Исторически крышей называлась только чердачная или мансардная крыша, т.е. если было некоторое пространство между чердачным перекрытием и собственно крышей. Сейчас крышей принято называть любую крышу жилого дома, в том числе и совмещённую конструкцию, без такого пространства.
Покрытием называют наружные ограждающие бесчердачные конструкции в производственных, общественных большепролётных, зрелищных и т.п. зданиях. Такой подход определяет и название покрытия: вантовое, арочное, светопрозрачное и т.д.
Крыши в архитектурной композиции дома играют существенную роль. При одинаковой архитектуре стен разные по форме и материалу крыши могут до неузнаваемости изменить облик дома: крыши не только украшают его, но и придают дому стиль.
Крыша - сложная конструкция, состоящая из двух частей:
- несущей - стропила, плиты или иной настил покрытия;
- несомой — кровля.
Каждая из этих частей воспринимает свои нагрузки и воздействия, а вместе они работают как единое целое.
Нагрузки и воздействия на крышу
Задачи крыши не ограничиваются приданием красоты и законченности архитектурной мысли. Грамотное проектирование конструкций крыши продлевает жизнь дому, защищая его от атмосферного воздействия. Дело в том, что в отличие от других конструкций несущего остова здания, крыши принимают на себя удары всех атмосферных нагрузок, действующих на здание, как силового, так и несилового характера.
Нагрузки и воздействия на крышу: 1 - вертикальные нагрузки постоянные; 2- то же, временные (снег); 3 - ветровые нагрузки; 4- ветровой отсос; 5- атмосферные осадки (снег, дождь); 6 — состояние атмосферной среды (перемена температуры, влажности); 7- наличие в осадках агрессивных примесей; 8- солнечная радиация; 9 - тепловой поток атмосферный; 10 —то же, из помещения; 11 - диффузия водяного пара; 12 - кровля; 13 - стропильная конструкция; 14 - чердачное перекрытие; 15 - снег.
Нагрузки силового характера:
- постоянные — собственная масса конструкции;
- временные - атмосферные (снег, ветровой напор и ветровой отсос);
- кратковременные - эксплуатационные, например, при ремонте крыши;
- специфические нагрузки инженерно-геологического воздействия - сейсмические, просадки грунтов основания и подобные.
Воздействия несилового характера:
- тепловые потоки извне и из помещения;
- перемена температуры и влажности наружного воздуха;
- солнечная радиация-,
- химически агрессивные реагенты, содержащиеся в атмосфере и атмосферной влаге.
Требования к крыше
Как видим, нагрузки, воздействующие на крыши, очень разнообразны. Отсюда и широкие требования, предъявляемые к крышам.
- Прочность крыши достигается грамотным проектированием несущей части крыши - строп ильной системы, плит перекрытия и других настилов, способных вынести силовые нагрузки. Как и во всех других конструкциях, прочность крыши — это расчётная величина для каждого её элемента.
- Долговечность крыши будет обеспечена, если выполнять надлежащий режим её эксплуатации. Например, в холодном чердаке должна быть предусмотрена вентиляция, иначе выпадающий конденсат приведёт к загниванию деревянных элементов конструкции. Также не способствует долговечности крыши проникающая атмосферная влага. И другие обстоятельства, о которых мы будем в своё время говорить.
- Устойчивость крыши достигается надёжным соединением элементов конструкции: элементы могут быть прочными, но недостаточно закреплёнными, что может привести к срыву крыши в ветреную погоду, обрушению при снеговой нагрузке и т.д.
- Жёсткость крыши подразумевает допустимую деформативность конструкции; крыша не должна покоситься, прогнуться или иметь подобные признаки нежёсткой конструкции. Потеря жёсткости может привести к обрушению крыши. Для предотвращения таких явлений вводятся связи жёсткости.
- Гидро-, тепло- и пароустойчивость. Эти требования понятны из своих определений.
- Архитектурная выразительность формы и материала крыши. Понятно, это относится только к скатным крышам, поскольку плоская крыша влияет только на облик дома, не неся своей выразительности.
- Экономические требования подразумевают не только единовременные затраты на возведение крыши, но и эксплуатационные расходы на поддержание её в рабочем и эстетическом состоянии.
- Специальные требования могут возникнуть при особом назначении крыши или здания в целом. Так, эксплуатируемая кровля потребует укладки слоёв, не нужных в неэксплуатируемой крыше.
Классификация крыш
Классифицируем крыши по нескольким признакам.
По величине уклона поверхности крыши i:
- скатные — i > 5%, из них — крутые при i > 15 %;
- пологие — i = 2,5...5 %;
- плоские — i = 0,5... 5%.
Надо понимать, что приведённая выше градация уклонов является условной, в разной литературе величины уклонов в той или иной номинации могут несколько, несущественно, отличаться от нашей классификации. Однако сути это не меняет: конструкция крыши, включая систему водоотвода, зависит от её уклона.
В классификации величины уклонов указаны в процентах. Уклоны также могут быть обозначены в обыкновенных или десятичных дробях, которые ещё называют долями. Реже уклоны указывают в углах.
Как увязать все эти единицы измерения между собой? Рассмотрим показательный пример.
Пример. Пусть уклон крыши задан в обыкновенной дроби — h /l = 1: 5. Это означает, что на одну часть по вертикали приходится пять частей по горизонтали. Это катеты треугольника; гипотенузой треугольника и будет нужный нам уклон. Измерив угол по транспортиру, получим угол уклона α — 11°.
Переведём обыкновенную дробь 1 : 5 в десятичную: 1/5 = 0,20, это будут доли.
Умножив величину 0,20 на 100%, получим 20%. Так образовалась цепочка единиц измерения величины уклона: 1:5 → 0,20 → 20% →11°.
Для ориентации в таблице приведены некоторые значения уклонов в разных единицах измерения.
| Соотношение h/l | Доли | Проценты, % | Угол, градусы | Соотношение h/l | Доли | Проценты, % | Угол, градусы |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 :50 | 0,02 | 2 | 1 | 1:5 | 0,20 | 20 | 11 |
| 1 :40 | 0,025 | 2,5 | 2 | 1:4 | 0,25 | 25 | 15 |
| 1 :20 | 0,05 | 5 | 4 | 1:2,5 | 0,40 | 40 | 22 |
| 1:12 | 0,08 | 8 | 5 | 1:2 | 0,50 | 50 | 27 |
| 1 :10 | 0,10 | 10 | 6 | 1:1,5 | 0,67 | 67 | 35 |
| 1:8 | 0,125 | 12,5 | 7 | 1:1 | 1,00 | 100 | 45 |
Величину уклона архитектору принять непросто, поскольку нужно увязать между собой факторы, влияющие на архитектурные решения:
- климатический район строительства - толщину снегового покрова, количество дождевых осадков, ветровые нагрузки и т.д. Например, в многоснежном районе строительства крыша должна быть крутой, так как снег, не задерживаясь на скате, будет сползать; но, с другой стороны, если очень ветрено, то такая крыша превращается в экран, который должен выдержать ветровой напор.
- материал кровли — массу материала, рекомендованные производителями кровель уклоны крыш;
- как архитектору видится использование чердачного объёма: если задумана мансарда, то уклон крыши должен обеспечивать нормальные условия для пользования этим помещением.
Неспроста среди этих факторов упоминаются климатические условия. Практически на всей территории России климатическая зона такова, что не учитывать влияние дождя и снега невозможно. Посмотрим на рисунке, где показаны схемы отложения снега на крышах разной формы и стекания с них воды.
На крышах с крутыми скатами, больше 45°, снег не задерживается. А при уклоне 30° на заветренном скате будут скапливаться наибольшие снегоотложения. Если такая же крыша будет защищена от ветра, например, находится в лесу, то снег на ней будет накапливаться. С плоской крыши снег вообще плохо сдувается, а если крыша с парапетом, то он так же будет накапливаться.
Теперь о дожде. Разумеется, со скатной крыши дождевая вода стекает. При неорганизованном водостоке вода, стекающая на наветренную сторону, будет увлажнять фасад. Поэтому устройство карнизов в нашей полосе - не украшение фасада, а необходимость, которая позволяет сохранить не только фасадный материал стен, но и их конструкции. С плоской крыши с неорганизованным водостоком в безветренную погоду вода стекает по периметру крыши, не увлажняя фаса. Но дождь без ветра бывает редко. В этом случае картина меняется: при ветре вода стекает на заветренную сторону, нанося ущерб фасаду.
При организованном водостоке фасад работает в лучших условиях. При наружном организованном водостоке вода попадаете в жёлоб, а при внутреннем - в водосборную воронку, и фасад не страдает.
По способу взаимодействия покрытия и перекрытия верхнего этажа (чердачного) крыши могут быть:
- раздельными — это когда покрытие и перекрытие верхнего этажа разнесены; такие крыши называются чердачными;
- совмещёнными - перекрытие верхнего этажа совмещается с покрытием, а чердак отсутствует; совмещёнными могут быть как плоские, так и скатные крыши.
По степени совмещения несущих и ограждающих функций крыши:
- полное совмещение — это когда покрытие полностью совмещает несущие и ограждающие (гидро-, тепло-, парозащитные и другие) функции; например, плоская бесчердачная крыша является совмещённой или, другой пример, раздельная скатная крыша с тёплым чердаком также классифицируется как совмещённая;
- частичное совмещение - это когда какая-либо ограждающая функция выполняется другими конструкциями, не покрытием; как пример, можно привести дом с холодным чердаком, где теплозащитная функция выполняется утеплённым перекрытием верхнего этажа, а утеплитель в конструкции покрытия отсутствует.
По тепловому режиму чердака:
- холодный чердак;
- тёплый чердак.
По условиям эксплуатации чердачного объёма:
- неэксплуатируемый чердак;
- эксплуатируемый чердак, приспособленный под бытовые или подсобные службы, - мансарда.
По количеству и форме скатов плоскостных крыш. Скат — это наклонная плоскость, предназначенная для отвода воды с крыши:
- односкатные-, скат, как правило, обращают к наветренной стороне, защищая тем самым здание от ветра, снега и дождя;
- двухскатные и двухскатные полувальмовые;
- четырёхскатные вальмовые, с изломами скатов и полувальмовые (в следующем параграфе будет разъяснено, что такое вальма и полувальма);
- мансардные крыши вальмовые и полувальмовые;
- четырёхскатные шатровые, с квадратным планом; определяющим элементом такой крыши служит симметричность;
- пирамидальные;
- многощипцовые, в том числе с изломами скатов.
7. По форме кривых крыш. Крыша может иметь не только плоскостную форму, но и являться кривой поверхностью:
- конические, в том числе шипцовые;
- купольные сферической, эллиптической или подобной формы;
- сводчатые крыши.
Формы крыш малоэтажных домов: а — односкатная; б — двухскатная щипцовая; в — четырехскатная вальмовая; г — четырехскатная вальмовая с переломами скатов; д — двухскатная полувальмовая; е — четырехскатная полувальмовая; ж — мансардная вальмовая; з — мансардная полувальмовая.
Формы крыш малоэтажных домов: и — шатровая; к — пирамидальная шпицовая; л — четырехщипцовая; м - коническая; н - конусная шпицовая; о - купольная; п - сводчатая цилиндрическая.
Надо сказать, что современные малоэтажные дома редко покрываются крышами кривых форм, но нельзя говорить, что это невозможно. В последнее время стали появляться крыши, форма которых представляет собой косую плоскость - гиперболический параболоид. Конечно, такие крыши смотрятся красиво и необычно, но насколько они удобны, решать жильцам такого дома.
Комбинированные стропильные системы
Комбинированные системы предполагают сочетание наслонных и висячих стропильных конструкций. Без преувеличения можно сказать, что огромным преимуществом таких систем, когда идёт тенденция к увеличению внутренних пространств жилищ, является большая свобода в организации внутренних опор под конструкции крыши.
Суть системы такова. Стропильные фермы укладываются на вертикальные конструкции — стены, колонны - на расстоянии 5...6 м друг от друга. По верхним поясам ферм, т.е. по висячим стропилам, укладываются горизонтальные прогоны — не менее двух на каждом скате, также может быть уложен верхний прогон. Если в качестве этих прогонов будет использован стальной прокат или клеёный брус, то расстояние между фермами можно увеличить вплоть до 8...10 м.
Комбинированная система стропильных конструкций: а - вид конструкции; б - поперечный разрез; в — план раскладки элементов конструкции; 1 - наслонное стропило; 2 - прогон; 3 - висячее стропило - верхний пояс стропильной фермы; 4 - мауэрлат; 5- коньковый прогон; б— подвеска; 7- подкос; 8 — затяжка - нижний пояс стропильной фермы; .9- подвесное чердачное перекрытие; 10- болт; 11 - подбалка; 12 - подкладка; 13 - гидроизоляция; 14 - накладка; 15 - кобылка.
На прогоны крепятся наслонные стропила, шаг которых диктуется теми же соображениями, что и шаг обычных наслонных стропил. По наслонным стропилам монтируется обрешётка, по которой будет уложен кровельный материал.
На рисунке также приведены характерные узлы комбинированных стропильных конструкций. Остальные соединения решаются аналогично таковым в наслонных и висячих стропилах.
Комбинированные стропильные системы - это совсем другой уровень решений покрытий, которые часто даже крышами назвать сложно - настолько грандиозными могут быть здания с такими покрытиями.
Это интересно. Одним из самых грандиозных сооружений со сложным деревянным покрытием является Вестминстерский дворец в Лондоне. Его строительство было начато в 1097 г. Высота основного зала составляет 28 м, пролёт -21м, стропила - дубовые. Учитывая особую любовь англичан к сохранению традиций, нетрудно догадаться, что никто не собирается перестраивать крышу этого дворца с использованием новых современных материалов.
Деревометаллические (металлодеревянные) стропильные конструкции
В деревометаллических конструкциях все или часть растянутых элементов выполняют из металла. В наслонных стропилах такие элементы отсутствуют, а вот в стропильных фермах растянутые элементы есть. Как известно, металл хорошо работает на растяжение, что и повышает эффективность работы ферм. Так, в ферме растянутыми элементами являются подвески и нижний пояс фермы, они могут быть заменены металлическими тяжами. Получаются очень крепкие конструкции, поэтому их применение оправдано при больших нагрузках, которые в частном домостроении практически не возникают.
Вариантов деревометалических ферм может быть очень много. Иметь представление о них поможет рисунке, на котором приведён пример треугольной фермы и показаны характерные узлы системы.
Пример деревометаллической фермы: 1 - висячее стропило; 2 - стальная стойка фермы - тяж d=20 мм; 3 - подкос; 4 - затяжка; 5 - накладка; б - подкладка; 7- штырь d=25 мм; 8 — болт; 9 - гвозди
Деревоклеёные стропильные конструкции
Деревоклеёные конструкции состоят из клеёных элементов сплошного сечения, которые образуются путём склеивания отдельных деревянных элементов. Конечно, конструкции из такого материала дают экономию стали и цемента, если их использовать вместо железобетонных и металлических конструкций. Значительное снижение веса клеёных конструкций также очень привлекательно. Однако в этом случае не надо говорить об экологичности материала, хоть оно и содержит в названии слово «деревянные». Фактически от свойств натурального дерева здесь мало что остаётся; по сути дела, материал относится к полимерам, которые часто содержат формальдегидные смолы, наносящие вред здоровью.
В малоэтажном строительстве их используют крайне редко. Наиболее рациональная область применения деревянных клеёных конструкций - это покрытия спортивных залов, бассейнов, рынков, выставочных павильонов и т. п. с пролётами в несколько десятков метров. Основными конструктивными элементами здесь являются односкатные и двухскатные балки, сегментные фермы, арки.
Это интересно. Покрытие Манежа в Москве выполнено по клеёным фермам. В те времена, когда строился Манеж, строительная наука не знала клеёных конструкций. Фермы покрытия возводились из натурального дерева. После пожара Манежа в Москве, случившемся в 2004 году, встал вопрос его восстановления. Однако деревьев, из которых можно было бы воссоздать фермы, в России не нашлось - экология теперь уж не та, что в царской России. Пришлось применить клеёные конструкции. Надо сказать, что при обработке материала специальными огнезащитными составами его огнестойкость существенно превосходит огнестойкость металлических и деревянных конструкций. Так что пожар теперь не страшен.
Ещё интересный пример. В 60-е годы прошлого века в СССР остро встал вопрос о строительстве сооружений для химического производства и хранения химических удобрений. Построенные для этой цели здания из металла и железобетона разрушались в течение 5...10 лет эксплуатации. Настоящим спасением стало строительство большепролётных клеёных деревянных сооружений, которым агрессивные среды были не страшны.
Стальные стропильные конструкции
Элементы стропильной конструкции могут быть полностью выполнены из стального проката. Но это уже другие конструкции, которые целесообразно применять в других типах зданий: в общественных малоэтажных зданиях, в мансардах или пентхаусах многоквартирных домов, а в частном домостроении таких примеров пока немного, поэтому здесь о них говорить мы не будем.
