Крыши. Энергия, принесенная ветром. Велосипед-тандем-веломобиль...("Сделай сам" №4∙2004)

Крыши

А.А.Савельев

Основное назначение крыш — защитить дом от атмосферных осадков, сохранить в доме тепло и передать силовую нагрузку от ветра и тяжести снега на стены с наименьшим ущербом для дома. Защиту дома от атмосферных воздействий осуществляет кровля, то есть верхний слой крыши. Тепло сохраняет утеплитель, уложенный в конструкцию кровли или в конструкцию чердачного перекрытия. Силовые нагрузки воспринимают обрешетка и стропильная система.

В малоэтажном жилом строительстве традиционной конструкцией являются скатные крыши, которые в зависимости от объемно-планировочного решения принимают различные формы. Основные типы крыш изображены на рис. 1.

Рис. 1. Основные типы крыш:

_{а — односкатная; б — двухскатная (щипцовая); в — четырехскатная (вальмовая), г — ломанвя; д — полувальмовая; е — многощипцовая}

Для скатных крыш применяют различные кровельные материалы: стальные оцинкованные листы, плоские и волнистые асбестоцементные листы (шифер), керамическую, цементную и металлическую черепицу, рубероид и другие материалы. Выбор кровельного материала определяет величину угла наклона крыши. Чем плотнее материал кровли и герметичнее его стыки, тем меньше может быть уклон крыши, и наоборот. Другими словами, чем мельче размеры штучного кровельного материала (например, черепица), тем круче должна быть крыша. Это объясняется не только большим количеством соединений малоразмерных деталей, а значит, возможным протеканием, но и большим весом кровли. Чем тяжелее кровельный материал, тем больший угол наклона нужно придать скатам. Рекомендуемые уклоны скатных крыш приведены в таблице 1.

Прежде чем приступить к детальному ознакомлению с конструкциями крыш, нужно рассказать об условиях, в которых они работают. Основные факторы, влияющие на прочность и долговечность конструкции крыши, следующие.

Ветровая нагрузка

В малоэтажном строительстве силовые нагрузки от давления ветра не учитывают при расчете несущих элементов крыш. Так как считается, что стропила, рассчитанные на нагрузки от веса снега и веса кровельных материалов, успешно выдерживают ветер. Но так как полностью игнорировать ветровые воздействия нельзя, мы рассмотрим некоторые особенности давления силы ветра на крышу.

При боковом давлении ветра (рис. 2) воздушный поток сталкивается со стеной и крышей здания.

Рис. 2. Воздействие ветра на малоэтажный дом

У стены дома происходит завихрение потока, часть его уходит вниз к фундаменту, другая по касательной к стене бьет в карнизный свес крыши. Ветровой поток, атакующий крышу, огибает по касательной конек кровли, захватывает спокойные молекулы воздуха с подветренной стороны и устремляется прочь. Таким образом на крыше возникают сразу три силы, способные сорвать ее и опрокинуть: две касательные с наветренной стороны и подъемная сила, образующаяся от разности давлений с подветренной стороны. Еще одна сила, возникающая от давления ветра, действует перпендикулярно склону (нормаль) и старается сломать и вдавить крышу внутрь. В зависимости от крутизны крыши нормальные и касательные силы меняют свое значение. Чем больше угол наклона ската кровли, тем большее значение имеют нормальные силы и меньшее касательные, и наоборот. Так как высота домов в малоэтажном строительстве небольшая, то ни одна из этих сил в отдельности, ни вместе взятые не способны разрушить крышу, а вот сорвать ее и опрокинуть или даже перенести на небольшое расстояние они вполне могут. Иногда это и случается во время ураганов.

Для избежания неприятностей, которые может наделать ветер, предусматривают несложную защиту. От разрушительного воздействия касательных сил, действующих по стене здания, предусматривают устройство карниза в верхней части стены дома (рис. 3).

Рис. 3. Устройство карниза в верхней части стены дома:

_{1 — асбестоцементные волнистые листы; 2 — кобылка; 3 — стропильная нога; 4 — опорный брусок; 5 — мауэрлат; 6 — гидроизоляция; 7 — проволочная крутка диаметром 6 мм; 8 — утеплитель; 9 — пароизоляция; 10 — железобетонная плита покрытия; 11 — ерш; 12 — карниз}

Чем больше будет нависание карниза над стеной, тем меньше опасность облома свеса кровли. Защита от касательной, действующей с наветренной стороны ската кровли, и подъемной силы с подветренной стороны, заключается в том, что нижний конец стропильных ног крепят проволочной скруткой к ершу, забитому в стену (рис. 3). Кстати, это конструктивное решение дается во всех книгах по строительству, но при конкретном строительстве о нем забывают или выполняют неверно, прикручивая мауэрлат вместо стропильных ног. Иногда эту конструкцию упрощают, закладывая проволоку непосредственно в кладку. Такое решение допустимо, если оно не портит внешний вид здания. Стропила прикручивают по всему периметру здания через одно, начиная с крайних — в районах с умеренными ветрами и каждое — в районах с сильными ветрами. Ерш — это металлический штырь с насечкой против выдергивания, изготавливают его кузнечным способом.

Касательные силы ветра могут сорвать отдельные элементы кровли. Чтобы этого не произошло, устанавливают противоветровые скобы для кровель из волнистых асбестоцементных листов, Т-образные скобы для металлических кровель, черепицу привязывают к обрешетке (рис. 4).

Рис. 4. Крепление различных кровельных материалов к обрешетке:

_{1 — асбестоцементные волнистые листы (а); 2 — обрешетка; 3 — стропило; 4 — проволочная скоба; 5 — керамическая черепица (б); 6 — проволочная скрутка; 7 — кровельное железо (в); 8 — Т-образная скоба; 9 — цементная черепица (г); 10 — ветровая доска, 11 — жестяной кляммер}

Со стороны фронтонов здания устанавливают ветровую доску. Вероятно, для новейших кровельных материалов существуют другие способы защиты от ветра, но принципиальная схема ее остается прежней и изложена достаточно четко.

Снеговая нагрузка

В силу своих географических особенностей практически вся территория России в холодный период года засыпана снегом. Высота снежного покрова в отдельных районах достигает 2 м. Точную высоту снега, требуемую для расчета несущей способности стропильных ферм в конкретном месте строительства, читателю нужно выяснить в районных строительных организациях или установить по СНиП «Строительная климатология». Вес одного кубометра снега, находящегося в естественном неуплотненном состоянии, принят равным 100 кг. Другими словами, снежный сугроб высотой в 1 м давит на грунт силой равной 100 кг/м², что кстати соответствует Московской, Владимирской и некоторым другим областям центральной России. Конечно, также он давит на плоские крыши зданий. Например, на крышу размером 6х8 м приходится нагрузка в 4,8 т, что, согласитесь, немало. И это при том, что выбрана средняя толщина в один метр. Бывают годы, когда осадков выпадает значительно больше нормы. В зависимости от уклона крыши и преобладающих ветров снега на ней может быть значительно меньше и, как ни странно, больше, чем на поверхности земли. Уменьшение снеговой нагрузки в зависимости от крутизны крыши и вида кровельного материала отражено в СНиПе. Но так как большинству читателей СНиП недоступен, то снеговую нагрузку можно подсчитать путем умножения веса снега на косинус угла подъема ската. Такое допущение, конечно, не отражает истинного положения вещей, но оно приемлемо, так как дает несколько большую величину снеговой нагрузки, а значит, делает запас прочности стропильной системы. Напомним, что косинус угла ноль градусов равен единице, тридцати градусов — 0,866, сорока пяти — 0,707, шестидесяти — 0,5. Читатель может возразить, сказав, что на крыше с уклоном в 60 градусов снег не задерживается, и будет абсолютно прав. Но нужно учесть то обстоятельство, что на крышах такой крутизны резко возрастают ветровые нагрузки. А так как рассчитать на них несущую способность стропил неподготовленному человеку не удастся, то будем условно считать, что снег на крыше лежит.

Для того чтобы понять, откуда на крыше появляется снег, толщина слоя, которого

превышает слой снега, лежащего на земле, нужно посмотреть на рис. 5. При возникновении в атмосфере таких явлений, как снежный буран или просто метель, снежинки подхватываются ветром и переносятся на подветренную сторону. После прохождения препятствия в виде конька крыши скорость движения нижних потоков воздуха снижается по отношению к верхним, и снежинки оседают на крышу. В результате с одной стороны крыши снега лежит меньше нормы, с другой — больше. С какой именно стороны кровли снега будет лежать больше, угадать невозможно, поэтому при расчете всех без исключения строительных конструкций на снеговую нагрузку вес снега принимается с повышающим коэффициентом 1,4. Образно говоря, при определении сечений стропильных ног считается, что засыпало домик снегом по самую трубу. Для Московской области принимается к расчету на горизонтальной поверхности слой снега в 1,4 м, на наклонной — нужно умножить эту цифру на косинус угла наклона.

Способ защиты от снеговой нагрузки один — правильно выбранные размеры элементов стропильной системы при расчете.

Толстый слой снега, скапливающийся на крыше и превышающий средненормативную толщину, называется снеговым мешком. Снеговой мешок, изображенный на рис. 5, давит на свес кровли и пытается его обломить. Поэтому свес кровли не должен превышать заложенные в проектах размеры. Чаще всего свободный свес кровли принимают равным 10 см.

Рис. 5. Различная толщина снежного покрова с ветреной и подветренной сторон крыши

Снеговые мешки скапливаются в ендовах (местах, где пересекаются две взаимно перпендикулярные крыши) и в местах с близко расположенными слуховыми окнами (рис. 6).

Рис. 6. Образование снеговых мешков на крыше:

_{1 — мауэрла; 2 — подкосы; 3 — одиночная стропильная нога; 4 — спаренная стропильная нога; 5 — прогон; 6 — снеговой мешок}

Во всех местах, где высока вероятность возникновения снежного мешка, ставят спаренные стропильные ноги и выполняют сплошную обрешетку. Также кровлю здесь делают из оцинкованной стали вне зависимости от материала основного покрытия.

С учетом снеговых и ветровых воздействий на кровлю дымовые трубы и вентиляционные шахты располагают как можно ближе к коньку крыши с выводом оголовка трубы над ней, либо выше зоны застойного воздуха (рис. 7). В этом случае они попадут в устойчивый ветровой поток.

Рис. 7. Расположение головок дымовых труб и вентиляционных шахт на крыше

Дождь

Падающую с неба воду относят к кратковременным нагрузкам, то есть не к силовым. Поэтому расчет несущей способности элементов крыши для нее не производят.

По направлениям скатывания воды с кровли подразделяют крыши с организованным и неорганизованным водоотводом. При неорганизованном водоотводе потоки дождевой и талой воды просто скатываются с кровли (рис. 8).

Рис. 8. Водоотвод с крыш:

_{а — неорганизованный водоотвод; б — организованный водоотвод по накрышеным желобам; в — организованный водоотвод по подвесным желобам; 1 — ветровая доска; 2 — накрышный желоб; 3 — подвесной желоб}

Этот вариант кровли самый простой и дешевый, так как не требует водосточных труб. Организованный водоотвод подразумевает наличие на кровле накрышных или настенных водоприемных желобов и устройство на стенах водосточных труб. С эксплуатационной точки зрения организованный водоотвод предпочтительней, так как позволяет отвести воду от фундаментной зоны.

Для надежного отвода дождевой и талой воды места примыканий кровель к дымовым трубам и вентиляционным шахтам обустраивают металлическими разделками в независимости от вида кровельных материалов. Ендовы и разжелобки также покрывают кровельным железом (рис. 9).

Рис. 9. Устройство трубы и вентиляционной шахты в кровле:

_{1 — вентиляционная шахта; 2 — деревянная антисептированная пробка; 3 — фартук из оцинкованной стали; 4 — кровля; 5 — обрешетка; 6 — стропило}

При устройстве примыкания кровель к плоским поверхностям, например, примыкание кровли к кирпичному фронтону, в последних выполняют горизонтальную или наклонную штрабу (рис. 10).

Рис. 10. Примыкание кровли к вертикальной поверхности:

_{1 — цементный раствор; 2 — деревянный антисептированный брусок; 3 — фартук из оцинкованной стали; 4 — антисептированная деревянная пробка; 5 — обрешетка; 6 — стропило; 7 — кирпичная стена; 8 — гвозди или шурупы с резиновой шайбой; 9 — кровельный материал (шифер)}

В нее заводят металлический фартук. После его установки фартук надежно расклинивают в штрабе деревянными или металлическими коротышами. Всю штрабу закидывают и затирают цементным раствором. Часто допускают ошибку, оставляя фартук в штрабе нерасклиненным и незаштукатуренным. Такая конструкция часто нарисована во многих книгах. Почему же нельзя так делать? Эта конструкция действительно на протяжении нескольких лет держит талую и дождевую воду, но однажды она протечет. Дело в том, что при высоком снеговом покрове или при метелях штрабу забьет снегом, при весенних дневных оттепелях и ночных заморозках капельки воды от растаявшего снега просочатся между бруском и металлическим фартуком. Превратившись в лед, вода увеличится в объеме и чуть-чуть отодвинет фартук. Этот многократно повторяющийся процесс в итоге ослабит гвоздевое крепление, а остальное сделает ветер Узел протечет. Наличие в штрабе раствора не допустит попадание в конструкцию снега. Расклинивание фартука в штрабе придаст ему статическую стабильность от ветровой нагрузки, потому что иначе раскачивающийся от сильного ветра фартук раскачает раствор, находящийся в штрабе, и он со временем выкрошится.

Влажность и температура

Чердачные помещения крыш можно разделить на два вида — жилые и нежилые. Жилые чердачные помещения называются мансардами. Их делят еще на две группы; помещения, которые используются в летнее время, и такие, которые используются круглый год. В холодных помещениях утепляют только перекрытие, разделяющее дом и чердак. В мансардах утепляют скаты крыши, боковые стены и часть перекрытия (рис. 11,а, б, в, г).

Рис. 11. Утепление чердачных помещений:

_{а, б, в, г — варианты утепления жилых мансард; д — утепление перекрытия}

Влияние влажности и температуры рассмотрим на примере утепления мансарды. Утепление чердачного перекрытия холодных помещений устраивают аналогично (рис. 11,д).

Влажность и температура воздуха в чердачном помещении напрямую связаны с воздухообменным процессом в системе «теплый чердак — наружный воздух». Рассмотрим эти процессы (рис. 12).

Рис. 12. Инфильтрация и эксфильтрация воздуха через чердачное помещение

Воздух внутри помещения нагревается от отопительных приборов. Как известно, при нагревании все физические тела увеличиваются в объеме. Воздух, увеличиваясь в объеме, просачивается сквозь конструкции крыши в атмосферу. Этот процесс называется инфильтрацией воздуха. В свою очередь, холодный, а значит более плотный и более тяжелый воздух просачивается через те же конструкции внутрь помещения. Это называется эксфильтрацией. Просачивание воздуха происходит не только в щели конструкции, но и сквозь сам материал стен и кровель. Читателю будет не безынтересно узнать, что практически все строительные материалы имеют сквозные поры — капилляры. Процессы экс- и инфильтрации происходят тем активнее, чем больше разность наружных и внутренних температур. То есть чем сильнее на улице мороз, тем лучше работает этот насос. Становится совершенно очевидным, что если не остановить эти процессы, воздух в помещении не нагреть; как известно, улицу не обогреешь. В качестве буфера, приостанавливающего экс- и инфильтрацию воздуха, используют утеплитель. Утеплитель отличается от других стройматериалов тем, что имеет большое количество замкнутых пор. Чем больше в утеплителе замкнутых пор, тем он эффективней. Для утепления чердаков рекомендуются утеплители с коэффициентом не более 0,04 Вт/м град С. Чуть ниже вы убедитесь в этом на примере теплорасчета. Установка утеплителя расчетной толщины в конструкции чердака позволяет сохранить теплый воздух в мансарде. Как известно, воздух не бывает абсолютно сухим. Нормальная относительная влажность внутреннего воздуха 44–65 %. Всевозможные мокрые процессы — влажная уборка, приготовление пищи, стирка, и другие также способствуют насыщению воздуха водяными парами. Влага образуется в результате химической реакции при сгорании природного газа. Да и сам человек является источником влаговыделения.

При инфильтрации влажного воздуха через утеплитель молекулы воды скапливаются в порах, то есть материал утеплителя из пористого превращается в более однородную и плотную массу. Процесс инфильтрации приостанавливается, но у утеплителя резко повышается коэффициент теплопроводности. Из теплозащитного элемента он превращается в тепловой проводник. Ведь известно же, что тепло передается не только процессом воздухообмена, но и через твердые тела. Выходит, что подмокший, а на морозе еще и подмерзший утеплитель защитить мансарду от теплопотерь не сможет.

Для недопущения в утеплитель водяных паров устраивают пароизоляцию. Ее выполняют со стороны поступления водяных паров из одного слоя паронепроницаемого материала: полиэтиленовой пленки, пергамина и других.

Устройство утепляющего слоя непосредственно на скатах кровли также опасно тем, что утеплитель может промокнуть от возможных протечек кровли. Для устранения этой причины кровля над утепляющими слоями должна быть выполнена с особой тщательностью. Будет лучше всего, если ее выполнить по сплошной обрешетке и уложить под верхний покрывающий слой кровли слой гидроизоляции из рубероида (рис. 13).

Рис. 13. Конструкция утепленной крыши (вариант):

_{1 — кровля из асбестоцементных листов; 2 — дополнительная гидроизоляция; 3 — сплошная обрешетка; 4 — воздушная прослойка; 5 — утеплитель; 6 — пароизоляция; 7 — подвесной потолок; 8 — стропильная нога}

Такая двойная защита кровли проверена опытом и дает хорошие результаты. Даже в случае повреждения верхнего слоя кровли путем раздавливания или срыва ветром отдельных элементов крыша не протекает. Дополнительную гидроизоляцию выполняют из рубероида в один слой под любой вид кровельных материалов, кроме некоторых видов черепицы, под которые нужно будет выполнить еще одну обрешетку. Рубероид стелят с нахлестом смежных полос 10–15 см и крепят гвоздями.

Возникает еще одна проблема: такая плотно запечатанная конструкция — пароизоляция снизу, гидроизоляция сверху — создает парниковый эффект и способствует развитию гнилостных бактерий. Какой бы сверхновый материал ни использовался в качестве пароизоляции, он все равно имеет поры и процесс инфильтрации только сдерживает, но не останавливает. Кроме того, укладка утеплителя происходит в условиях естественной атмосферной влажности, а значит, утеплитель уже может содержать в себе избыточную влагу. В процессе эксплуатации влага добавится в результате инфильтрации воздуха — парниковый эффект обеспечен. Прибавим к этому зимний мороз, и эффективность утеплителя заметно снизится. Нужно как-то осушать конструкцию.

Осушение утеплителя осуществляют посредством создания вентиляционных продухов. Между верхней кромкой утеплителя и обрешеткой оставляют воздушную прослойку толщиной около 2 см. Прослойку выполняют так, чтобы она была открытой у свеса кровли и у конька. Такая прослойка обеспечит естественную вентиляцию воздуха в зоне утеплителя (рис. 14).

Рис. 14. Вентиляция в зоне утеплителя крыши:

_{1 — подвесной потолок; 2 — пароизоляция; 3 — утеплитель; 4 — воздушная прослойка; 5 — сплошная обрешетка; 6 — дополнительная гидроизоляция; 7 — разреженная обрешетка; 8 — черепичная кровля; 9 — стропило; 10 — кобылка; 11 — коньковый элемент}

Необходимо добавить, что утеплитель, оклеенный со всех сторон алюминиевой фольгой, повышает свою эффективность в два раза. Фольга не только резко сокращает процесс инфильтрации, сводя его к нулю, но и обладает свойством отражать лучистую тепловую энергию (эффект термоса). Как многие знают, кипяток в термосе долго остается горячим не только из-за того, что термос имеет утепленные или вакуумные стенки, а главным образом из-за того, что стенки колбы зеркальные. Тепловые лучи отражаются от них и не проходят в тело сосуда. Использование фольги в качестве пароизоляции также благотворно скажется на тепловом режиме здания. Фольга, кстати, снижает влияние ядерной и солнечной радиации.

Правильно выбранная толщина утеплителя снизит затраты на отопление дома. Известно, что понижение температуры теплоносителя, принятого для отопления дома (например, воды в радиаторе отопления), всего на один градус дает почти десятипроцентную экономию топлива.

Как правильно выбрать толщину утеплителя? Читатель может рассуждать примерно так: поставлю утеплитель потолще. Потолще чего? Как определить, где толще, где тоньше? Для правильности выбора толщины утеплителя нужно сделать теплорасчет. Так как в нашей стране большой разброс по минимальным зимним температурам в различных регионах и зонам влажности, то выбор утеплителей достаточно богат. Читатель сам должен сделать теплорасчет или заказать его специалистам. Повторяюсь, экономия в этом вопросе не к месту.

Расчет толщины утеплителя для мансардных кровель и чердачных перекрытий

Полный теплорасчет утепления кровли проводится по СНиП 11-3-79 «Строительная теплотехника» (М.: Стройиздат, 1996)и СНиП 2.01.01–22 «Строительная климатология и геофизика» (М.: Стройиздат, 1983). В ближайшее время должны появиться новые издания этих СНиПов, так как и в Европе, и у нас введены или вводятся новые нормы, предусматривающие увеличение толщины утепляющих слоев примерно в два раза. В нашем теплорасчете эти изменения учтены.

Точный теплорасчет определяет толщину утеплителя, учитывает затухание температуры в конструкции в зависимости от температурных колебаний наружного воздуха и режима отопления, учитывает влажность воздуха и не допускает появления температуры точки росы не только на поверхности, но и внутри конструкции. В нем проводится расчет тепловой устойчивости ограждающих конструкций.

Но так как провести такой теплорасчет человеку неподготовленному будет очень сложно, приведем упрощенную его схему, в которой будет ряд допусков. Полученная в результате расчета толщина утеплителя будет примерно такой, какой нужно, даже чуть больше требуемой.

1. Определяем требуемое тепловое сопротивление кровли в зависимости от разницы наружных и внутренних температур воздуха, м²∙град/Вт:

R_тр = (t^в — t^н)/26,1, где

t^в — расчетная температура внутреннего воздуха, град, то есть это температура, которую вы хотите иметь у себя в доме. Принимается по СНиПу и равна 18°, но наиболее комфортная температура все-таки 21°;

t^н — расчетная температура самой холодной пятидневки в вашем регионе. Принимается по СНиПу. Так как СНиП большинству читателей недоступен, ее можно определить, исходя из собственного опыта. Например, если вы поставите температуру минус 32 градуса, то по СНиПу она в вашем регионе не опускается ниже —29 градусов, значит, ваш утеплитель будет чуть толще.

2. Определим расчетное тепловое сопротивление, оно будет несколько выше, чем требуемое. Мы его примем с коэффициентом 3 для утепления кровли в мансарде и чердачном перекрытии в варианте холодного чердака. И с коэффициентом 2 — для вертикальных стен мансарды.

R_рас = к∙R_тр; к = 3, к = 2.

Коэффициенты различаются, потому что инфильтрация воздуха через потолок значительно больше, чем через стены. Теплый воздух поднимается вверх, а не в бок.

Читателю будет интересно знать, что повышающий коэффициент составляет, например, в Дании — 2,38, Франции — 2,44, Германии — 2,12, Италии — 2,77, Норвегии — 3,7, Швеции 3,35.

3. Определяем толщину утеплителя, м (рис. 15).

δ_ут = [R_рас — ((1/8,7) + R_пр + (δ₁/λ₁) + (δ₂/λ₂) +… + (δ_i/λ_i))]∙λ_ут,

где δ_i — толщина каждого слоя конструкции кровли, м;

λ_i — коэффициент теплопроводности каждого слоя, Вт/м∙град (определяется по таблице);

R_пр — теплосопротивление воздушной прослойки, м²∙град/Вт (определяется по таблице, если в конструкции нет воздушных прослоек эту величину из формулы выключают);

λ_ут — коэффициент теплопроводности утеплителя, Вт/м∙град (определяется по таблице в зависимости от того, какой утеплитель вы хотите применить. При использовании новейших утеплителей, которых нет в таблице, коэффициент вам обязана сообщить торгующая фирма).

Как видите, в упрощенном теплорасчете всего две формулы. Сделать его под силу любому человеку.

Пример теплорасчета утепления кровли мансарды

Дано: район строительства — Московская обл., конструкция кровли (рис. 15);

Рис. 15. Иллюстрация к тепловому расчету

— асбестоцементные волнистые листы, δ₁ = 0,01 м, δ_i = 52 Вт/м∙град;

— обрешетка из хвойных пород дерева, δ₂ = 0,025 м, δ_i = 0,35 Вт/м∙град;

— воздушная прослойка R_пр = 0,15 м² град/Вт при толщине 2 см;

— утеплитель — минераловатные плиты с объемным весом 50 кг/м³, δ_ут = 0,06, либо плиты из пенополиуретана λ_ут = 0,04 Вт/м∙град;

— пароизоляция — один слой толя δ₃ = 0,003; λ₃ = 0,17 Вт/м∙град;

— подвесной потолок из фанеры δ₄ = 0,01; λ₄ = 0,18 Вт/м∙град.

Решение. По карте влажности и условиям эксплуатации (см. приложение

1) определяем, что наш район строительства относится к группе Б. На основании этого определяем по табл. все коэффициенты теплопроводности (конкретно для каждого слоя ставим их в «дано»).

1. Находим требуемое сопротивление, где внутреннюю температуру принимаем равной 21°, наружную — минус 32°:

R_тр = (t^в — t^н)/26,1 = (21 + 32)/26,1 = 2,03 м²∙град/Вт

2. Находим расчетное теплосопротивление:

R_рac = 3R_тр = 3∙2,03 = 6,09 м²∙град/Вт

3. Находим толщину утеплителя из минераловатной плиты:

δ_ут = [R_рас — ((1/8,7) + R_пр + (δ₁/λ₁) + (δ₂/λ₂) + (δ₃/λ₃) + (δ₄/λ₄)+ 1/12)]∙λ_ут = (6,09 — (1/8,7) — 0,15 — (0,01/0,52) — (0,025/0,35) — (0,003/0,17) — (0,01/0,18) — 1/12)∙0,06 = 0,33 ~= 35 см

Толщина утеплителя получилась несколько великоватой, заменим утеплитель из минеральной ваты на полиуретан. Тогда толщина утепляющего слоя составит:

δ_ут = (6,09 — (1/8,7) — 0,15 — (0,01/0,52) — (0,025/0,35) — (0,003/0,17) — (0,01/0,18) — 1/12)∙0,04 = 0,22 ~= 25 см

Для того чтобы читатель убедился в правомерности упрощенного теплорасчета, сообщим, что в Германии толщина утеплителя из минераловатных плит по последним нормам принимается равной 20 см, против 10 см старых норм. У нас толщина слоя этого утеплителя получилась 35 см, но и климат нашего Подмосковья (для него мы и считали) гораздо жестче. Значит, читатель может смело воспользоваться нашим теплорасчетом.

Если теплая мансарда не имеет вертикальных стен, то весь расчет ведут по этой схеме. Расчет вертикальных стенок и стен фронтонов ведут аналогично, но расчетное теплосопротивление вычисляют с коэффициентом 2, а не 3.

Расчет утепления перекрытия между домом и холодным чердаком делают аналогично приведенному выше.

Вентиляция

Вентиляция неутепленных чердаков осуществляется через слуховые окна и специально подготовленные продухи, расположенные на противоположных скатах кровли (рис. 16).

Рис. 16. Вентиляция холодных чердаков

Площадь сечения слуховых окон и продухов должна быть не менее 1/300-1/500 площади чердака. Вентиляция помогает поддерживать утеплитель в сухом состоянии.

Выполнить вентиляцию в утепленной мансарде гораздо сложнее. Вентиляцию разделяют на два вида: естественную и принудительную. Естественная вентиляция представляет собой канал, у которого нижний конец введен в помещение и призван засасывать воздух, верхний — выведен на крышу здания (рис. 7) и выпускает воздух в атмосферу. Такая вентиляция работает благодаря разности давлений теплого внутреннего воздуха и холодного наружного. Выполнять вентиляционный канал нужно во внутренней, то есть теплой, стене. При неимении в доме внутренних стен допускается выполнять канал во внешней стене, но он должен быть обязательно утеплен. Желательно в верхней его части разместить электролампочку мощностью 15 Вт, либо какой-нибудь другой нагревательный элемент. Лампочка будет подогревать воздух вокруг себя, он естественно будет подниматься вверх, подсасывая нижний воздух. Такая вентиляция будет работать даже в холодной стене. Вентиляционный канал обычно выполняют сечением 12х12 см. Естественная вентиляция проще в изготовлении и эксплуатации, чем принудительная. Но она очень неэкономична по отношению к тепловому режиму здания. Чем больше разность наружных и внутренних температур воздуха, тем эффективнее работает вентиляция. А именно в этот период важно сохранить тепло в здании. Для предотвращения излишней потери тепла на воздухоприемнике вытяжки устанавливают регулируемую заслонку. Регулирование отсоса воздуха осуществляют вручную.

Другой способ предотвращения потерь тепла называется регенерацией воздуха (рис. 17).

Рис. 17. Регенератор воздуха

Воздух разутепляется в регенераторе и перемешивается со свежей партией воздуха. А так как при охлаждении он тяжелеет, то поступает обратно в комнату. Часть тепла возвращается обратно и происходит постоянный воздухообмен. Водяные пары и другие примеси конденсируются на стенках генератора и скатываются на его дно. Эта система придумана в Скандинавии и с успехом там используется на протяжении многих лет. Сейчас ее снабдили электроникой и вентиляторами, отчего эффективность ее заметно усилилась. По сути она уже стала называться принудительной вентиляцией и представляет собой простейший кондиционер.

Поражение огнем, грибковыми заболеваниями, насекомыми

Конструкции крыш в малоэтажном индивидуальном строительстве в основном выполняют из деревянных элементов. А значит, они имеют все недостатки, присущие древесине. Деревянные конструкции могут быть повреждены или полностью уничтожены огнем, гниением или жуками-древоточцами. Для защиты от этих поражений деревянные элемента покрывают различными составами. Антисептиками называют химические органические и неорганические составы, защищающие древесину от гниения. Антисептики могут быть в виде паст, водяных или органических растворов, маслянистых растворов. Антисептическими пастами защищают элемента древесины, увлажнение которых возможно в период эксплуатации здания. В крышах и чердачных перекрытиях это все деревянные элементы, заделываемые в стеньг пробки, концы балок, кобылки, возможно, мауэрлат, лежни и др. Пасты наносят кистью, при температуре окружающего воздуха ниже нуля их подогревают до 30–40 градусов. Водные растворы наносят краскопультом. Маслянистые антисептики — это креозотовое или антраценовое масло, либо древесный деготь. Их подогревают до 80–85 градусов и наносят кистью.

От древоточцев древесину защищают инсектицидами, которые являются ядами для насекомых. Наиболее эффективны соединения мышьяка, фтора, бария (например, арсенат кальция, фторид натрия), а также пиретрум, гексахлоран, мыло (хозяйственное и жидкое зеленое) и другие. Инсектициды наносят краскопультом или кистью в зависимости от густоты раствора.

Защитные химические растворы, выполненные на основе жидкого стекла, буры, диаммонийфосфата и защищающие древесину от возгорания, называются — антипиренами. Обработку поверхностей конструкций выполняют при температуре не ниже +10 градусов и относительной влажности воздуха не более 70 %. В жаркое время такая обработка разрешается только при условии защиты от прямых солнечных лучей. Антипирены наносят кистью или краскопультами в зависимости от объема работ и густоты состава.

Обработки деревянных элементов проводят после всех процессов заготовки — распиловки, острожки, устройства врубок, долбления гнезд и т. п. В тех случаях, когда после защитных мер выполняются какие-либо дополнительные операции по обработке древесины, надо вновь обработать защитными составами затронутые поверхности. Для контроля за качеством выполненных работ в растворы химикатов Добавляют красители.

В этом разделе не даем химические составляющие растворов и способы их приготовления, так как они продаются в готовом виде.

Силовые воздействия, образующиеся от веса снега, кровли, утеплителя и ветрового напора, принимает на себя обрешетка и передает их на стропильную систему.

Обрешетка — это уложенные на стропила доски или бруски, необходимые для настила кровли. В зависимости от вида применяемых кровельных материалов обрешетку выполняют разреженной, сплошной одинарной или сплошной двойной.

Разреженную обрешетку устраивают из деревянных брусков хвойных пород дерева. Сечение брусков составляет 50х50 мм или 60х60 мм. Такую обрешетку чаще всего выполняют под кровли из штучных элементов: асбестоцементные волнистые листы усиленного и обычного профиля, цементную и керамическую черепицу. Значительно реже ее делают под кровли из оцинкованного и черного железа. Шаг обрешетки под кровлю из штучных элементов делают таким, чтобы асбестоцементные волнистые листы ложились на три бруска обрешетки, черепица — на два бруска обрешетки. Конкретный размер шага определяется размером штучного элемента кровли. Шаг обрешетки под кровлю из оцинкованного кровельного железа должен быть не более 270 мм, под кровлю из черной кровельной стали — не более 200 мм.

Сплошную одинарную обрешетку устраивают из окромленного теса с зазором между досками не более 1 см. На практике сплошную обрешетку чаще всего выполняют из окоренного неокромленного теса, поочередно направляя комлевую часть досок в противоположные стороны. Такую обрешетку устраивают под кровли из асбестоцементных волнистых листов, кровельной стали, металлочерепицы. При набивании сверху дополнительных брусков ее можно использовать под черепичную кровлю. При устройстве теплой кровли на сплошную обрешетку можно уложить слой дополнительной гидроизоляции из толя или рубероида.

Сплошную двойную обрешетку выполняют под кровли из мягких материалов: толь, рубероид, мягкий плоский шифер, мягкие битумные плитки. При желании на такой обрешетке можно выполнить любую кровлю, но крыши из жестких штучных элементов будут очень тяжелыми и под них придется ставить мощную стропильную систему. Второй слой обрешетки называется контробрешеткой и его настилают на первый слой под углом в 45 градусов.

Вывод: под кровли из жестких материалов, способных самостоятельно выдерживать тяжесть снега, ставят разреженную обрешетку, под кровли, прогибающиеся под тяжестью снега, — сплошные одинарные или двойные. Обрешетка передает силовую нагрузку на систему стропил. В малоэтажном строительстве используются два основных вида стропильных систем — наслонные и висячие стропила (рис. 18).

Рис. 18. Схемы стропильных систем крыш:

_{а — висячие стропила; б — висячие стропила с подкосами; в — наслонные стропила; г — наслонные стропила с подкосами; д — стропильная ферма; 1 — стропильная нога; 2 — затяжка (растяжка); 3 — подвеска (бабка); 4 — подкос; 5 — стойка; 6 — мауэрлат; 7 — лежень; 8 — прогон; 9 — узел фермы}

Висячие стропила не имеют промежуточной опоры и опираются только на две точки, поэтому их основная расчетная и конструктивная схема треугольник. Рассмотрим работу такой схемы. Снег и вес кровли давят на стропила сверху, пытаясь раздавить треугольник. Нижние концы стропильных ног стремятся разъехаться в стороны. Наличие в схеме растяжки мешает этому процессу. При увеличении нагрузки или увеличении перегреваемого пролета возникает опасность прогиба и перелома самих стропильных ног. Значит, их нужно подпереть. Для этого служат подкосы, но нижний конец подкоса тоже нужно подпереть. Упирать его в растяжку нежелательно, она и так достаточно нагружена, дополнительная нагрузка ее сломает. Поэтому к верхней части треугольника прикрепляют подвеску (по-плотницкому — бабку) и упирают в нее подкос.

Бабка не доходит своим нижним концом до растяжки, их крепление между собой носит чисто конструктивный характер и не должно передавать нагрузку. Самые опасные узлы этой конструкции — крепление нижнего конца стропильной ноги и растяжки и крепление подкоса и бабки. Эти узлы надо выполнять с особой тщательностью, так как здесь возможен скол древесины.

Расчетная и конструктивная схема наслонных стропил проще висячих и получила большее распространение. Здесь присутствуют уже несколько точек опоры, растяжка становится ненужной. Все горизонтальные напряжения, возникающие от «разъезжания» стропил, принимают на себя стены. Как правило, наслонные стропила устанавливают на массивных стенах. Но нужно заметить, что горизонтальные напряжения в этой схеме гораздо меньше, чем в схеме висячих стропил. Большую часть сил, направленных на «разъезжание», берет на себя стойка, выполненная в центре. При увеличении пролета и возникновении опасности перелома стропильных ног устанавливают подкосы, упирающиеся нижним концом в лежни. Нижние концы стропильных ног упирают в мауэрлаты. В этой конструкции практически нет опасных узлов, потому что все элементы работают на сжатие, за исключением стропил, которые в обоих случаях держат изгиб.

Для того чтобы стропила не прогибались и держали вес снега и кровли, нужно правильно выбрать площадь их поперечного сечения по табл. 2. Пользуясь таблицей, нужно помнить, что оптимальная толщина стропильных ног составляет 50 мм.

Пользоваться таблицей можно так. На основании имеющихся в наличии пиломатериалов определяют размеры сечения стропил (высоту и толщину). Затем, следуя по строке с найденным сечением стропил, во второй части таблицы находят максимально возможную длину их в соответствии с распределенной нагрузкой на одну стропильную ногу. Под длиной стропил понимается свободная длина стропильных ног. В случае если под стропилами имеются подкосы, за длину принимается расстояние между любыми двумя опорами.

Можно воспользоваться таблицей по-другому: зная распределенную нагрузку и схему стропильной системы (то есть горизонтальные длины стропил), а также приняв толщину стропил в 5 см, найти требуемую высоту стропил.

Распределенную нагрузку на один погонный метр стропил находят следующим образом. Суммируют вес одного м² снеговой нагрузки и вес одного м² веса кровли. Все эти величины вам известны. Затем выбирают шаг установки стропил. При шаге в 1 м полученную сумму надо умножить на единицу, при шаге 1,2 м — на 1,2 м, при шаге 0,8 м — на 0,8 м и т. д. При большей нагрузке и при невозможности уменьшить шаг стропил допускается устанавливать спаренные стропила.

В здания с большими пролетами и не имеющими промежуточных опор устанавливают стропильные фермы. Внешне они напоминают стропильную систему с висячими стропилами. Отличие заключается в том, что в фермах подкосы упираются в затяжку. Стропильные фермы позволяют перекрывать большие пролеты, чем системы висячих стропил, но узлы ферм нужно просчитывать. Если у читателя нет возможности просчитать фермы, то от этой конструкции лучше отказаться. Фермы собирают на земле из мелкоразмерных деталей и монтируют при помощи подъемного крана.

В последние годы большое распространение получили мансардные крыши. Мансарды зданий выполняют как в традиционных двухскатных, так и в ломаных крышах (рис. 19).

Рис. 19. Схемы стропильных систем жилых мансард:

_{а, в — висячие стропила; б, г — наслонные стропила; 1 — стропильная нога; 2 — стойка; 3 — подкос; 4 — затяжка (устанавливают конструктивно или при Lх6 м); 5 — затяжка; 6 — жесткое перекрытие; 7 — дополнительная опора; 8 — затяжка}

Систему стропил в крышах с ломаными скатами в зданиях, не имеющих внутренних несущих стен, выполняют с двумя затяжками. Нижнюю затяжку в этом случае объединяют с балками перекрытия чердака. Поэтому она должна быть выполнена из бруса, способного выдержать не только ту часть на грузки, которую передают на нее стойки крыши, но и бытовую нагрузку, возникающую в мансарде, а также нагрузку от собственного веса.

Подобрать размеры сечений затяжек можно по табл. 3, аналогично приведенной выше, где подбирали размеры сечений стропил.

Нагрузку на один погонный метр длины балки находят, суммировав половину веса одного квадратного метра кровли вместе со снегом и бытовой нагрузки. Половину веса кровли берут потому, что другую половину воспримут на себя стены. Бытовую нагрузку принимают равной 200 кг/м². Двести килограммов на одном метре можно сравнить с тем, как будто комната полностью заполнена людьми. Перекрытие должно их выдержать. Эта величина постоянная и регламентирована СНиПом.

После подсчета веса 1 м² нужно умножить полученную величину на шаг установки затяжек и выбрать подходящее сечение затяжек.

Можно рассчитать затяжки только на половину веса кровли и снега, без учета бытовой нагрузки. А ее раскинуть на отдельные балки, которые будут стоять между стропильными системами, такая конструкция позволит не усложнять (утяжелять) стропильную систему.

Поперечную устойчивость стропильных систем от ветровых нагрузок обеспечивают обрешетка, ветровые подкосы и ветровые связи. Ветровые подкосы отличаются от ветровых связей тем, что имеют опоры, связи ни во что не упираются (рис. 20).

Рис. 20. Поперечная устойчивость стропильных систем:

_{а — наслонные стропила; б — висячие стропила; 1 — прогон; 2 — лежень; 3 — стойка; 4 — ветровой подкос; 5 — кирпичный щипец (фронтон); 6 — внутренняя капитальная стена; 7 — стропило; 8 — ветровая связь; 9 наружная капитальная стена}

Конструкции стропильных систем выбирают в зависимости от объемно планировочного решения и величины перекрываемого пролета. Готовые варианты чердачных и мансардных стропильных систем, а также их узлы представлены на рис. 19–30. Читателю нужно выбрать подходящий вариант, подобрать сечение основных несущих элементов и выполнить силовую конструкцию крыши.

Рис. 21(1). Стропильные системы:

_{А — наслонные стропила односкатных крыш; 1 — мауэрлат; 2 — лежень; 3 — внутренняя пилястра или фахверк; 4 — подкос; 5 — горизонтальная связь; 6 — прогон; 7 — стойка}

Рис. 21(2). Стропильное системы:

_{Б — наслонные стропила двухскатных крыш; 1 — стропило; 2 — подкос; 3 — стойка; 4 — мауэрлат; 5 — ригвль; 6 — лежень (или подкладка); 7 — горизонтальная связь; 8 — прогон}

Рис. 21(3). Стропильные системы:

_{В — висячие стропила двухскатных крыш; 1 — затяжка; 2 — деревянная подкладка; 3 — подвеска; 4 — балка подвесного чердачного перекрытия}

Рис. 21(4). Стропильные системы:

_{Г — комбинированные стропила двухскатных крыш}

Некоторые узлы стропильных систем нужно выполнять с запилом деталей. Читатель должен помнить, что любой запил уменьшает сечение детали, то есть ослабляет ее. В качественно выполненном узле в местах запилов происходит плотное сопряжение деталей, и узел от этого только выигрывает, получая дополнительную жесткость. Некачественно выполненный узел, наоборот, расслабляет конструкцию и грозит ей разрушением. Поэтому для устройства крыш необходимо использовать только просушенный материал. Узлы, выполненные из сырого дерева, как бы плотно они ни были подогнаны, со временем высохнут, и в них появятся зазоры, которые ослабят конструкцию. Как отличить просушенный материал от сырого? Обычно в книгах дают процент влажности просушенной древесины, подразумевая наличие у застройщика маленькой лаборатории. Мы поступим проще: древесина, высушенная в тени или автоклавах, имеет более темный цвет и в два раза легче по весу, чем сырая древесина. Читатель, не имеющий навыков плотницких работ, должен стремиться избегать выполнения запилов, используя для устройства узлов деревянные бобышки и накладки, а еще лучше металлические детали (уголки и полоски).

Конструкции стропильных систем и детали узлов, выполненные на рис. 19–30, показывают принципиальную схему соединений и могут быть несколько видоизменены в зависимости от размеров сечений сопрягаемых элементов. Но в целом узлы начерчены достаточно четко и в дополнительных пояснениях не нуждаются.

Рис. 22. Узлы 2, 3, 4 на гвоздевых соединениях:

_{1 — накладки; 2 — гидроизоляция; 3 — подкладка}

Рис. 23. Узлы 2, 3, 4 с соединением деталей на скобах

Рис. 24. Узел 5. Крепление ригеля

Рис. 25. Узел 6. Крепление горизонтальной связи

Рис. 26. Узлы 7, 8, 9. Болтовое соединение элементов висячих стропил:

_{1 — металлическая полоса; 2 — металлическая скоба; 3 — деревянная подкладка; 4 — болт}

Рис. 27. Узлы 10, 11. Стыкование затяжек

Рис. 28. Узлы 12, 13. Гвоздевое соединение элементов висячих стропил

Рис. 29. Узлы 14, 15 (1 — подкос, работающий на сжатие и растяжение)

Рис. 30. Узлы 16, 17 (1 — гидроизоляция из одного слоя рубероида)

_{Примечания:}

_{1. Расчетные значения коэффициента теплоусвоения (при периоде 24 ч) материала в конструкции вычислены по формуле: s = 0,27∙√(λо∙γо(—о +0,0419∙ω),}

_{где λо, γо, со, ω) принимают по соответствующим графам настоящего приложения.}

_{2. Характеристики материалов в сухом состоянии приведены при массовом отношении влаги в материале, ω, %, равном нулю.}

(Продолжение следует.)