Стропильная система под металлическую кровлю: типы и принципы расчёта

Стропильная система — несущая конструкция скатной кровли, которая держит на себе всё кровельное покрытие, обрешётку, теплоизоляцию, и весь снег, который ляжет сверху. Это та часть кровли, которая остаётся скрытой за подшивкой потолка, но через 30–50 лет эксплуатации именно её состояние определяет, можно ли продолжать жить под этой крышей. Ошибки в сечении стропил, в шаге обрешётки, в опирании на стены — это не косметические проблемы, это аварийная ситуация при первой расчётной снеговой нагрузке. Этот материал собирает основные принципы проектирования стропильных систем под металлическое покрытие: типы систем, расчёт сечений, узлы опирания и стыкования.

Что входит в стропильную систему

Стропильная система — комплекс несущих элементов скатной кровли. В её состав входят:

• стропильные ноги (стропила) — наклонные несущие балки, идущие от карниза к коньку. Воспринимают всю кровельную нагрузку;
• мауэрлат — горизонтальный брус по периметру стен, на который опираются стропила. Распределяет нагрузку на стены;
• прогоны — горизонтальные балки между стропилами для разгрузки длинных пролётов. Применяются в кровлях пролётом свыше 6 м;
• стойки — вертикальные элементы, передающие нагрузку с прогонов на несущие стены или перекрытие;
• подкосы — наклонные элементы, разгружающие стропила и передающие усилия на стойки;
• затяжки и ригели — горизонтальные элементы, связывающие противоположные стропила и принимающие распорное усилие;
• обрешётка и контробрешётка — поперечные и продольные элементы крепления покрытия.

Состав конкретной системы зависит от пролёта здания, уклона кровли, материала покрытия и типа стен. Простые системы для пролётов до 6 м обходятся стропилами с опиранием на мауэрлат и затяжкой по перекрытию. Сложные пролёты 9–12 м требуют прогонов, стоек и подкосов.

Типы стропильных систем

По типу работы стропил различают две основные схемы:

• наслонная стропильная система — стропила опираются на две опоры (мауэрлат внизу и коньковый прогон вверху или конёк по противоположной стропильной ноге). Работают как балки на двух опорах, не дают распорного усилия. Применяются в зданиях с внутренними несущими стенами или с коньковыми колоннами;
• висячая стропильная система — стропила опираются только на мауэрлат у карниза и соединены затяжкой у нижнего конца. Работают как треугольная ферма, дают распорное усилие в опоре. Применяются в зданиях без внутренних опор.

Висячие стропила распирают стены наружу. Распор воспринимается затяжкой (горизонтальной балкой по нижнему концу стропил). Если затяжки нет, распор передаётся в стены, и при пролёте свыше 6 м стены деформируются.

Шаг стропил

Шаг стропил — расстояние между осями соседних стропильных ног. Стандартные значения:

Тип конструкции	Шаг стропил, мм	Применение
Деревянные стропила малых пролётов	600–900	загородные дома с пролётом до 6 м
Деревянные стропила средних пролётов	900–1200	дома с пролётом 6–9 м
Металлические стропила (швеллер, двутавр)	1500–3000	каркасные здания с пролётом 9–18 м
Стропила из ЛСТК	600–900	лёгкие каркасные здания, ЛСТК-конструкции
Стропильные фермы	3000–6000	промышленные здания с большими пролётами

Шаг стропил определяет шаг прогонов и обрешётки. Для деревянных стропил с шагом 900 мм обрешётка из доски 25–32 мм или контробрешётка 40×50 с шагом 350 мм для металлочерепицы. Для металлических стропил с шагом 3000 мм нужны прогоны, и обрешётка ставится на прогоны, а не на стропила.

Сечения деревянных стропил

Стандартные сечения деревянных стропил из хвойных пиломатериалов 2 сорта при шаге 900 мм и снеговой нагрузке IIIсн района (S = 180 кгс/м²):

Пролёт стропила, м	Сечение, мм	Класс прочности
до 3	50×150	С24
3–4	50×175	С24
4–5	50×200	С24
5–6	50×225	С24
6–7	75×200	С24
свыше 7	требует промежуточных опор (прогонов)	—

Класс прочности древесины С24 (предел прочности на изгиб 24 МПа) — стандартный для конструкционных пиломатериалов. Применение более высоких классов (С30, С35) позволяет уменьшить сечение на 10–20 %, но увеличивает стоимость материала.

Металлические стропила

Металлические стропила применяются в каркасных зданиях, в коммерческой и промышленной застройке, в крупнопролётных кровлях. Стандартные сечения:

• швеллер 14–20 — для пролётов 6–9 м с шагом 1,5–2 м;
• двутавр 20Б1–25Б1 — для пролётов 9–12 м с шагом 2–3 м;
• двутавр 30Б1–40Б1 — для пролётов 12–18 м с шагом 3–6 м (по сути это уже балки покрытия, а не стропила);
• профильная труба 100×100×4 — для лёгких пролётов до 6 м с шагом 1–1,5 м;
• стропильные фермы из спаренных уголков — для пролётов свыше 12 м с шагом 6 м.

Металлические стропила опираются на оголовки колонн или на консольные опорные узлы. Стыкование металлических стропил выполняется фланцевыми соединениями на болтах в монтажных стыках.

Опирание стропил на стены

Стандартные узлы опирания стропил на каменные и бетонные стены:

• опирание на мауэрлат — горизонтальный брус по периметру стены, прикреплённый к стене анкерами. Стропила выпиливаются в гнездо мауэрлата и крепятся гвоздями, скобами или специальным крепежом;
• опирание через металлические уголки и кронштейны — для тонких стен или для случаев, когда мауэрлат избыточен;
• опирание на железобетонный пояс — мауэрлат заменяется монолитной железобетонной балкой по периметру стен, армированной арматурой и связанной с кладкой через выпуски арматуры.

Мауэрлат стандартное сечение — 100×150 или 150×150 мм из хвойной древесины. Крепится к стене анкерными болтами М12–М16 с шагом 1,0–1,5 м. Для деревянных стен мауэрлат крепится к верхней обвязке шурупами или гвоздями.

Затяжки и распорное усилие

В висячей стропильной системе стропила распирают стены наружу. Распорное усилие H = N × sin(α), где N — продольная сила в стропиле, α — угол наклона ската. Для пролёта 6 м, снеговой нагрузки 180 кгс/м², шага стропил 900 мм и уклона 30° распорное усилие на каждое стропило составляет около 800–1200 кгс.

Это усилие воспринимается затяжкой — горизонтальной балкой по нижним концам стропил. Сечение затяжки из дерева:

• пролёт до 4 м — затяжка 50×150 мм;
• пролёт 4–6 м — затяжка 50×200 мм;
• пролёт 6–8 м — затяжка 75×200 мм или две доски 50×200 на болтах;
• пролёт свыше 8 м — затяжка из спаренных досок или из стального стержня с натяжкой.

Затяжка обязательна в висячих системах. Её отсутствие приводит к распиранию стен наружу, появлению вертикальных трещин в кладке, в крайних случаях — к обрушению кровли.

Нагрузки на стропильную систему

На стропила действуют три группы нагрузок:

• постоянная нагрузка — собственный вес стропил, обрешётки, гидроизоляции, утеплителя, покрытия. Для металлической кровли с минватой 250 мм — около 50 кгс/м²;
• снеговая нагрузка — по СНБ 2.04.02 для района строительства, с учётом коэффициента формы μ;
• ветровая нагрузка — действует как на отрыв (в пологих кровлях), так и на давление (в крутых);
• временные нагрузки — вес людей при обслуживании (нормируется 150 кгс на одного человека).

Расчёт ведётся на сочетания этих нагрузок по нормам ТКП 45-5.04-167 (для металлических стропил) или ТКП EN 1995 (для деревянных). Расчётные сочетания — основная нагрузка + второстепенные с коэффициентами совместного действия.

Прогиб стропил

Прогиб стропил ограничивается из условий эксплуатации:

• для стропил под жёсткое покрытие (металлочерепица, фальц) — не более l/300 от пролёта;
• для стропил под обрешётку с мягким покрытием — не более l/200;
• для мансардных стропил под подшивку потолка — не более l/250.

Прогиб считается от нормативной нагрузки (без коэффициента перегрузки). Длительные нагрузки (постоянная + долговременная часть снеговой) дают долговременный прогиб, который должен учитываться отдельно от мгновенного.

Типовые ошибки

1. Висячая система без затяжки. Стропила пролётом 8 м без затяжки распирают стены с усилием до 2000 кгс. В каменных стенах появляются вертикальные трещины через 2–3 сезона, в деревянных — расщепление верхней обвязки.
2. Недостаточное сечение стропил. Стропила 50×150 на пролёте 5 м под снеговой нагрузкой IIIсн района прогибаются на 30–40 мм, что превышает норму. Минимум 50×200.
3. Большой шаг стропил под тяжёлое покрытие. Шаг 1500 мм для деревянных стропил под металлочерепицу с утеплителем 250 мм — критический. Обрешётка прогибается между стропилами, покрытие коробится.
4. Отсутствие подкосов в широких пролётах. Висячая система пролётом 9 м без подкосов — стропила работают как тяжёлая балка с большим прогибом. Подкосы уменьшают расчётный пролёт стропил вдвое.
5. Применение пиломатериалов низкого класса прочности. Древесина с пороками сорта 3–4 или класса прочности С16 (вместо С24) теряет 30–40 % несущей способности. Применяется только сорт 2 и выше с проверкой класса прочности.
6. Опирание стропил на тонкую стену без распределения. Стропило 75×200 опирается на стену толщиной 250 мм через мауэрлат 50×150. Опорная реакция концентрируется на узкой полосе, кладка трескается. Нужен мауэрлат шире кладки или железобетонный пояс.
7. Игнорирование контробрешётки. Без вентиляционного зазора между гидроизоляцией и обрешёткой влага не удаляется. За 5–10 лет утеплитель отсыревает, стропила гниют.

Чек-лист приёмки

• сечения стропил соответствуют проекту, проверка штангенциркулем не менее 5 точек по партии;
• класс прочности древесины подтверждён сертификатом или маркировкой;
• порода, влажность древесины (не выше 22 % для конструкционных элементов);
• шаг стропил соответствует чертежу с допуском ±20 мм;
• мауэрлат закреплён к стене анкерами с проектным шагом;
• узлы крепления стропил к мауэрлату выполнены по чертежу (металлические крепежи, гвозди, скобы);
• затяжки в висячих системах установлены и закреплены к стропилам с проектным усилием;
• подкосы и стойки установлены по проекту;
• отсутствие трещин, сучков сквозного типа, расколов в стропилах;
• контробрешётка выполнена с проектным сечением и шагом;
• обрешётка соответствует чертежу под выбранное покрытие;
• стропила обработаны антисептиком и огнезащитой по проекту;
• места опирания стропил на стены защищены гидроизоляцией.

Часто задаваемые вопросы

Какие стропила выбрать для дома пролётом 8 м? Деревянные стропила 75×200 с шагом 900 мм для висячей системы с затяжкой, или 50×200 с шагом 600 мм. Для наслонной системы с промежуточным прогоном — стропила 50×200 могут работать на больших шагах.

Сколько весит стропильная система дома 100 м² в плане? Ориентировочно 800–1200 кг древесины (стропила, мауэрлат, обрешётка, контробрешётка) без учёта покрытия и утеплителя. Объём пиломатериалов — 2,5–4,0 м³.

Можно ли применять металлические стропила вместо деревянных в жилом доме? Можно, но обычно нецелесообразно. Деревянные стропила дешевле, легче монтируются, лучше работают с теплоизоляцией мансарды. Металлические применяются в коммерческих и производственных зданиях с большими пролётами.

Какой шаг стропил при двухскатной кровле под металлочерепицу? Стандартно 600–900 мм для деревянных стропил, с обрешёткой из бруса 50×50 или 40×50 с шагом по гребню металлочерепицы 350 мм. Шаг свыше 900 мм требует более толстой обрешётки и проверки на прогиб между стропилами.

Допустимо ли соединять стропила по длине без промежуточной опоры? Допустимо при правильном выполнении стыка: накладки с двух сторон, болты или гвозди по расчёту, расположение стыка в зоне минимального момента. Без расчёта стык даёт скрытый дефект и снижение несущей способности на 30–50 %.

Сокращения и обозначения

ТКП — технический кодекс установившейся практики. ТНПА — технический нормативный правовой акт. ТКП 45-5.04-167 — расчёт стальных конструкций (РБ). ТКП EN 1995 — проектирование деревянных конструкций по еврокодам. СНБ 2.04.02 — нагрузки и воздействия (РБ). СНБ 2.01.02 — пожарная безопасность зданий и сооружений (РБ). С24, С30 — классы прочности конструкционной древесины. ЛСТК — лёгкие стальные тонкостенные конструкции. Мауэрлат — горизонтальный брус по периметру стен. Стропило — наклонная балка скатной кровли. Затяжка — горизонтальный элемент висячей стропильной системы. Подкос — наклонный элемент, передающий усилие со стропил на стойку.

Материал подготовлен по действующим на дату публикации редакциям ТНПА. Применение рекомендаций должно учитывать актуальность нормативной базы и конкретные условия объекта.