикальную внешнюю сторону.

  • Способ крепления стропил на мауэрлат, сделанный из бруса не слишком большого сечения. Осуществляется путем усиления бруска с помощью деревянных подкладок, имеющих необходимую толщину.

Крепление с применением усиливающей подкладки

Отрезки досок прикрепляются к мауэрлату с помощью гвоздей или саморезов, в тех местах, где будут установлены стропильные ноги.

В этом случае в стропилах делаются вырезы нужной конфигурации и глубины. Надежно фиксируются стропильные ноги к стене с помощью стальной проволоки, которую закрепляют на вбитый стальной костыль.

  • Кроме вышеописанных способов крепления, стропила прибиваются к мауэрлату с помощью скоб. Нужно отметить, что этот метод достаточно распространен и используется уже очень давно. При правильном закреплении этих элементов, стропильная система прослужит долгие годы.

Крепление «по-старинке» — скобами

Скобы могут иметь различный размер, вбиваются в разных местах соединения.

  • Еще один крепежный элемент, который применяется как вспомогательный — это перфорированная лента ТМ . Ее используют для усиления крепежного узла при необходимости дополнительной его фиксации.

В некоторых случаях этот элемент может быть незаменим, поэтому его тоже нельзя исключать при установке стропильных ног на мауэрлат.

Особенности стропильных систем

Выбирается в зависимости от расположения несущих стен здания. У каждой из систем предусмотрены свои дополнительные подпорные или стягивающие элементы.


Наслонные стропила

Система с наслонными стропилами отличается тем, что имеет одну или несколько опорных точек, кроме несущих стен. В связи с этим, с боковых стен снимается значительная часть нагрузки.


В виде дополнительных подпорных элементов применяют боковые стойки и «бабки», подпирающие и закрепляющиеся на балки перекрытия. А сами балки, в свою очередь, одновременно служат затяжками для конструкции, и также облегчают нагрузку от стропильной системы на несущие стены.


Наслонные стропила крепятся к мауэрлату чаще всего скользящими соединениями, которые способны сдвигаться при усадке или деформации стен, оставляя невредимой конструкцию крыши. Особенно это важно учесть в новых постройках, так как любое недавно выстроенное здание обязательно дает усадку под влиянием колебаний температуры и грунтовых подвижек.

Висячие стропила

Висячими стропила называются в связи с тем, что они не имеют других опор, помимо двух боковых несущих стен. Получается, что они как бы нависают над внутренним пространством строения. В этом случае вся нагрузка от конструкции каркаса крыши выпадает именно на мауэрлат.


Для крепления к мауэрлату висячих стропил используются жесткие крепления с отсутствием степени свободы движения, так как каркасная конструкция имеет всего две точки опоры.


Висячая система стропил является распорной, поэтому оказывает большое давление на стены.


Для снятия части нагрузки со стен строения применяются такие дополнительные элементы, как подкосы, «бабки» и затяжки-ригели, которые, подтягивают систему к коньковому бруску и равномерно распределяют нагрузку на все стены. Ригели устанавливаются параллельно балкам перекрытия и стягивают стропила между собой. Без этих дополнительных деталей конструкция может стать ненадежной .

Расчет установки стропил

Чтобы стропильная система была надежной и прочной, кроме оптимального способа соединения нужно выбрать правильный шаг расположения стропильных ног. Этот параметр выбирается в зависимости от размеров стропил (их и длины между точками опоры), а также – от конструкции крыши.

В данной таблице можно получить информацию о необходимых параметрах для монтажа надежной стропильной системы.

Шаг установки стропильных ног в мм Длина стропильных ног в мм
3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000
600 40×150 40×175 50×150 50×150 50×175 50×200 50×200
900 50×150 50×175 50×200 75×175 75×175 75×200 75×200
1100 75×125 75×150 75×175 75×175 75×200 75×200 100×200
1400 75×150 75×175 75×200 75×200 75×200 100×200 100×200
1750 100×150 75×200 75×200 100×200 100×200 100×250 100×250
2150 100×150 100×175 100×200 100×200 100×250 100×250

Воспользуйтесь , в статье на нашем портале.

Цены на различные виды крепежа для стропил

Крепеж для стропил

Несколько правил по креплению стропил к мауэрлату

Для того чтобы крепления были надежны , необходимо соблюдать ряд правил, которые предусмотрены для этого процесса:

  • Если для крепления используются металлические соединительные детали, то они должны быть закреплены к деревянным соединяющимся элементам с максимальной тщательностью – качественными саморезами нужной длины.
  • Если стропила будут укладываться в запилы в мауэрлате, то размеры должны быть точно выверены. Это позволит обеспечить плотную надежную установку стропила в подготовленный запил, которые должен иметь глубину на ⅓ мауэрлата. Однако, следует помнить, что такое правило будет справедливо лишь в том случае, если мауэрлат изготовлен из мощного бруска, имеющего размер в сечении не менее 150 × 150 мм.

  • Чтобы не ослаблять мауэрлат, чаще всего запилы выполняют в самой стропильной ноге под нужным углом, а дополнительно узел затем фиксируются уголками. Запил не должен в этом случае превышать ¼ толщины стропила. Это крепление — жесткое и может быть применено в висячей стропильной системе.

  • При использовании болтов для скрепления стропил с откосами, затяжками и другими деревянными элементами, нужно обязательно устанавливать на болт шайбу или металлическую пластину, во избежание затопления гайки в древесину и, соответственно, ослабления конструкции.
  • Крепление стропил к мауэрлату только на гвозди или саморезы считается ненадежным , поэтому нужно обязательно использовать уголки или другие металлические крепежные элементы различных конфигураций.

  • При установке стропил на деревянные стены, будь то висячая или наслонная система, рекомендовано крепить их к мауэрлату скользящим креплением, особенно в том случае, если кровельный материал имеет достаточно большой вес.
Видео : несколько примеров крепления стропил к мауэрлату

Конструкция крыши получится прочной и прослужит длительный срок, не деформируясь по, самыми разными внешними воздействиями, если расчеты всех элементов произвести верно , грамотно подобрать и правильно смонтировать все крепежные узлы.

В любом здании основные элементы, на которые выпадает максимальная нагрузка — это фундамент, стены и крыша. Качество монтажа кровли во многом зависит от того, правильно или нет, выполнено устройство стропильной системы. Если узлы крепления стропильной системы не отвечают определенным требованиям, то такая крыша не прослужит даже минимального эксплуатационного срока без ремонтных работ.

Требования к стропильной системе


Стропильная система любой кровли должна соответствовать таким важным требованиям, как:

  • Максимальная жесткость. Любой узел каркаса должен выдерживать нагрузки, не подвергаясь при этом деформации или смещению. Получаемый при обустройстве стропильной системы треугольник должен обеспечивать жесткость конструкции, и ее максимальную устойчивость;
  • Оптимальный вес. В зависимости от кровельного материала выбирают материал, используемый для стропил. Обычно выбирают деревянный брус, но для тяжелых крыш может быть использован и металл.

    Важно! Чтобы предотвратить повреждение стропил, их гниение и образование грибка на древесине, ее обрабатывают антисептиком, а металлические конструкции — антикоррозионными составами.

  • Высокое качество используемых материалов. Древесина, используемая в качестве стропильных ног должна не иметь трещин и сколов.

Разновидности стропильных систем


Крыша может быть обустроена одним из видов стропильной системы, которых существует всего два:

  • Висячие стропила;
  • Наслонные стропила.

Висячая стропильная система


Такая система оптимальна в случае двускатной кровли, когда величина пролета между стенами составляет не более 6-ти метров, но при установке дополнительных элементов применима и для более широких вариантов проемов. Нижней основой для опоры служит мауэрлат, верхняя же часть конструкции упирается друг в друга. Такая конструкция содержит и затяжку — необходимую для снятия нагрузки со стен, за счет уменьшения распора стропил. Балочные затяжки устанавливаются снизу стропильных ног и могут выполнять функции балок перекрытия.

Внимание! Роль затяжки необязательно может выполнять деревянный брус, им может стать и перекрытие из железобетонных конструкций, которым в некоторых домах оборудуется верхний этаж.

Если затяжка расположена выше нижней части стропильной системы, то она называется ригелем . К важным моментам обустройства стропильной системы такого типа можно отнести:

  • Не следует допускать, чтобы кровельный свес опирался на нижнюю часть стропильных ног, которые выводятся за пределы стенки. В такой ситуации лучше всего использовать кобылку (ширина свеса при этом устанавливается в пределах одного метра). При таком обустройстве стропило будет опираться на мауэрлат. Сечение бруса для кобылки выбирается меньшим, чем для стропил;
  • Чтобы придать крыше дополнительной жесткости, и не допустить ее шатания и разрушения сильными порывами ветра, на скате прибивается ветровая доска, к мауэрлату от конька;
  • При влажности материала, используемого для обустройства стропильной системы более 18%, следует предусмотреть шаткость, которую будет вызывать постепенное высыхания древесины. Именно поэтому крепеж должен осуществляться болтами или винтами, а не гвоздями.

Наслонная стропильная система


Такое обустройство применимо для кровель с расстояниями между стен от 10 метров (максимум 16 метров). Уклон может быть выполнен под любым углом, а внутри здания находятся несущие стены или поддерживающие колонны. Сверху для стропил основной опорой служит коньковый прогон, а снизу эту функцию выполняет мауэрлат. Поддержку внутреннего прогона осуществляет или внутренняя стена, или стойки. За счет наличия только вертикального типа нагрузок, отпадает необходимость в монтаже затяжки.

При 16-ти метровом пролете замена прогона конька выполняется двумя боковыми конструкциями, опорой для которых будут служить стойки.

Важно! Отсутствие изгибов стропильных ног обеспечивается такими узлами, как подкосы и ригели.

Особое внимание на обустройство крыши с использованием стропильной системы наслонного типа следует обратить на такие нюансы:


Особенности расчетов стропильной системы двускатной крыши показаны в видео:

Основные узлы стропильных систем


К основным узлам стропильной системы кровли можно отнести:

  • Стропила. Они выполняют функцию скелета, оказывая поддержку внутренних и внешних элементов крыши, а также служат основой для прокладки коммуникаций;
  • Мауэрлат. Это своеобразный кровельный фундамент, представляющий собой балку, на которую устанавливается вся конструкция. Он выполняет важную функцию — равномерное распределение нагрузки всей конструкции;
  • Прогон. Предназначен для скрепления между собой стропильных ног и может располагаться как сверху, так и сбоку;
  • Затяжка. Служит для фиксации стропил в нижней части конструкции;
  • Подкосы и стойки. Обеспечивают максимально устойчивое расположение стропильных балок;
  • Конек. Место соединения скатов кровли;
  • Кобылки. Это продолжения стропильных ног, которые иногда обустраиваются;
  • Ригель. Необходим для качественной и надежной опоры несущих элементов;
  • Лежень. Поперечный брус, необходимый для распределения нагрузки.

Кроме перечисленных элементов, в конструкцию входят узлы крепления стропильной системы кровли. При их выполнении необходимо обязательно соблюдать определенные правила.

Важно! Выполнять простое крепление основания к перекладине категорически не стоит, так как это может привести к полному разрушению стропильной системы.

Следует использовать такие виды креплений:

  • С упором на конец перекладины ;
  • Зубьями в упор ;
  • Зубьями в шип .

Выбирать количество зубьев следует в зависимости от уклона ската, а дополнительная надежность конструкции может быть создана при помощи уголков из металла.

К основным узлам крепления стропильной конструкции относятся:

  • Балочный узел;
  • Мауэрлатный узел;
  • Коньковый узел.

Балочный узел


При таком узле соединения элементов, в стропило выполняется вставка из зубьев в шип, а в поперечном участке перекладины делается углубление, соответствующее зубьям. Такое углубление или гнездо должно составлять не более 30% толщины бруса.

Крепление выполняется специальными метизами с уголками из металла, или древесными брусьями, шипами и накладками.

Внимание! Если кровля выполнена из материалов с незначительным весом, а уклон ее ската не превышает значение 35º, то следует размещать основания опор таким образом, чтобы они упирались в площадь большую, чем сама балка.

Мауэрлатный узел


Такое крепление может быть выполнено как по жесткой технологии, так и по скользящей. Жесткая технология предполагает установку между мауэрлатом и стропилом прочного соединения, предотвращая возможность соскальзывания, прогиба или выскакивания. Для этого используются специальные опорные уголки с брусками. Полученный в результате узел скрепляется проволокой с применением метизов. При этом забивать гвозди следует наискосок, чтобы они входили в древесину наперекрест. Последний гвоздь должен быть вбит по вертикали.

В случае скользящего крепления совмещение выполняется с применением специального механизма, который позволяет передвигать стропильную ногу в необходимом направлении. Для этого выполняется врезка на опорах, на которые потом укладывается мауэрлат. Закрепляется конструкция, как и в предыдущем случае, скрещенными гвоздями. Такой способ обустройства узлов соединения позволяет всем узлам стропильной конструкции смещаться в некоторых пределах.

Внимание! Жесткое крепление при неопытности строителей может привести к повреждению стен постройки.

Коньковый узел


В этом случае крепление также может быть выполнено двумя видами — встык и внахлест. При стыковом соединении верхушка опор обрезается со скосом, как и угла наклона крыши. Они опираются в такие же подрезанные противоположные опоры. Крепление выполняется с использованием гвоздей, в количестве двух штук. Их забивают сверху под определенным углом. Швы, которые образуются между опорами, соединяют металлическими накладками или пластинами. Во втором случае скрепление выполняется стыковкой внахлест, не торцевыми частями, а боковыми участками и закрепляются при помощи болтов.

Заключение


Выполняя работы по монтажу крыши, обустройству стропильной системы следует уделить тщательное внимание, не допуская нарушения технологических процессов. Это обеспечит конструкции прочность, долговечность и надежность.

Мы не можем найти эту страницу

(* {{l10n_strings.REQUIRED_FIELD}})

{{l10n_strings.CREATE_NEW_COLLECTION}}*

{{l10n_strings.ADD_COLLECTION_DESCRIPTION}}

{{l10n_strings.COLLECTION_DESCRIPTION}} {{addToCollection.description.length}}/500 {{l10n_strings.ТЕГИ}} {{$элемент}} {{l10n_strings.ПРОДУКТЫ}} {{l10n_strings.DRAG_TEXT}}

{{l10n_strings.DRAG_TEXT_HELP}}

{{l10n_strings.ЯЗЫК}} {{$select.selected.display}}

{{article.content_lang.display}}

{{l10n_strings.АВТОР}}

{{l10n_strings.AUTHOR_TOOLTIP_TEXT}}

{{$select.selected.display}} {{l10n_strings.CREATE_AND_ADD_TO_COLLECTION_MODAL_BUTTON}} {{l10n_strings.CREATE_A_COLLECTION_ERROR}}

11.2 Метод определения жесткости для одномерных элементов фермы

Мы рассмотрим развитие матричного метода структурного анализа для простого случая конструкции, состоящей только из элементов фермы, которые могут деформироваться только в одном направлении. Это позволит нам получить представление о том, как работает матричный структурный анализ, без необходимости изучать все детали и сложности, которые присутствуют в балочных и рамных системах. Как мы увидим, поскольку у нас есть только одномерные элементы фермы, каждый узел в системе имеет только одну возможную степень свободы (перемещение вдоль оси элементов конструкции).

В предыдущих методах определения жесткости каждая степень свободы рассматривалась отдельно. Например, в методе наклона-прогиба мы получили по одному уравнению для каждой степени свободы. Затем нам нужно было найти неизвестные прогибы и повороты, решив систему уравнений.

В матричном структурном анализе мы придем к тем же уравнениям. Но мы построим эти уравнения, используя матрицы, которые представляют жесткость каждого элемента. Объединив эти матрицы жесткости, мы сможем построить большую матрицу для всей конструкции, которая представляет все уравнения, которые мы использовали ранее в методе отклонения откоса.Поскольку все наши уравнения будут в матричной форме, мы можем воспользоваться матричными методами для решения системы уравнений и определения всех неизвестных прогибов и сил. Компьютеры хорошо приспособлены для решения таких матричных задач.

Одномерный элемент фермы

Напомним, что деформацию элемента фермы можно найти с помощью следующего уравнения:

\begin{equation} \delta = \frac{FL}{EA} \tag{1} \end{equation}

, где $\delta$ — осевая деформация, $F$ — осевая сила в элементе фермы, $L$ — длина элемента, $E$ — модуль Юнга, $A$ — поперечное сечение площадь элемента.Это уравнение можно изменить, чтобы найти следующую зависимость между осевой силой и осевой деформацией:

\begin{equation} \boxed{ F = \left( \frac{EA}{L} \right) \delta } \label{eq:1D-Truss-Force} \tag{2} \end{equation}

Член, умноженный на деформацию для получения силы, представляет собой осевую жесткость:

\begin{equation} \boxed{ k = \frac{EA}{L} } \label{eq:1D-Truss-Stiffness} \tag{3} \end{equation}

На этом фоне мы можем посмотреть на поведение одномерного элемента фермы, как показано на рисунке 11.1. Этот элемент фермы имеет постоянный модуль Юнга $E$ и площадь поперечного сечения $A$. У него есть два конца, которые мы можем считать соединенными с двумя отдельными узлами в нашей структуре, один из которых помечен «1», а другой — «2», как показано на рисунке. Мы можем представить полное поведение всего этого элемента через силу и перемещение двух узлов. Сила в узле 1 помечена как $F_{x1}$, а сила во втором узле помечена как $F_{x2}$. Точно так же смещение узла 1 (относительно его начального положения) помечается как $\Delta_{x1}$, а смещение второго узла помечается как $\Delta_{x2}$.

Рисунок 11.1: Одномерный элемент фермы

Мы можем связать силы со смещениями на двух концах стержня, используя член жесткости из уравнения \eqref{eq:1D-Truss-Stiffness}; однако нам нужно связать конечное смещение с деформацией стержня (это не одно и то же). Например, если и левая, и правая стороны перемещаются на 1,0 положительную единицу (вправо), то весь стержень движется вправо как твердое тело, не расширяясь и не сжимаясь, поэтому деформация будет равна нулю.Деформация может быть связана с перемещениями конечных узлов следующим образом:

\begin{align} \delta = \Delta_{x2} — \Delta_{x1} \tag{4} \end{align}

Итак, полная внутренняя осевая сила в стержне равна:

\begin{align} \boxed{ F = \left( \frac{EA}{L} \right) (\Delta_{x2} — \Delta_{x1}) } \label{eq:truss1D-int-force} \tag{5} \end{align}

Из-за горизонтального равновесия $F_{x1} = -F_{x2}$. Величина этих внешних сил равна внутренней силе в элементе фермы.Если внутренняя сила из уравнения \eqref{eq:truss1D-int-force} положительна, стержень находится в состоянии растяжения, поэтому сила слева ($F_{x1}$) должна быть направлена ​​влево (отрицательна), и сила справа ($F_{x2}$) должна быть направлена ​​вправо (положительна). Итак:

\begin{align} F_{x1} &= -\left( \frac{EA}{L} \right) (\Delta_{x2} — \Delta_{x1}) \label{eq:Truss1D-Mat-Line1 } \tag{6} \\ F_{x2} &= \left( \frac{EA}{L} \right) (\Delta_{x2} — \Delta_{x1}) \label{eq:Truss1D-Mat- Line2} \tag{7} \end{align}

Эти два уравнения определяют поведение силы/прогиба фермы одновременно в обоих узлах.Они являются только функцией перемещений узлов ( узловых перемещений ) и сил, приложенных к узлам ( узловых сил ).

Мы можем легко выразить эти два уравнения в матричной форме следующим образом:

\begin{align} \begin{Bmatrix} F_{x1} \\ F_{x2} \end{Bmatrix} = \begin{bmatrix} \dfrac{EA}{L} & -\dfrac{EA}{L} \\[10pt] -\dfrac{EA}{L} & \dfrac{EA}{L} \end{bmatrix} \begin{Bmatrix} \Delta_{x1} \\ \Delta_{x2} \end{Bmatrix} \tag{8} \end{align}

, где матрица слева от знака равенства называется вектором силы , большая центральная матрица называется матрицей жесткости , а меньшая матрица справа со смещениями называется вектором смещения .Термин вектор просто означает матрицу только с одним столбцом. Если умножить большую центральную матрицу на вектор перемещений справа, то получим:

\begin{align} F_{x1} = \left( \frac{EA}{L} \right) \Delta_{x1} + \left(-\frac{EA}{L} \right) \Delta_{x2 } \tag{9} \\ F_{x2} = \left( -\frac{EA}{L} \right) \Delta_{x1} + \left( \frac{EA}{L} \right) \Delta_ {x2} \tag{10} \end{align}

, которые аналогичны уравнениям \eqref{eq:Truss1D-Mat-Line1} и \eqref{eq:Truss1D-Mat-Line2}.Это матричное уравнение представляет собой полную модель поведения одномерного элемента фермы. Большая матрица в середине называется матрицей жесткости элемента, поскольку она содержит все члены жесткости. Он содержит самую важную для модели информацию, и его полезно рассматривать как отдельный элемент:

\begin{align} k = \begin{bmatrix} \dfrac{EA}{L} & -\dfrac{EA}{L} \\[10pt] -\dfrac{EA}{L} & \dfrac{EA }{L} \end{bmatrix} \tag{11} \\ k = \frac{EA}{L} \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ -1 & 1 \end{bmatrix} \label{eq :1DTRuss-Stiffness-Matrix} \tag{12} \end{align}

Это матрица жесткости одномерного элемента фермы.Другие типы элементов имеют другие типы матриц жесткости. Для элемента фермы в 2D-пространстве нам нужно будет учитывать две дополнительные степени свободы на узел, а также вращение элемента в пространстве. Элементы балки, которые включают в себя осевую силу и деформации изгиба, еще более сложны. Для реальных физических систем матрицы жесткости всегда квадратные и симметричные относительно диагональной оси матрицы.

Другой способ построения матрицы жесткости состоит в том, чтобы найти силы на каждом конце элемента, если элемент испытывает единичную деформацию на каждом конце (отдельно).Это работает, потому что жесткость определяется как сила на единицу деформации. Если мы не знаем матрицу жесткости, мы можем ее вычислить, начав сначала с общей формы матрицы жесткости для нашего элемента:

\begin{align} \begin{Bmatrix} F_{x1} \\ F_{x2} \end{Bmatrix} = \begin{bmatrix} k_{11} & k_{12} \\ k_{21} & k_{ 22} \end{bmatrix} \begin{Bmatrix} \Delta_{x1} \\ \Delta_{x2} \end{Bmatrix} \tag{13} \end{align}

, где $k_11$, $k_12$, $k_21$ и $k_22$ — отдельные члены в матрице жесткости, которые мы хотим найти.Первое число в нижнем индексе — это строка в матрице, в которой находится член жесткости, а второе число — это столбец в матрице, в котором он расположен.

Итак, давайте индивидуально установим каждое смещение равным 1,0, а другое установим равным нулю, чтобы рассчитать условия жесткости. Этот процесс показан на рисунке 11.1. Если мы установим $\Delta_{x1} = 1$ и $\Delta_{x2} = 0$, мы получим:

\begin{align} \begin{Bmatrix} F_{x1} \\ F_{x2} \end{Bmatrix} = \begin{bmatrix} k_{11} & k_{12} \\ k_{21} & k_{ 22} \end{bmatrix} \begin{Bmatrix} 1.0 \\ 0 \end{Bmatrix} \tag{14} \end{align}

Умножая это, получаем:

\begin{align} F_{x1} &= k_{11}(1) + k_{12}(0) \tag{15} \\ F_{x2} &= k_{21}(1) + k_{ 22}(0) \tag{16} \end{align}

Итак, когда $\Delta_{x1} = 1$ и $\Delta_{x2} = 0$, $F_{x1} = k{11}$ и $F_{x2} = k_{21}$. Итак, чтобы найти члены жесткости $k_{11}$ и $k_{21}$, нам просто нужно выяснить, какая сила действует на элемент фермы на каждом конце, когда $\Delta_{x1} = 1$ и $ \Дельта_{x2} = 0$.Эта ситуация показана в середине рисунка 11.1. Когда левая сторона фермы перемещается вправо на 1,0, а правая сторона остается на том же месте, элемент фермы сжимается с полной деформацией $\delta = -1,0$. Это означает, что сила на левом конце стержня равна:

\begin{align} F_{x1} = \left( \frac{EA}{L} \right) (1) \tag{17} \end{align}

, что является положительным, поскольку указывает вправо для сжатия, как показано на рисунке. Сила на правом конце стержня:

\begin{align} F_{x2} = -\left( \frac{EA}{L} \right) (1) \tag{18} \end{align}

, который является отрицательным, поскольку указывает налево для сжатия, как показано на рисунке.Это означает, что:

\begin{align} k_{11} = F_{x1} = \frac{EA}{L} \tag{19} \\ k_{21} = F_{x2} = -\frac{EA}{L} \tag{20} \end{align}

Если мы поменяем смещения и установим $\Delta_{x1} = 0$ и $\Delta_{x2} = 1$, мы получим:

\begin{align} \begin{Bmatrix} F_{x1} \\ F_{x2} \end{Bmatrix} = \begin{bmatrix} k_{11} & k_{12} \\ k_{21} & k_{ 22} \end{bmatrix} \begin{Bmatrix} 0 \\ 1.0 \end{Bmatrix} \tag{21} \end{align}

Умножая это, получаем:

\begin{align} F_{x1} &= k_{11}(0) + k_{12}(1) \tag{22}  \\ F_{x2} &= k_{21}(0) + k_{ 22}(1) \tag{23} \end{align}

Итак, когда $\Delta_{x1} = 0$ и $\Delta_{x2} = 1$, $F_{x1} = k{12}$ и $F_{x2} = k_{22}$.Эта ситуация показана на нижней диаграмме на рисунке 11.1. Когда правая сторона фермы смещается вправо на 1,0, а левая сторона остается на том же месте, элемент фермы находится в состоянии растяжения с полной деформацией $\delta = 1,0$. Это означает, что сила на левом конце стержня равна:

\begin{align} F_{x1} = -\left( \frac{EA}{L} \right) (1) \tag{24} \end{align}

, который является отрицательным, поскольку он указывает влево для напряжения, как показано на рисунке. Сила на правом конце стержня:

\begin{align} F_{x2} = \left( \frac{EA}{L} \right) (1) \tag{25} \end{align}

, что является положительным, поскольку указывает вправо для напряжения, как показано на рисунке.Это означает, что:

\begin{align} k_{12} = F_{x1} = -\frac{EA}{L} \tag{26} \\ k_{22} = F_{x2} = \frac{EA}{L} \tag{27} \end{align}

Если мы теперь возьмем все эти решенные условия жесткости и построим матрицу жесткости элемента, мы получим:

\begin{align} k = \begin{bmatrix} \dfrac{EA}{L} & -\dfrac{EA}{L} \\[10pt] -\dfrac{EA}{L} & \dfrac{EA }{L} \end{bmatrix} \tag{28} \end{align}

, которая представляет собой ту же матрицу жесткости, которую мы получили ранее в уравнении \eqref{eq:1DTruss-Stiffness-Matrix}.

Сборка полной матрицы жесткости

Если у нас есть задача расчета конструкции с несколькими одномерными элементами фермы, мы должны сначала определить матрицы жесткости для каждого отдельного элемента, как описано в предыдущем разделе. После того, как мы определим матрицу жесткости для каждого элемента, мы должны объединить все элементы вместе, чтобы сформировать глобальную матрицу жесткости для всей задачи. Эта матрица определяет все взаимосвязи между элементами и включает всю информацию, относящуюся к жесткости каждого элемента для каждой степени свободы.

Полученная глобальная матрица жесткости помещается в уравнение с вектором глобальной узловой силы (который содержит все силы для каждого узла в каждой степени свободы) и вектором глобального узлового смещения (который содержит все смещения каждого узла в каждой степени свободы). ) чтобы получить глобальную систему уравнений для всей задачи следующего вида:

\begin{align} \begin{Bmatrix} F_1 \\ F_2 \\ F_3 \\ \vdots \\ F_n \end{Bmatrix} = \begin{bmatrix} k_{11} & k_{12} & k_{13} & \cdots & k_{1n} \\ k_{21} & k_{22} & k_{23} & \cdots & k_{2n} \\ k_{31} & k_{32} & k_{33} & \ cdots & k_{3n} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ k_{n1} & k_{n2} & k_{n3} & \cdots & k_{nn} \end{bmatrix } \begin{Bmatrix} \Delta_{1} \\ \Delta_{2} \\ \Delta_{3} \\ \vdots \\ \Delta_{n} \end{Bmatrix} \label{eq:truss1D-Full- Система} \tag{29} \end{align}

, где $F_i$ — внешняя сила, действующая на узел $i$, $k_{ij}$ — глобальный член матрицы жесткости для силы на узле $i$, необходимой для того, чтобы вызвать единичное смещение в узле $j$, и $\ Delta_j$ — смещение в узле $j$.Это для структуры с $n$ узлами, где вам нужна одна строка для каждой узловой степени свободы. Эта глобальная матрица жесткости создается путем сборки отдельных матриц жесткости для каждого элемента, соединенного в каждом узле. Например, элемент, подключенный к узлам 3 и 6, внесет свой локальный член $k_{11}$ в член глобальной матрицы жесткости $k_{33}$. Аналогичным образом, он внесет свой собственный член $k_{12}$ в член $k_{36}$ глобальной матрицы жесткости, $k_{21}$ в $k_{63}$ и $k_{22}$ в $k_ {66}$.Таким образом, матрица жесткости каждого элемента добавляется к глобальной матрице жесткости. Несколько вкладов в одном узле складываются вместе. Этот процесс будет продемонстрирован на примере.

Расчет узловых сил и перемещений

После формирования матрицы жесткости можно решить полную систему уравнений в форме, показанной в уравнении \eqref{eq:truss1D-Full-System}. В каждой узловой степени свободы (каждой строке) мы должны знать либо внешнюю силу, либо узловое отклонение.Тогда мы сможем решить только те ряды, где отклонение неизвестно. Когда у нас есть все узловые отклонения, мы можем найти узловые силы. Затем, используя матрицы жесткости отдельных элементов, мы можем найти внутреннюю силу в каждом элементе.

Существует множество различных компьютерных алгоритмов, которые можно использовать для решения матрицы уравнений, но они выходят за рамки этой книги.

Пример

Полный процесс матричного структурного анализа одномерной фермы будет продемонстрирован на простом примере, показанном на рисунке 11.2. Это одномерная структура, что означает, что всем узлам разрешено двигаться только в одном направлении. Эта конструкция состоит из четырех различных элементов фермы, пронумерованных от одного до четырех, как показано на рисунке. Эти элементы соединены в четырех разных узлах, также пронумерованных от одного до четырех, как показано на рисунке. Левый конец конструкции в узле 1 закреплен и не может двигаться. Узлы 2 и 4 имеют внешние нагрузки, а узел 3 имеет вынужденное смещение вправо на $13\mathrm{\,mm}$ (положительное).

Рисунок 11.2: Метод анализа жесткости для примера одномерной фермы

Элементы фермы на рисунке 11.2 изготовлены из одного из двух различных материалов с модулем Юнга либо $E =9000\mathrm{\,MPa}$, либо $E = 900\mathrm{\,MPa}$. Они помечены на рисунке и заштрихованы по-разному, как показано. Каждый элемент также имеет свою собственную различную площадь поперечного сечения $A$, как показано на рисунке.

Первым шагом в этом анализе является определение матрицы жесткости для каждого отдельного элемента конструкции.Поскольку все это одномерные элементы фермы, мы можем использовать уравнение \eqref{eq:1DTruss-Stiffness-Matrix}. Для элемента 1 (подключен к узлам 1 и 2):

\begin{align*} k_1 &= \frac{E_1 A_1}{L_1} \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ -1 & 1 \end{bmatrix} \\ k_1 &= \frac{9000 (50 )}{4000} \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ -1 & 1 \end{bmatrix} \\ k_1 &= 112,5\mathrm{\, Н/мм} \begin{bmatrix} 1 & -1 \ \ -1 и 1 \end{bmatrix} \end{align*}

Для элемента 2 (подключен к узлам 2 и 3):

\begin{align*} k_2 = \frac{9000 (50)}{5000} \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ -1 & 1 \end{bmatrix} = 90.0\mathrm{\,Н/мм} \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ -1 & 1 \end{bmatrix} \end{align*}

Для элемента 3 (подключен к узлам 2 и 4):

\begin{align*} k_3 = \frac{9000 (90)}{8000} \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ -1 & 1 \end{bmatrix} = 101,2\mathrm{\,N/мм } \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ -1 & 1 \end{bmatrix} \end{align*}

Для элемента 4 (подключен к узлам 3 и 4):

\begin{align*} k_4 = \frac{900 (120)}{3000} \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ -1 & 1 \end{bmatrix} = 36.0\mathrm{\,Н/мм} \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ -1 & 1 \end{bmatrix} \end{align*}

Теперь мы можем сформировать глобальную матрицу жесткости на основе этих индивидуальных матриц жесткости для каждого элемента и расположения связанных узлов для каждого. Например, элемент 3, который соединен с узлами 2 и 4, будет вносить члены жесткости в элементы 22, 24, 42 и 44 глобальной матрицы жесткости. Вклады в глобальную матрицу жесткости $[k]$ от жесткости каждого элемента выглядят следующим образом:

\begin{align*} [k] = \begin{bmatrix} k1 & -k1 & & \\ -k1 & k1 + k2 + k3 & -k2 & -k3 \\ & -k2 & k2 + k4 & -k4 \\ & -k3 & -k4 & k3 + k4 \end{bmatrix} \end{align*}

Подставляя фактические значения жесткости каждого элемента, получаем:

\begin{align*} [k] = \begin{bmatrix} 112.5&-112,5&0&0\-112,5&112,5+90,0+101,2&-90,0&-101,2\0&-90,0&90,0+ 36,0&-36,0\0&-101,2&-36,0&36,0+101,2 \end{bmatrix} \end{align*}

и упрощение:

\begin{align*} [k] = \begin{bmatrix} 112,5 & -112,5 & 0 & 0 \\ -112,5 & 303,7 & -90,0 & -101,2 \\ 0 & -90,0 & 126,0 & -36,0 \\ 0 & -101,2 & -36,0 & 137,2 \end{bmatrix} \end{align*}

Используя эту глобальную матрицу жесткости, мы теперь можем посмотреть на всю систему уравнений для всей конструкции:

\begin{align*} \lbrace F \rbrace &= [k] \lbrace \Delta \rbrace \\ \begin{Bmatrix} F_{1} \\ F_{2} \\ F_{3} \\ F_{ 4} \end{Bmatrix} &= \begin{bmatrix} 112.5 & ​​-112,5 & 0 & 0 \\ -112,5 & 303,7 & -90,0 & -101,2 \\ 0 & -90,0 & 126,0 & -36,0 \\ 0 & -101,2 & -36,0 & 137,2 \end{bmatrix} \begin{ Bmatrix} \Delta_{1} \\ \Delta_{2} \\ \Delta_{3} \\ \Delta_{4} \end{Bmatrix} \end{align*}

Чтобы задача анализа была полностью определена, для каждого узла мы всегда знаем либо внешнюю силу, действующую на этот узел, либо отклонение узла. Знание силы может просто означать, что мы знаем, что внешняя сила равна нулю на узле, но мы не знаем смещения.Для этой задачи, как показано на рис. 11.2, мы знаем, что внешняя сила в узле 2 равна $-350\mathrm{\,N}$ ($F_{2} = -350$), а внешняя сила в узле 4 равно $+1100\mathrm{\,N}$ ($F_{4} = 1100$). Мы знаем, что смещение в узле 1 равно нулю, поскольку оно фиксировано ($\Delta_{1} = 0$). Мы также знаем, что в узле 3 имеется вынужденное смещение, равное $13\mathrm{\,mm}$ ($\Delta_{3} = 13$). Этот узел вынужден двигаться ровно на $13\mathrm{\,mm}$. Если бы нам не дали принудительное смещение в узле 3 и этот узел мог свободно перемещаться, то вместо этого мы знали бы, что внешняя сила в узле 3 равна нулю.Подставив эту информацию в нашу систему уравнений, мы получим:

\begin{align*} \begin{Bmatrix} F_{1} \\ -350 \\ F_{3} \\ 1100 \end{Bmatrix} &= \begin{bmatrix} 112,5 & -112,5 & 0 & 0 \ \ -112,5 & 303,7 & -90,0 & -101,2 \\ 0 & -90,0 & 126,0 & -36,0 \\ 0 & -101,2 & -36,0 & 137,2 \end{bmatrix} \begin{Bmatrix} 0 \\ \Delta_{2 } \\ 13 \\ \Delta_{4} \end{Bmatrix} \end{align*}

Это система из четырех уравнений и четырех неизвестных.Это система, которая легко решается с помощью компьютера. Для этого примера, поскольку имеется только две степени свободы свободного перемещения, мы можем расширить вторую и четвертую строки (второе и четвертое уравнения), чтобы получить:

\begin{align*} -350 &= -112,5 (0) + 303,7(\Delta_{2}) -90,0(13) -101,2(\Delta_{4}) \\ 1100 &= 0 (0) — 101,2 (\Delta_{2}) -36,0(13) +137,2(\Delta_{4}) \end{align*}

Решив эту систему из двух уравнений и двух неизвестных, получим:

\begin{align*} \Delta_{2} &= 17.79\mathrm{\,mm} \\ \Delta_{4} &= 8,62\mathrm{\,mm} \end{align*}

Это решение предполагает, что оба узла 2 и 4 перемещаются вправо, что имеет смысл, исходя из системы, показанной на рисунке 11.2.

После решения перемещений в узлах 2 и 4 теперь мы знаем перемещения во всех узлах. Теперь мы можем легко перемножить первую и третью строки системы уравнений, чтобы получить:

\begin{align*} F_{1} &= -970\mathrm{\,N} \\ F_{3} &= +222\mathrm{\,N} \end{align*}

Эти две силы эквивалентны силам реакции на закрепленном конце и в месте вынужденного смещения.

Полное решение для внешних сил и перемещений этой одномерной фермы показано на рисунке 11.3.

Рисунок 11.3: Анализ метода жесткости для примера одномерной фермы — узловые силы и смещения

Чтобы найти внутренние силы в отдельных элементах, мы можем взять глобальные узловые смещения и использовать их с исходными матрицами жесткости элемента. Для элемента 1:

\begin{align*} \begin{Bmatrix} F_{x1} \\ F_{x2} \end{Bmatrix} &= 112.5\mathrm{\,Н/мм} \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ -1 & 1 \end{bmatrix} \begin{Bmatrix} \Delta_{x1} \\ \Delta_{x2} \end{ Bmatrix} \end{align*}

, где $F_{x1}$ и $F_{x1}$ — локальные силы в узлах 1 и 2 на элементе 1, а $\Delta_{x1}$ и $\Delta_{x2}$ — локальные смещения узлов 1 и 2 для элемента 1. Локальные смещения такие же, как и глобальные смещения, поэтому:

\begin{align*} \Delta_{x1} &= \Delta_1 = 0 \\ \Delta_{x2} &= \Delta_2 = 8,62 \end{align*}

Даёт нам:

\begin{align*} \begin{Bmatrix} F_{x1} \\ F_{x2} \end{Bmatrix} &= \begin{bmatrix} 112.5 и -112,5 \\ -112,5 и 112,5 \end{bmatrix} \begin{Bmatrix} 0 \\ 8,62 \end{Bmatrix} \end{align*}

Умножая, мы можем найти силы на каждом конце элемента 1:

\begin{align*} F_{x1} &= 112,5(0) — 112,5 (8,62) ​​\\ F_{x1} &= -970\mathrm{\,N} \\ F_{x2} &= -112,5( 0) + 112,5 (8,62) ​​\\ F_{x2} &= 970\mathrm{\,N} \end{align*}

Силы на обоих концах элемента фермы 1 равны и противоположны, как и следовало ожидать.

Этот процесс можно повторить для других элементов, чтобы получить внутреннюю осевую силу в каждом одномерном элементе фермы.

Пространственная ферма – обзор

8.1 Пространственная ферма

Пространственная ферма обычно используется в трехмерных конструктивных элементах. Силы воздействуют в осевом направлении на пространственные элементы фермы, которые предполагаются штифтовыми соединениями, где все нагрузки действуют только на соединения (Rao, 2010). Из-за приложения сил деформация происходит в осевом направлении, и пространственные фермы не могут выдерживать сдвиг и момент. Здесь нагрузки могут быть приложены только к двум концам, что показано на рис.8.1.

Рис. 8.1. Элемент пространственной фермы.

На рис. 8.1 показана типичная пространственная ферма, где xˆyˆzˆ представляет собой локальную координату, а ( x y z ) является глобальной координатой. Мы обсудим элемент пространственной фермы в локальной системе координат, а затем выполняется преобразование координат. Поскольку в элементе пространственной фермы нет изгиба, единственное внимание уделяется изучению перемещений. На элементы пространственных ферм действуют только осевые усилия; следовательно, смещения происходят только в осевом направлении.Здесь каждый пространственный элемент фермы имеет интервальный модуль упругости E   I , площадь поперечного сечения A и длину l . В качестве интервала здесь рассматривается только модуль упругости. Но другие параметры, граничные условия и силы также могут быть приняты в качестве интервала для формулировки пространственной фермы аналогичным образом. Как обсуждалось в предыдущих главах, интервальный модуль упругости E I определяется как

(8.1)EI=ab=E=a+w01

, где a и b — левая и правая границы интервального модуля упругости E ; w  =  b  −  a — ширина интервала.

Рассмотрим космическую ферму, поле, чье поле перемещения { α } = U и узловая степень свободы Вектор для каждого элемента { Δ } = [ U

5 U 1 U 1 U 1 U 1 U 1 Y

5 U U U 2 x U 2 u 2 U U

2 2 Z ] 2 T .Каждый элемент пространственной фермы имеет два узла и шесть степеней свободы. Кроме того, шесть осевых перемещений относятся к интервалу. Элемент оказывает только осевые усилия, показанные на рис. 8.2. Отсюда деформация элемента

Рис. 8.2. Осевые усилия элемента пространственной фермы.

(8.2)ɛˆ=u2xˆ−u1xˆl

Однако напряжение элемента получено с использованием закона Гука, который равен

(8.3)σˆ=EIɛˆ=EIu2xˆ−u1xˆl

элемента можно определить путем интегрирования напряжений поперек направления толщины, т.е.e.,

(8.4)fˆ=Aσ=EIAu2xˆ−u1xˆl

Учитывая статическое равновесие осевых сил f1xˆ и f2xˆ на рис. 8.2, имеем следующее соотношение

Приняв kI=EIAl, мы можем записать уравнения осевой силы в матричной форме следующим образом вектор осевой силы, матрица жесткости и вектор смещения пространственного элемента фермы соответственно.

Рассмотрим пространственный элемент фермы, как показано на рис. 8.3. Здесь uˆ1xˆ, uˆ1yˆ, uˆ1zˆ — локальные узловые смещения, а f1xˆ, f1yˆ, f1zˆ — локальные узловые силы в узле 1 в направлениях xˆ, yˆ и zˆ соответственно. Аналогично, uˆ2xˆ, uˆ2yˆ, uˆ2zˆ — локальные узловые смещения, а f2xˆ, f2yˆ и f2zˆ — локальные узловые силы в узле 2 в направлениях xˆ, yˆ и zˆ. Далее, U U 1 x , U 92 1 Y

5, U

2 1 Z — глобальные узловые смещения и F

2 1 x , F 1 y и f 1 z — глобальные узловые силы в узле 1 в направлениях x , y и z .Точно так же U U 2 x U

2 2 Y , U

2 2 Z — глобальные узловые смещения и F

2 2 x , F 2 y , f 1 z — глобальные узловые силы в узле 2 в направлениях x , y и z соответственно.

Рис. 8.3. Элемент пространственной фермы с локальными и глобальными перемещениями и силами.

Используя локальные узловые перемещения и усилия каждого пространственного элемента фермы, можно получить векторы сил. Вектор локальной силы плоского элемента фермы: f1zcosxzf1y = f1xcosyx + f1ycosyy + f1zcosyzf1z = f1xcoszx + f1ycoszy + f1zcoszzf2x = f2xcosxx + f2ycosxy + f2zcosxzf2y = f2xcosyx + f2ycosyy + f2zcosyzf2z = f2xcoszx + f2ycoszy + f2zcoszz

, где сов •• это направление косинус.

Здесь матрица вращения имеет вид (8.8) можно представить в компактной форме

(8.10)fˆ=R00Rf

Используя обращение матриц, мы можем преобразовать уравнение (8.11) как

(8.11)f=R00R−1fˆ

Аналогично можно установить соотношение между локальным и глобальным векторами перемещений, и компактная форма соотношения имеет вид

(8.12)uˆ=R00Ru

Теперь рассмотрим уравнение(8.7) с условиями f1y = f2y = f1z = f2z = u1y = u2y = u1z = u2z = 0 (как есть только осевые силы), у нас есть

(8.13) f1xf1yf1zf2xf2yf2z = k1i00 k1i0000000000000000U1xu1yu1zu2xu2yu2z

. (8.10) в уравнении (8.13) получаем

(8.14)Tf=Kˆuˆ

, где T=R00R; T−1=T−T (из-за свойства матрицы вращения) и

Kˆ=k1I00−k1I000000000000000−k1I00k1I00000000000000

Далее, упрощение уравнения (8.14) дает

(8.15)f=TTKˆTu

, где K=TTKˆT — элементарная матрица жесткости пространственной фермы.

МКЭ для ферм (метод конечных элементов), часть 1

Введение

Ферма является одним из самых простых и наиболее широко используемых элементов конструкции. Это прямой стержень, предназначенный для восприятия только осевых усилий, поэтому он деформируется только в осевом направлении. Типичный пример его использования можно увидеть на рис. 2.7. Сечение стержня может быть произвольным, но размеры поперечного сечения должны быть значительно меньше, чем в осевом направлении.В этой теме будут разработаны уравнения конечных элементов для таких элементов фермы. Разработанный элемент широко известен как элемент фермы или стержневой элемент. Такие элементы применимы для анализа скелетного типа стержневых конструктивных систем как в двумерных плоскостях, так и в трехмерном пространстве.

В плоских фермах есть два компонента в направлениях x и y для перемещений, а также для сил. Однако для пространственных ферм будет три компонента в направлениях x, y и z как для перемещений, так и для усилий.В каркасных конструкциях, состоящих из элементов фермы, элементы фермы соединяются между собой шкворнями или шарнирами (не сваркой), так что между стержнями передаются только силы (но не моменты). В целях более четкого объяснения концепций в этом разделе предполагается, что элементы фермы имеют однородное поперечное сечение. Поэтому для работы со стержнями переменного сечения следует составить уравнения для элемента фермы переменного сечения, что также очень легко сделать, следуя процедуре для однородных элементов фермы.Обратите внимание, что с точки зрения механики нет причин использовать стержни с переменным поперечным сечением, поскольку сила в стержне одинакова.


Уравнения МКЭ

Форма Функция Конструкция

Рассмотрим конструкцию, состоящую из ферм или стержневых элементов. Каждый из элементов можно рассматривать как элемент фермы/стержня постоянного поперечного сечения, ограниченный двумя узлами (nd = 2). Рассмотрим стержневой элемент с узлами 1 и 2 на каждом конце элемента, как показано на рисунке 4.1. Длина элемента равна le. Локальная ось x берется в осевом направлении элемента с началом в узле 1.

Рисунок 4.1. Элемент фермы и система координат.

В локальной системе координат существует только одна степень свободы в каждом узле элемента, и это осевое смещение. Следовательно, степеней свободы у элемента всего две, т. е. ne = 2. В МКЭ, рассмотренном в предыдущей теме, перемещение в элементе должно быть записано в виде

, где Uh — аппроксимация осевого смещения внутри элемента, N — матрица функций формы, обладающих описанными свойствами, а de должен быть вектором смещений в двух узлах элемента:

Теперь возникает вопрос, как мы можем определить функции формы для элементов фермы?

Мы следуем стандартной процедуре, описанной в Разделе 3.4.3 для построения функций формы и предположим, что осевое перемещение в элементе фермы может быть задано в общем виде

, где uh — аппроксимация смещения, a — вектор двух неизвестных констант, a0 и a1, а p — вектор полиномиальных базисных функций (или мономов). Для этой конкретной задачи мы используем до первого порядка полиномиальный базис. В зависимости от задачи мы могли бы использовать полиномиальные базисные функции более высокого порядка.Порядок полиномиальных базисных функций до п-го порядка может быть задан как

Количество терминов базисных функций или мономов, которые мы должны использовать, зависит от количества узлов и степеней свободы в элементе. Поскольку у нас есть два узла с двумя степенями свободы в элементе, мы решили иметь два члена базисных функций, что дает уравнение (4.3).

Обратите внимание, что мы обычно используем полиномиальные базисные функции, полные порядков, что означает, что мы не пропускаем никакие младшие члены при построении уравнения.(4.3). Это делается для того, чтобы построенные функции формы могли воспроизводить полные полиномы до порядка n. При пропуске полиномиального базиса k-го порядка построенная функция формы сможет обеспечить непротиворечивость только (k — 1)-го порядка, независимо от того, сколько мономов высших порядков входит в базис. Это из-за свойства согласованности функции формы (свойство 1), мы можем ожидать, что полные линейные базисные функции, используемые в уравнении. (4.3) гарантировать, что строящаяся функция формы удовлетворяет достаточным требованиям, предъявляемым к функциям формы МКЭ: свойство дельта-функции, разбиение единицы и линейное воспроизведение поля.

При выводе функции формы мы используем тот факт, что

Используя уравнение (4.3), имеем

Решая приведенное выше уравнение для a, мы имеем

Подставляя приведенное выше уравнение в уравнение.(4.3), получаем

, что соответствует уравнению. (4.1), что мы и хотели. Тогда матрица функций формы получается в виде

, где функции формы элемента фермы могут быть записаны как

.

Мы получили две функции формы, потому что у нас есть две степени свободы в элементах фермы.

Рисунок 4.2. Функции линейной формы.

Легко убедиться, что эти две функции формы удовлетворяют свойству дельта-функции, определенному уравнением.(3.34), а разбиения единицы в уравнении (3.41). Мы оставляем это подтверждение читателю в качестве простого упражнения. Графическое представление функций линейной формы показано на рис. 4.2. Ясно показано, что Ni дает форму вклада узлового смещения в узле i, и поэтому она называется функцией формы. В этом случае функции формы изменяются линейно по всему элементу, и они называются линейными функциями формы. Подставляя уравнения. (4.9), (4.10) и (4.2) в уравнение.(4.1), имеем

, в котором четко указано, что смещение внутри элемента изменяется линейно. Поэтому элемент называется линейным элементом.

Матрица деформации

В ферме существует только одна составляющая напряжения σχ, и соответствующую деформацию можно получить с помощью

, который является прямым результатом дифференцирования уравнения. (4.11) по x. Обратите внимание, что деформации в уравнении. (4.12) — постоянная величина в элементе.

В предыдущей теме упоминалось, что нам потребуется получить матрицу деформации B, после чего мы можем получить матрицы жесткости и массы.В данном случае это можно легко сделать. Уравнение (4.12) можно переписать в матричной форме как

, где матрица деформаций B имеет следующий вид для элемента фермы:

Матрицы элементов в локальной системе координат

После того, как матрица деформации B получена, матрица жесткости для элементов фермы может быть получена с использованием уравнения (3.71) в предыдущей теме:

, где А — площадь поперечного сечения элемента фермы.Обратите внимание, что матрица констант материала c сводится к модулю упругости E для одномерного элемента фермы (см. уравнение (2.39)). Следует отметить, что матрица жесткости элемента, как показано в уравнении. (4.15) симметрично. Это подтверждает доказательство, приведенное в уравнении (3.73). Используя симметрию матрицы жесткости, только половина членов матрицы должна быть оценена и сохранена во время вычислений.

Матрица масс для элементов фермы может быть получена с использованием уравнения. (3.75):

Аналогично, массовая матрица оказывается симметричной.Вектор узловой силы для элементов фермы может быть получен с помощью уравнений. (3.78), (3.79) и (3.81). Предположим, что элемент нагружен равномерно распределенной силой fx по оси x и двумя сосредоточенными силами fsi и fs2 соответственно в двух узлах 1 и 2, как показано на рис. 4.1; общий вектор узловой силы становится равным

Матрицы элементов в глобальной системе координат

Матрицы элементов в уравнениях. (4.15), (4.16) и (4.17) были сформулированы на основе локальной системы координат, где ось x совпадает с средней осью стержня 1-2, показанного на рисунке 4.1. В практических фермах есть много стержней разной ориентации и в разных местах. Чтобы собрать все матрицы элементов для формирования матриц глобальной системы, необходимо выполнить преобразование координат для каждого элемента, чтобы сформулировать его матрицу элементов на основе глобальной системы координат для всей конструкции фермы. Далее выполняется преобразование как для пространственных, так и для плоских ферм.

Пространственные фермы

Предположим, что локальные узлы 1 и 2 элемента соответствуют глобальным узлам i и j соответственно, как показано на рисунке 4.1. Смещение в глобальном узле пространства должно иметь три составляющие по осям X, Y и Z и последовательно нумероваться. Например, эти три компонента в i-м узле обозначаются как D3i-2, D3i-1 и D3i. Преобразование координат дает связь между вектором смещения de на основе локальной системы координат и вектором смещения De для того же элемента, но на основе глобальной системы координат XYZ:

где

, а T — матрица преобразования элемента фермы, заданная как

.

, в котором

— направляющие косинусы осевой оси элемента.Легко убедиться, что

, где I — единичная матрица размера 2 x 2. Следовательно, матрица T — ортогональная матрица. Длина элемента, le, может быть рассчитана с использованием глобальных координат двух узлов элемента на

.

Уравнение (4.18) легко проверяется, так как оно просто говорит, что в узле i d\ равно сумме всех проекций на локальную ось х, и то же

можно сказать для узла j. Матрица T для элемента фермы преобразует вектор 6 x 1 в глобальной системе координат в вектор 2 x 1 в локальной системе координат.

Матрица преобразования также применяется к векторам силы между локальной и глобальной системами координат:

где

, в котором обозначают три компоненты вектора силы в узле i на основе глобальной системы координат.

Замена уравнения. (4.18) в уравнение. (3.89) приводит к уравнению элемента, основанному на глобальной системе координат:

Предварительно умножьте Tr на обе части приведенного выше уравнения, чтобы получить:

или

где

 

 

и

Обратите внимание, что преобразование координат сохраняет симметричные свойства матрицы жесткости и массы.

Для сил, указанных в уравнении. (4.17), имеем

Обратите внимание, что матрица жесткости элемента Ke и матрица масс Me имеют размерность 6 x 6 в трехмерной глобальной системе координат, а перемещение De и вектор силы Fe имеют размерность 6 x 1.

Плоские фермы

Для плоской фермы можно использовать глобальные координаты X-Y для представления плоскости фермы. Все формулировки преобразования координат можно получить из аналогов для пространственных ферм простым удалением строк и/или столбцов, соответствующих оси z (или Z).Смещение в глобальном узле i должно иметь две составляющие только по осям X и Y: D2i -1 и D2i. Преобразование координат, которое дает взаимосвязь между вектором смещения de на основе локальной системы координат и вектором смещения De, имеет ту же форму, что и уравнение (4.18), за исключением того, что

, а матрица преобразования T равна

.

Вектор силы в глобальной системе координат равен

Все остальные уравнения плоской фермы имеют тот же вид, что и соответствующие уравнения пространственной фермы.Ke и Me для плоской фермы имеют размерность 4 x 4 в глобальной системе координат. Они перечислены следующим образом:

Граничные условия

Матрица жесткости Ke в уравнении. (4.28) обычно сингулярна, потому что вся конструкция может совершать движения твердого тела. Существуют две степени свободы жесткого движения для плоских ферм и три степени свободы для пространственных ферм. Эти движения твердого тела ограничиваются опорами или ограничениями смещения. На практике стропильные конструкции каким-либо образом крепятся к земле или к неподвижному основному строению в ряде узлов.Когда узел зафиксирован, смещение в узле должно быть равно нулю. Это фиксированное граничное условие смещения может быть наложено на уравнение. (4.28). Наложение приводит к аннулированию соответствующих строк и столбцов в матрице жесткости. Матрица уменьшенной жесткости становится симметричной положительно определенной (SPD), если ограничиваются достаточные смещения.

Восстановление после стресса и напряжения

Уравнение (4.28) может быть решено с использованием стандартных процедур , и смещения во всех узлах могут быть получены после наложения граничных условий.Смещения в любом положении, отличном от узловых, также можно получить с помощью интерполяции с помощью функций формы. Напряжение в элементе фермы также может быть восстановлено с помощью следующего уравнения:

При выводе приведенного выше уравнения используется закон Гука в форме of вместе с уравнениями (4.13) и (4.18).

Анализ 2D ферм | СпрингерЛинк

‘) var buybox = документ.querySelector(«[data-id=id_»+ метка времени +»]»).parentNode ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.вариант-покупки»)).forEach(initCollapsibles) функция initCollapsibles(подписка, индекс) { var toggle = подписка.querySelector(«.цена-варианта-покупки») подписка.classList.remove(«расширенный») var form = подписка.querySelector(«.форма-варианта-покупки») если (форма) { var formAction = форма.получить атрибут («действие») form.setAttribute(«действие», formAction.replace(«/checkout», «/cart»)) document.querySelector(«#ecommerce-scripts»).addEventListener(«load», bindModal(form, formAction, timestamp, index), false) } var priceInfo = подписка.querySelector(«.Информация о цене») var PurchaseOption = toggle.parentElement если (переключить && форма && priceInfo) { переключать.setAttribute(«роль», «кнопка») toggle.setAttribute(«tabindex», «0») toggle.addEventListener («щелчок», функция (событие) { var expand = toggle.getAttribute(«aria-expanded») === «true» || ложный toggle.setAttribute(«aria-expanded», !expanded) form.hidden = расширенный если (! расширено) { покупкаВариант.classList.add («расширенный») } еще { покупкаOption.classList.remove(«расширенный») } priceInfo.hidden = расширенный }, ложный) } } функция bindModal (форма, formAction, метка времени, индекс) { var weHasBrowserSupport = window.fetch && Array.from функция возврата () { var Buybox = EcommScripts ? EcommScripts.Ящик для покупок: ноль var Modal = EcommScripts ? EcommScripts.Modal : ноль if (weHasBrowserSupport && Buybox && Modal) { var modalID = «ecomm-modal_» + метка времени + «_» + индекс var modal = новый модальный (modalID) modal.domEl.addEventListener («закрыть», закрыть) функция закрыть () { форма.querySelector(«кнопка[тип=отправить]»).фокус() } форма.setAttribute( «действие», formAction.replace(«/checkout», «/cart?messageOnly=1») ) form.addEventListener( «представить», Buybox.interceptFormSubmit( Буйбокс.fetchFormAction(окно.fetch), Buybox.triggerModalAfterAddToCartSuccess(модальный), консоль.лог, ), ложный ) document.body.appendChild(modal.domEl) } } } функция initKeyControls() { документ.addEventListener(«keydown», функция (событие) { if (document.activeElement.classList.contains(«цена-варианта-покупки») && (event.code === «Пробел» || event.code === «Enter»)) { если (document.activeElement) { событие.preventDefault() документ.activeElement.click() } } }, ложный) } функция InitialStateOpen() { var buyboxWidth = buybox.смещениеШирина ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.опция покупки»)).forEach(функция (опция, индекс) { var toggle = option.querySelector(«.цена-варианта-покупки») var form = option.querySelector(«.форма-варианта-покупки») var priceInfo = option.querySelector(«.Информация о цене») если (buyboxWidth > 480) { переключить.щелчок() } еще { если (индекс === 0) { переключать.щелчок() } еще { toggle.setAttribute («ария-расширенная», «ложь») form.hidden = «скрытый» priceInfo.hidden = «скрытый» } } }) } начальное состояниеОткрыть() если (window.buyboxInitialized) вернуть window.buyboxInitialized = истина initKeyControls() })()

MET 415: Элементы балки и фермы

MET 415: Элементы балки и фермы

МЕТ 415 — ВЭД Приложения I

проф.Дэйв Джонсон, [email protected], Penn State Erie, Колледж Беренд

Линейные элементы


Представлять структуры, которые являются «длинными» по сравнению с их сечением.

Эти элементы являются простейшими (геометрически говоря), и являются эффективными моделями, но сложны в использовании (постобработка — но проще с PowerGraphics + /ESHAPE)

Лучи дают «общую производительность системы», а не локализованное поведение

Обычно твердотельное моделирование и автоматическое создание сетки НЕ полезно для моделей линейных элементов.Часто используют прямое определение узлов и элементы.

Ферменные (лонжеронные) элементы являются подмножеством элементов балочного типа которые не могут нести моментов (т. е. не имеют изгибающих степеней свободы). Обычно это называются «двухсиловыми элементами», несущими только осевую нагрузку.

Элементы фермы ANSYS: LINK180 (3D)

Каждый узел в модели фермы представляет собой шарнирное (или сферическое) соединение.

Используйте только один элемент между контактами.

ГРИП: UX, UY, UZ (в 3D)

Материал реквизита: модуль, плотность, ALPX

Данные раздела: площадь, добавлено Масса ( SECTYPE, SECDATA, SECCONTROL )

Препроцессор > Разделы > Ссылка > Добавить

Элементы ANSYS BEAM: BEAM188, BEAM189 (3D)

DOF: UX, UY, UZ, ROTZ, ROTY, ROTX (в 3D)

Материальные реквизиты: модуль, плотность, ALPX, модуль сдвига,

Специальные опции: коническая секция., смещение от узлов, момент выпуск

Системы координат балки ориентируют элемент оси y и z для моментов IYY и IZZ (могут быть направления сильного и слабого изгиба)

Нейтральная ось луча (по умолчанию) проходит вдоль линии узлы (ось x элемента).

Для BEAM188 и 189 в ANSYS есть 11 предопределенных разделов, или вы можете сделать набросок своего собственный:

Препроцессор > Сечения > Балка > Общие сечения

Препроцессор > Сечения > Балка > Пользовательские разделы

Вы должны сориентировать поперечное сечение.

ANSYS: использует «дополнительный» узел (K) (или ключевая точка)

Руководство по расчету конструкций в ANSYS 13.0, Глава 1. Обзор структурного анализа,
Раздел 1.2. Элементы, используемые в расчетах конструкций

Лонжероны ССЫЛКА180
Балки ЛУЧ188, ЛУЧ189
Трубы ТРУБА288, ТРУБА289, КОЛЕНО290

Зачем выбирать ферму или балку?

  • СОЕДИНЕНИЯ: штифтовые и штифтовые.сварной
  • Грузоподъемность: двухсиловые элементы (только осевая нагрузка) по сравнению с элементами изгиба/сдвига
  • Выберите балку, если элемент не прямые или если есть соединения между концами

Ферма (LINK180) «суставы»

  • в трехмерных фермах, шаровых и розетка
  • Почему это важно? правильное ограничение

Симметрия ?

  • Не может иметь симметрию, которая разрезает через середину фермы
  • Симметрия не требует смещение или вращение , которые могут пересечь/покинуть плоскость симметрии
    • Должен иметь перевод и ограничение вращения.
    • Элементы фермы не имеют вращение DOF’s

Как сделать «шарнирное соединение» на BEAM модели ?

  • Совпадающие узлы на балках
  • Соединен с комбинированным DOF состояние или элементы MPC184

Модель сети ядерных трубопроводов: 122 узла, 129 элементы:

42 элемент прямой трубы, который может (PIPE20*), 8 отводов, которые могут уступить (PIPE60*), 10 элементов сосредоточенной массы (MASS21), 12 эластичных трубчатых элементов (PIPE16*), 15 опорных пружинных элементов (COMBIN40), 6 линейных пружинных элементов на правом конце — парогенератор (COMBIN14), 34 контактных элемента для удержания опасного биения трубы (CONTAC52). [*Примечание: В ANSYS 13, PIPE16, PIPE20, PIPE60 заменены на PIPE288 и ELBOW290]

Эта модель оснащена внутренней трубой давление, температурные нагрузки, вызывающие тепловое расширение и воздействующие на материал характеристики. Моделирование также включает сейсмическую нагрузку (землетрясение), т.к. а также волну давления, передаваемую в жидкости (оба являются динамическими условиями).

Необходимые результаты: мембранное напряжение и мембрана+напряжение изгиба в трубе, нагрузки на опору трубы, нагрузки, удерживающие биение, нагрузки парогенератора, скорость клапана.

Несколько кодов ASME проверяются для подтверждения безопасности и приемлемой конструкции.

Площади и линии: простая твердотельная модель опорная плита машинного оборудования

Модель SHELL181 и BEAM188. ЛУЧ188 с Форма сечения и смещение заданы.


ПРИМЕЧАНИЕ (не в раздаточном материале для занятий) 2012 Стеллажи для хранения:

Модель для проверки трех полок:

60 узлов, 41 элемент [ (6) MASS21, (3) пружины COMBIN14, (30) BEAM188, (2) CONTA178]

7680 шагов нагрузки (землетрясение, 30-секундная история). Время решения ~15 минут.

Расчет ферм с использованием метода прямой жесткости

В этом уроке мы подробно рассмотрим, как использовать метод прямой жесткости для выполнения анализа фермы. К концу этого вы должны понять:

  • основные идеи, лежащие в основе работы метода прямой жесткости.
  • как выполнить метод расчета ферменных конструкций, испытывающих осевые нагрузки (плоские двумерные фермы).
  • о масштабируемости метода и о том, почему это основной процесс, лежащий в основе коммерческого программного обеспечения для расчета конструкций.

Если вы хотите узнать, как реализовать метод прямой жесткости в Python и создать свой собственный решатель ферм (без предыдущего опыта программирования), рассмотрите возможность пройти этот курс, где я проведу вас через весь процесс от настройки Python до запуска вашего 2D-решателя ферм.

 

Я также создал этот бесплатный онлайн-инструмент для анализа ферм, который может оказаться вам полезным.Этот набор инструментов построен с использованием того же кода анализа, который вы напишете в предыдущем курсе.

Вернемся к учебнику… метод прямой жесткости основан на паре простых понятий, первое, что мы рассмотрим, это Закон Гука ; здесь просто говорится, что изменение длины элемента, нагруженного в осевом направлении,

будет пропорционально вызывающей его силе, . Константа пропорциональности между силой и результирующим изменением длины является жесткостью элемента, .

(1)  

1.0 Матрица жесткости элементов

Когда мы знакомимся с законом Гука, обычно это происходит в контексте пружины, и в этом случае жесткость — это просто постоянная пружины. Здесь мы фокусируемся на конструкциях, которые сопротивляются только осевым нагрузкам — ферменных конструкциях. Теперь рассмотрим один конструктивный элемент, извлеченный из фермы, мы будем называть его стержнем, нагруженным в осевом направлении, рис. 1 ниже. Теперь давайте возьмем закон Гука и применим его к нашему осевому стержню.

Рис. 1. Осевой элемент стержня

Наш осевой стержень подвергается воздействию двух сил, по одной на каждом конце или узле,

и .Из закона Гука мы знаем, что эти силы вызовут смещения в узлах 1 и 2 соответственно. Теперь наша задача состоит в том, чтобы получить выражение, подобное закону Гука, которое связывает силы и с перемещениями и .

Это оказывается относительно простым, если мы знаем, что жесткость стержня с осевой нагрузкой составляет

(2)  

, где

— модуль Юнга, площадь поперечного сечения и длина стержня. Теперь мы можем применить то, что мы знаем, к каждому узлу по очереди.Сначала рассматривая узел 1, мы можем сформулировать соотношение сила-смещение как

(3)  

(4)  

А для узла 2

(5)  

(6)  

Мы можем объединить оба этих уравнения вместе и представить их в матричной форме как,

(7)  

Обратите внимание, что жесткость элемента, связывающая силу со смещением, заменена матрицей. Это известно как Матрица жесткости локальных элементов , , и связывает силы в каждом узле,

, с соответствующими узловыми смещениями, .Из матрицы жесткости видно, что силы, развиваемые в каждом узле, будут иметь одинаковую величину и противоположное направление, подтверждая статическое равновесие стержня. Стержневой элемент обычно является частью более крупной конструкции, и поэтому смещение в каждом узле обычно будет разным, что приводит к удлинению или укорочению стержня. Матрица жесткости локального элемента представляет собой фундаментальную единицу прямого анализа методом жесткости, это буквально основной строительный блок, который мы используем для сборки нашей модели конструкции.Для более сложных структурных элементов эта матрица становится больше и сложнее, но имейте в виду, что она всегда просто связывает действия (силы, моменты), приложенные к элементу, с соответствующими перемещениями и поворотами.

2.0 Метод прямой жесткости – основная концепция

Как я упоминал выше, этот метод основан на двух основных идеях: законе Гука, который мы рассмотрели, и следующем. Как только вы поймете это, вы поймете, насколько на самом деле прост этот метод анализа.Так вот; в матричном уравнении (7) отражено соотношение силы и смещения для обоих узлов стержня. Но вспомните, что мы говорили, что этот член был «извлечен» из более крупной структуры. Таким образом, легко может случиться так, что к узлу 2 подключено 2, 3 или

других члена. Каждый из этих членов также будет иметь отношение сила-смещение, которому необходимо подчиняться.

Таким образом, чтобы определить смещение узла 2, нам нужно принять во внимание все элементы, которые встречаются в этом узле и одновременно подчиняются всем их индивидуальным соотношениям сила-смещение.Математически это соответствует решению одновременных уравнений для значения смещения в узле 2, которое удовлетворяет всем элементам, которые соединяются с этим узлом. Если вы можете понять эту концепцию, вы понимаете метод прямой жесткости, все остальное — просто детали реализации!

Чтобы реализовать этот метод на практике, мы сначала строим одну большую матрицу для представления всей конструкции, мы называем ее Матрица жесткости первичной конструкции . Хотя это гораздо большая матрица, она по-прежнему относится только к узловым смещениям и узловым силам… но для всей конструкции, а не для отдельного элемента.Для этого мы объединяем матрицы жесткости элементов вместе, чтобы все элементы, входящие в каждый узел, складывались вместе в одном и том же месте в общей матрице жесткости конструкции. Таким образом, мы получаем один большой набор одновременных уравнений (аккуратно упакованных вместе в матричное уравнение), которые моделируют поведение силы и смещения конструкции. Тогда это просто вопрос решения этих уравнений для неизвестных структурных перемещений с использованием обычных методов (т.е.компьютер!) для решения матричных уравнений.

3.0 Метод прямой жесткости для расчета ферм

Мы можем так долго обсуждать это только на концептуальном уровне, чтобы действительно разобраться с этим и со всеми деталями реализации, нам нужно засучить рукава и проанализировать структуру от начала до конца. С этой целью рассмотрим трехстержневую ферму на рис. 2. Я пронумеровал каждый узел от 1 до 4 и пометил каждый элемент от A до C. Обратите внимание, что эта конструкция представляет собой плоскую двумерную ферму, но все, о чем мы говорим для обсуждения можно легко расширить до трехмерных структур.

Рис. 2. Простая трехзвенная плоская ферма

Наша первая задача — определить каждое возможное смещение, игнорируя влияние опор (пока что), каждый узел может испытать два ортогональных смещения, рис. 3. Мы назовем эти степеней свободы , поэтому наша конструкция имеет 8 степеней свободы. Это вернется позже, когда мы будем строить матрицу жесткости первичной конструкции.

Рис. 3. Степени свободы

3.1 Глобальная матрица жесткости элементов

Чтобы объединить наши матрицы жесткости элементов вместе, мы должны сначала учесть тот факт, что все они ориентированы под разными углами.Это означает, что осевая сила для элемента А, например, в настоящее время не может быть непосредственно добавлена ​​к осевой силе для элемента В, поскольку они ориентированы под разными углами. Поэтому нам нужно выполнить преобразование, которое сопоставляет силы и смещения от каждого члена в общую глобальную систему отсчета . Для этого мы используем матрицу преобразования

. Теперь это можно легко вывести, но в интересах краткости сейчас мы просто установим следующую связь между координатами в локальной системе отсчета элемента и соответствующими координатами в системе отсчета глобальной структуры :

(8)  

, где

и — местные осевые смещения в узлах 1 и 2.Мы можем резюмировать это как . Матрица преобразования действует как мост между локальными и глобальными координатами при условии, что мы используем метод определения угла ориентации рассматриваемого стержня и придерживаемся его для всех стержней. Мы можем использовать точно такой же метод, чтобы соединить силы в системе отсчета локального элемента и их значения в общей (для всех членов) глобальной системе отсчета.

(9)  

Опять же, это поможет нам обобщить эту связь как

. Теперь, когда у нас есть связь между:
  • сил в локальной и глобальной системе отсчета
  • перемещений в локальной и глобальной системе отсчета

нам нужно окончательно связать силы в глобальной системе отсчета с перемещениями в глобальной системе отсчета.Поверьте мне, это куда-то идет! Рассмотрим уравнение (7), которое связывает локальную силу элемента и перемещение,

(10)  

Мы можем подставить это уравнение в уравнение (9), заменив

, чтобы получить

(11)  

Теперь, используя уравнение (8) для замены

выходов,

(12)  

Следовательно, мы можем идентифицировать

как Глобальную матрицу жесткости элементов, , которая связывает силы, определенные в глобальной системе отсчета, со смещениями, также определенными в глобальной системе отсчета.Для ясности давайте теперь определим и . Выполнив умножение матриц, получим как

(13)  

Теперь мы можем рассчитать глобальную матрицу жесткости элемента для каждого элемента нашей конструкции, которая кодирует ориентацию элемента. После расчета их можно напрямую объединить для построения матрицы жесткости первичной конструкции.

3.2 Элемент A – глобальная матрица жесткости элемента

Рассмотрим элемент A, рис. 4. Обратите внимание, что степени свободы в узлах 1 и 4 показаны в системе отсчета локального элемента.

Рис. 4. Элемент А, показывающий степени свободы в локальной системе отсчета

Для стержня между узлами

и , мы определяем угол ориентации как угол (в радианах), измеренный против часовой стрелки между положительной глобальной осью x и локальной осью x, с узлом в начале координат, где . В данном случае это радианы. Отметив, что длина элемента A составляет m, мы можем использовать уравнение 13, чтобы получить глобальную матрицу жесткости элемента,

(14)  

3.3 Элемент B – глобальная матрица жесткости элементов

Для элемента B, рис.5, у нас есть

радиана. При длине m имеем,

(15)  

Рис. 5. Элемент B, показывающий степени свободы в локальной системе отсчета

3.4 Элемент C – глобальная матрица жесткости элемента

Элемент С, рис. 6, имеет угол ориентации

радиан и длину м. Это дает нам глобальную матрицу жесткости элемента,

(16)  

Рис. 6. Элемент C, показывающий степени свободы в локальной системе отсчета

3.5 Построение матрицы жесткости первичной конструкции

Далее мы приступим к построению матрицы жесткости первичной конструкции.Обычно это та часть процесса, которая наиболее подвержена ошибкам, поэтому мы подойдем к ней методично, шаг за шагом, чтобы снизить вероятность ошибок.

Шаг 1. Разбейте матрицы жесткости элементов на квадранты

Матрица жесткости каждого элемента равна

, поэтому мы разобьем каждую на квадранты. Таким образом, элемент A, например, будет разделен следующим образом:

(17)  

где,

(18)  

(19)  

(20)  

(21)  

Тот же процесс подразделения повторяется для каждого члена нашей структуры.

Шаг 2. Настройка шаблона основной матрицы жесткости

Теперь мы можем настроить шаблон для основной матрицы жесткости, что позволит легко увидеть, где располагаются квадранты матрицы жесткости нашего элемента. Поскольку наша структура имеет 4 узла, наш шаблон будет

, а пока мы можем его заполнить с заполнителями следующим образом,

(22)  

Каждый элемент в приведенном выше шаблоне на самом деле представляет собой матрицу

, поэтому этот шаблон фактически представляет собой матрицу жесткости первичной конструкции при ее заполнении.
Шаг 3: Заполните шаблон квадрантами матрицы жесткости элемента

Теперь мы можем взять квадранты матрицы жесткости элемента и разместить их в соответствующих позициях в шаблоне первичной матрицы жесткости. Для каждого элемента определите номера узлов на каждом конце элемента, это определяет строки и столбцы, в которые помещаются квадранты этого элемента. Более конкретно, квадранты матрицы жесткости элементов расположены на пересечении строк и столбцов, идентифицированных номерами узлов.Рассмотрим элемент A в качестве примера; он соединяет узлы 1 и 4 и, таким образом, вносит вклад в основную матрицу жесткости следующим образом:

Рис. 7. Вклад элемента А в шаблон первичной матрицы жесткости

Мы следуем точно такому же процессу, чтобы добавить все матрицы жесткости элементов в первичную матрицу жесткости. Обратите внимание, что каждый раз, когда мы добавляем вклад другого члена, мы заканчиваем добавлением к элементу

. Основываясь на нашем более раннем обсуждении концепции метода прямой жесткости, это имеет смысл, поскольку все члены встречаются в узле 4 и, следовательно, вносят свой вклад в поведение этого узла.Мы можем видеть, как меняется основная матрица жесткости при добавлении каждого члена. После добавления элемента А имеем

(23)  

Обратите внимание, что матрица заполнена нулями, за исключением квадрантов (четырех углов), связанных с узлами 1 и 4. После добавления элемента B мы получаем,

(24)  

Наконец, после добавления элемента C у нас есть полная матрица жесткости первичного элемента. Эта матрица по сути является нашей структурной моделью и связью между силой и смещением для всей конструкции,

(25)  

3.6 Наложение граничных условий на нашу модель

На данном этапе стоит оценить, где мы находимся; мы полностью смоделировали отношение силы-перемещения для нашей конструкции, и мы фактически выполнили тяжелую работу. Теперь осталось просто вычислить числа для наших отклонений, реакций и сил стержней.

Еще раз взглянув на нашу задачу, мы заметим, что у нас есть 14 переменных, которые состоят из 8 степеней свободы/перемещений и 6 реакций. Но мы еще не приняли во внимание тот факт, что 6 наших степеней свободы ограничены нулевыми опорами, т.е.е. степени свободы 1, 2, 3, 4, 5 и 6 полностью ограничены штифтовыми опорами в узлах 1, 2 и 3. В результате у нас фактически есть только 14-6 = 8 неизвестных для решения. Это хорошо согласуется с тем фактом, что у нас есть система из 8 одновременных уравнений, которые мы можем использовать для идентификации наших неизвестных. Наша система из 8 одновременных уравнений выглядит следующим образом:

(26)  

Прежде чем мы попытаемся решить эту систему уравнений, нам нужно решить еще одну проблему. Нам нужно наложить известные смещения на нашу систему уравнений.Опять же, мы делаем это довольно систематическим образом, размещая 1 на диагонали, соответствующей известному нулевому смещению, и 0 на всех других элементах соответствующих строк и столбцов первичной матрицы жесткости. Также поместим 0 в соответствующие элементы вектора силы. Таким образом, в нашем случае, учитывая, что

и перемещение для узлов 1, 2 и 3 (соответствующих степеням свободы – ) равны нулю, наша система уравнений принимает вид:

(27)  

Мы определяем эту «уменьшенную» матрицу жесткости, Матрица жесткости конструкции, , опуская «основную» матрицу, чтобы отличить ее от исходной первичной матрицы жесткости.Мы можем видеть, что размещение нулей в первичной матрице жесткости строк накладывает граничные условия,

(28)  

При размещении нулей в основной матрице жесткости столбцы гарантируют, что известные смещения останутся равными нулю в последующих расчетах, например. рассмотрим строку 7,

(29)  

После того, как наложены наши граничные условия, мы можем сжать нашу систему уравнений и подставить значения сил в узле 4,

(30)  

Затем мы можем решить эту систему из двух одновременных уравнений, обратив матрицу жесткости конструкции,

(31)  

(32)  

Обратите внимание, что горизонтальное смещение положительное, что указывает на то, что оно действует вправо в соответствии с нашей глобальной системой координат.Точно так же отрицательное значение вертикального смещения указывает на смещение, направленное вниз.

Помните, что это значения смещения, которые одновременно удовлетворяют модели силы-перемещения для каждого элемента, который соединяется с узлом 4. Также стоит отметить, что в нашем обсуждении ни разу не упоминался тот факт, что ферма является статически неопределимой характеристикой. В этом заключается одно из больших преимуществ этого метода анализа по сравнению с другими методами анализа, основанными на уравнениях равновесия (метод сечений и совместное разрешение).Прежде чем мы сможем назвать этот анализ завершенным, нам нужно проработать наши реакции и внутренние силы членов.

3.7 Расчет реакций

Расчет реакций — это просто замена наших известных смещений обратно в нашу полную структурную модель, т. е. отношение сила-смещение, в котором используется матрица жесткости первичной конструкции,

(33)  

Отсюда непосредственно получаем вектор сил, содержащий реакции,

(34)  

На данном этапе полезно визуализировать их на структуре, рис.8.

Рис. 8. Реакции ферм

3.8 Решение для усилий элемента фермы

Чтобы найти внутреннюю осевую силу в каждом элементе, мы возвращаемся к тому, с чего все началось… вспомните уравнение 1,

(35)  

Чтобы быть немного более точным, мы можем сказать, что сила в элементе между узлами

и определяется как,

(36)  

Это требует, чтобы мы преобразовали наши рассчитанные глобальные смещения в узле

и обратно в локальные смещения, измеренные в системе отсчета локального элемента, используя нашу матрицу преобразования выше.

(37)  

Таким образом, для элемента А с

радиан мы имеем,

(38)  

Используя эти смещения в уравнении 36, мы получаем осевую силу в элементе А,

(39)  

(40)  

Мы можем повторить тот же самый процесс для элементов B и C, чтобы получить их осевые силы как

и соответственно. Отрицательный знак здесь указывает на сжатие, а не на растяжение элемента.

Это более или менее завершает анализ нашего примера — мы решили для всех неизвестных перемещений, реакций и сил стержней.В качестве последней задачи мы можем подставить значения модуля Юнга

и площади поперечного сечения . При этом получаем следующие прогибы для узла 4 (очевидно, реакции и силы в стержнях неизменны):

(41)  

Мы можем визуализировать эти результаты ниже, рис. 9.

3.9 Применение метода прямой жесткости на практике

Как видите, как только мы усвоим основные принципы, метод прямой жесткости действительно станет довольно простой техникой анализа.Возможно, вы также заметили одно серьезное узкое место в этом подходе… инвертирование матрицы жесткости конструкции. В нашем примере это была матрица

, инвертировать которую относительно просто. Но по мере увеличения количества узлов в нашей структуре увеличивается и размер матрицы, которую нам нужно инвертировать. Мы очень быстро достигаем точки, когда нам нужно прибегать к компьютерам для выполнения сложной вычислительной работы.

Преимущество здесь в том, что как только мы реализуем процесс решения в алгоритме, задача решения структур, которые мы даже не рассматривали бы вручную, становится быстрой и легкой! По сути, вы реализуете свое собственное программное обеспечение для структурного анализа.Трехмерная опора передачи, рис. 10, анализируется с использованием тех же методов, которые мы обсуждали выше. На самом деле, только когда мы реализуем метод прямой жесткости в алгоритме, его мощность и масштабируемость действительно проявляются.

4.0 Внедрение метода прямой жесткости – что делать дальше?

Теперь, когда вы концептуально понимаете, как работает метод прямой жесткости, почему бы не развить его и не разработать практическую реализацию. В трех курсах DegreeTutors, перечисленных ниже, мы работаем над созданием полного набора кодов анализа с использованием Python (если вы новичок в Python — нет проблем!).Мы начинаем с 2D-плоских ферм, затем переходим к балочным и рамным конструкциям, которые испытывают изгиб и сдвиг, а затем расширяемся до полноценных 3D-пространственных рамных конструкций. После завершения этого набора курсов вы получите знания и практические инструменты для анализа огромного количества конструкций, не прибегая к коммерческому программному обеспечению для расчета конструкций. А если вы используете коммерческое программное обеспечение, вы точно поймете, как оно работает за кулисами.

Сэкономьте 35 % при использовании набора для прямого определения жесткости

Посмотрите этот пост дальше…


.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.