В. М. Жабцев
Крыши и кровли
Введение
Вопросы качественного изготовления крыш интересовали человечество с глубокой древности. Наши предки к важным эксплуатационным параметрам крыши, кровли, крова добавляли еще одно: кров укрывает в том числе и от злых сил. Иными словами, разные цивилизации, разные народы в разное время крыше придавали мистическое значение и некий сакральный смысл. Такой взгляд сформировал в разных культурах устойчивые традиции, связанные с методикой возведения крыш и их конструкцией.
Крыша – это завершающая часть дома, которая служит для защиты от атмосферных осадков и состоит из несущей части и кровли. Она придает дому индивидуальный облик, поэтому должна иметь законченный вид и гармонично вписываться в общий архитектурный ансамбль дома. Кроме того, правильно выбранная конструкция крыши позволяет значительно расширить полезную площадь дома и оборудовать под ней дополнительные жилые помещения.
В этом случае к крыше предъявляются дополнительные требования по теплоизоляции, пароизоляции и вентиляции ее элементов. Нельзя забывать и о надежности несущих конструкций (стропильной системы и обрешетки), так как от этого зависит не только комфорт, но и безопасность будущих жителей. По конфигурации крыши могут быть двухскатными, вальмовыми, полувальмовыми (если вальма не доходит до карниза), четырехскатными или вообще плоскими. Дома в зависимости от архитектурного решения могут иметь два, три, а иногда и четыре фронтона, тогда крыша приобретает еще более сложную форму с множеством взаимно пересекающихся поверхностей.
Современные крыши – это, прежде всего, новые материалы и технические решения, улучшающие такие показатели, как надежность, долговечность и эстетический вид дома.
Выбор материалов кровельной системы должен быть основан на принципе согласования сроков службы всех составляющих. Главным экономическим показателем при выборе кровельного материала является не стоимость за единицу площади конкретного кровельного покрытия, а стоимость всей кровельной системы при заданных сроке службы и эксплуатационных характеристиках. Надежность и долговечность крыши обеспечивается также правильным выполнением работ по монтажу (обустройству) всей кровельной системы. Ветровые нагрузки, скопления снега и льда на крышах в зимний период, некорректно рассчитанные силовые элементы крыши – все это может привести к обрушению кровли. Необходимо учитывать и отрывающую силу ветра, который может разрушить кровельное покрытие. Немаловажным фактором является и пожаробезопасность крыши.
Крыша и ее элементы
Крыша современного дома может иметь самую причудливую архитектуру, но при этом любая крыша включает общие элементы, каждый из которых требует тщательного исполнения.
При двухскатной крыше верхняя остроугольная часть торцевой стены дома, ограниченная обоими скатами и не отделенная карнизом, называется щипцом. Фронтон образуется в том случае, если фасадная стена также завершается треугольной частью, ограниченной сверху двумя скатами и карнизом у основания.
Конструкция крыши для квадратного в плане здания, решенная на четыре ската, называется шатровой, а ее треугольный торцевой скат – вальмой.
Выбирая конструкцию крыши, особое внимание необходимо обратить на карнизы, которые образуются выступающими за плоскость стен стропилами. С одной стороны, их размер должен быть достаточным для того, чтобы препятствовать попаданию стекающей воды на стены, с другой – он не должен слишком нависать над окнами, визуально принижая само здание. Кроме того, чем сложнее форма крыши, тем больше она имеет ендов, ребер, примыканий к стенам и т. д., которые значительно усложняют работы и ограничивают применение некоторых кровельных материалов.
1 – конек; 2 – карниз; 3 – фронтон; 4 – прогоны, выступающие за плоскость фронтона; 5 – скат; 6 – двухскатный козырек, опирающийся на прогоны.
Двухскатная крыша позволяет оборудовать под ней полноценные жилые помещения с естественным дневным освещением. Это дает возможность увеличить общую площадь дома на 50–70 %. Форма крыши здесь создается простой стропильной системой. Она требует минимального количества фасонных изделий, что значительно снижает затраты при строительстве.
Уклон скатов крыши принимают, как правило, больше 40–45°, при железных кровлях – 16–22°. В зависимости от типа кровли крыша может иметь некоторые конструктивные особенности, о которых мы поговорим ниже.
1 – конек; 2 – прогоны; 3 – открытые внешние стропила;
4 – скат; 5 – двухскатный козырек, образованный внешними стропилами и опирающийся на прогоны; 6 – карниз.
Строгость и простота двухскатной крыши в этом доме компенсируется дополнительными архитектурными деталями. Такая крыша имеет минимальное количество сопряжений и изгибов, что позволяет использовать любые кровельные материалы, значительно снижает трудозатраты при изготовлении стропильной системы и монтаже кровли.
1 – конек; 2 – вальма; 3 – ребра; 4 – ендовы; 5 – скат.
Вальмовая крыша существенно ограничивает возможности использования расположенного под ней пространства. Устройство надстройки здесь, скорее всего, продиктовано необходимостью естественного освещения помещений второго этажа. Угловой излом еще более усложняет форму крыши. Достаточно сложная стропильная система, дополнительный расход кровельных материалов, связанный с косой резкой черепицы, большое количество ендов, ребер и примыканий, а также фасонных изделий значительно увеличивают стоимость кровли. Видимо, такое архитектурное решение дома продиктовано вкусами его хозяина.
1 – конек; 2 – полувальма; 3 – ребра; 4 – выступающие прогоны; 5 – скат.
Полувальмовая крыша прекрасно вмещает под собой дополнительные жилые помещения, которые составляют 70 % от площади первого этажа. Конечно, такая конструкция несколько тяжеловесна, но в сочетании с легким балконом, изящными оконными переплетами и другими деталями ее можно признать вполне удовлетворительной.
1 – конек; 2 – скат; 3 – ендова; 4 – прогоны; 5 – коньковый брус; 6 – двухскатный козырек; 7 – карниз.
Двухскатная крыша с третьим фронтоном позволяет оборудовать под крышей помещения любого назначения с прекрасным естественным освещением. Стены первого этажа здесь подняты примерно на 1 м выше перекрытия первого этажа, что позволило значительно расширить второй этаж и превратить его в полноценный жилой блок для второй семьи. При этом далеко выступающие карниз и двухскатный козырек не принижают здания и позволяют разместить под ними защищенные от дождя уютные уголки для отдыха. Здесь некоторое усложнение крыши с экономической точки зрения можно считать вполне обоснованным.
Крыши могут быть утепленными (в случае устройства мансарды) и холодными (с утеплением чердачного перекрытия). Утепленные крыши сложнее и значительно дороже, но это с лихвой окупается значительным увеличением полезной площади (иногда до 70 %). В холодных крышах кровельный материал укладывают на гидроизоляционный слой. В теплых крышах кроме гидроизоляции присутствуют теплоизолирующий слой и пароизоляция. Кроме того, теплые крыши требуют хорошо продуманной вентиляции.
Основная задача крыши заключается в защите дома от осадков (дождя, снега, росы). Гидроизоляция, которая укладывается под кровлю, является дополнительной средством такой защиты в случае ее повреждения. Кроме того, при монтаже некоторых штучных кровельных материалов возникают зазоры между элементами, в которые может проникать снег или дождевая вода (при сильных порывах ветра). Гидроизоляция также служит защитой от конденсата – влаги, которая содержится в теплом воздухе и выпадает в виде росы при соприкосновении с внутренней поверхностью холодной кровли. Эта влага, попадая на теплоизоляцию, значительно ухудшает ее свойства, а мокрые деревянные конструкции склонны к гниению. В качестве гидроизоляции используются рубероид или специальные пленки. Пленки условно можно разделить на «дышащие» и «недышащие». «Дышащие» пленки не пропускают наружную влагу, но позволяют пару свободно покидать утеплитель и в свою очередь могут быть диффузионными и супердиффузионными.
Диффузионные армированные пленки имеют мельчайшие дырочки, которые пропускают пар, но не пропускают влагу.
Такие пленки не рекомендуется укладывать непосредственно на утеплитель во избежание парникового эффекта. Они требуют двух вентиляционных контуров: между утеплителем и гидроизоляцией, а также между изоляцией и кровельным покрытием.
Супердиффузионные пленки – это нетканые волокнистые материалы, которые хорошо пропускают пар и могут укладываться непосредственно на утеплитель, являясь одновременно ветрозащитой и препятствуя выветриванию тепла.
«Недышащие» полиэтиленовые пленки не пропускают и влагу и пар и предполагают два контура вентиляции, что существенно увеличивает толщину кровли.
Любые гидроизоляционные пленки должны быть трудно сгораемыми, обладать соответствующей прочностью на разрыв и быть устойчивыми к перепадам температур. Гидроизоляция должна быть устроена под всем кровельным покрытием с плотным примыканием к стенам и трубам.
Для утепления крыши используются, как правило стекло- и минераловатные плиты и маты (особенно в крышах сложной конфигурации). Волоконная структура этих материалов позволяет им удерживать в себе неподвижный воздух и придает хорошие теплоизолирующие свойства.
Волокна стекловаты изготовлены из стекла, а минеральной ваты – из расплавленного камня базальтовых пород. С точки зрения эксплуатационных характеристик минеральная вата является более предпочтительной, так как она жестче и лучше держится в наклонном межстропильном пространстве, хорошо защищает несущую конструкцию от огня при температуре до 1000 °C, а при ее монтаже не требуются перчатки и респиратор. Существенным недостатком минеральной ваты является ее относительно высокая стоимость.
Толщина теплоизолирующего слоя должна быть не менее 100 мм и, в случае использования нескольких слоев утеплителя, каждый последующий слой должен перекрывать швы предыдущего. Укладывая утеплитель, необходимо обеспечить плотное его прилегание к мауэрлатам, стропилам и в зоне примыкания крыши к фронтонам, чтобы исключить возникновение «мостиков холода».
В каждом жилом доме в воздухе содержится водяной пар, который по законам конвекции поднимается из нижних помещений в верхние и, в конце концов, собирается под кровлей, где, соприкасаясь с холодными поверхностями, может конденсироваться и в виде влаги проникать в теплоизоляцию, значительно снижая ее теплоизоляционные свойства. Если стены и потолок мансарды отделаны материалом, не пропускающим пар, то этого может быть достаточно, чтобы исключить попадание влаги в утеплитель. Однако чаще для исключения этого крайне нежелательного эффекта теплоизоляцию изнутри защищают пароизоляцией – пленкой из полиэтилена или полипропилена. Иногда для создания защиты от пара используют картон высокой плотности с двухсторонним полимерным покрытием. Устанавливая пароизоляцию, необходимо помнить, что у пара высокая проникающая способность, и тщательно герметизировать швы и места примыкания к несущим конструкциям, а также дымовым трубам.
Правильно устроенная крыша должна проветриваться. Особенно это важно для утепленных крыш со сложной конфигурацией, где влага в виде пара может проникать в утеплитель, снижая его теплоизоляционные свойства. Кроме того, в местах примыкания утеплителя к деревянным конструкциям могут возникать зоны повышенной влажности и вызывать гнилостные процессы. Проветриваться должны пространство над гидроизоляцией и под гидроизоляцией в каждом стропильном пролете, а также «мини-чердак» – пространство над плоским утепленным перекрытием мансарды. При этом приток воздуха, как правило, осуществляется через зазор на свесе карниза, а вытяжка – через вентиляционный элемент на коньке или на скате. В простых двухскатных крышах такую двухконтурную вентиляцию устроить нетрудно. Гораздо сложнее обеспечить ее в «навороченных» крышах (особенно в нижнем контуре), в которых дымовые трубы, вентиляционные шахты и другие конструктивные элементы создают препятствия для притока и вытяжки воздуха.
КРЫША ДОЛЖНА ОБЛАДАТЬ СЛЕДУЮЩИМИ КАЧЕСТВАМИ:
❐ влагонепроницаемостью;
❐ усточивостью, как к вертикальной – снеговой, так и горизонтальной – ветровой (продольной и поперечной) нагрузкам;
❐ низкой теплопроводностью;
❐ хорошей вентилируемостью всех элементов;
❐ оригинальной формой, придающей дому идивидуальный облик и позволяющей максимально использовать подкрышное пространство;
❐ простотой в монтаже;
❐ надежным кровельным материалом, к которому в свою очередь предъявляются высокие требования по жесткости, прочности, звукопоглощению, долговечности, внешнему виду, сложности монтажа как самой кровли, так и отдельных конструктивных элементов (коньков, ендов, ребер, примыканий к трубам и стенам);
❐ доступной ценой.
Такое замкнутое пространство
может получиться, когда стропила внизу упираются в брус ендовы, а вверху – в хребет вальмовой крыши, поэтому в таком случае для гидроизоляции используют супердиффузионную пленку (она не требует внутреннего контура вентиляции). Конечно, в этом вопросе нет универсальных решений. Мы лишь подчеркиваем необходимость обеспечения вентиляции и тщательного подхода к этой проблеме еще на стадии проектирования.
Актуальной сегодня является и проблема экологической безопасности. Так, кислотные дожди, например, растворяют медные кровли, загрязняя при этом окружающую среду вредными соединениями меди. Повсеместно отказываются от применения и асбоцементных кровельных покрытий.
При устройстве крыши необходимо учитывать и защиту деревянных конструкций от воздействия различных грибков и плесени, которые не только разрушают элементы крыши, но и пагубно влияют на здоровье человека.
Стропильная система
Устойчивость и прочность крыши целиком зависит от ее несущей конструкции – стропильной системы. Чем мощнее и надежнее несущая конструкция крыши, тем большую нагрузку она может выдержать.
Для получения жесткого каркаса стропила скрепляют между собой, а чтобы крышу не сорвало ветром, каркас надежно связывают с коробкой дома. Чаще всего при строительстве загородных домов используют деревянные стропила. Они просты в изготовлении, легко устанавливаются, для их монтажа не нужен подъемный кран, который необходим для железобетонных стропил. К тому же деревянные стропила можно «подогнать» по месту – т. е. укоротить, подтесать, нарастить, что иногда приходится делать из-за ошибок при возведении стен. Проделать подобные действия с металлическими стропилами довольно трудно, а с железобетонными конструкциями и вовсе невозможно. Именно поэтому железобетон и металл – несмотря на то, что они долговечнее и крепче дерева – используются только при строительстве больших каменных, кирпичных или железобетонных домов с тяжелыми кровлями сложных конструкций. К тому же настелить кровлю на железобетон или металл сложнее, чем на дерево. И ведь было же время, когда во всех случаях жизни применяли только деревянные стропильные системы, поскольку других просто не было.
Искусство древних русских мастеров позволяло обходиться при соединении стропил без единого гвоздя. Дома и храмы, собранные по такой технологии, стоят на севере России по двести и более лет, выдерживая ураганные порывы ветра, сильные снегопады и проливные дожди. Однако сегодня для монтажа стропил строители предпочитают использовать дополнительные элементы – гвозди, болты, шурупы, скобы, хомуты. Они же используются и для укрепления несущей системы крыши. Самым слабым является, конечно, гвоздевое соединение стропил, поскольку по мере высыхания древесины оно теряет прочность и надежность (расшатывается). Соединения с помощью болтов более надежны. Правда, специалисты утверждают, что отверстия, которые сверлят для установки болтов, несколько ослабляют деревянные стропила. И поэтому предпочтение обычно отдают скобам и хомутам, но на практике часто используют комбинации различных соединений.
Однако существуют и более современные – промышленные методы производства деревянных стропильных систем, в том числе и для частных загородных домов. Их суть заключается в том, что весь процесс изготовления стропил проходит в заводских цехах – очень технологично и едва ли не с машиностроительной точностью. Здесь же стропила соединяются друг с другом в крупные конструктивные элементы – фермы, причем нетрадиционным способом, а с помощью стыковых планок (иначе их называют гвоздевыми пластинами). Эти планки вдавливают в стропила с помощью мощного пресса, чем и достигается особая прочность соединений. При этом структура дерева не повреждается, а только лишь уплотняется. К тому же стыковые планки практически исключают перемещения деревянных элементов стропильной системы в процессе их естественного усыхания.
Готовые фермы привозят на стройплощадку и собирают в единую стропильную систему как конструктор. Подобные технологии обеспечивают не только высокую точность соблюдения расчетных размеров и простоту монтажа, но и значительно снижают сроки монтажных работ. Компании, использующие готовые заводские стропила, утверждают, что они способны сократить расход материалов до 25 % по сравнению с традиционными методами.
Кроме того, противопожарную и антисептическую пропитку деревянные стропила тоже могут проходить в заводских условиях. Это дает максимальную глубину проникновения защитных составов в структуру дерева. Чем лучше и качественнее выполнены эти операции, тем дольше будет служить стропильная система вашего дома. Ее не будут есть жучки, и она не сгниет, покрывшись плесенью.
Несущая конструкция крыши состоит из стропил с затяжкой, подкосов, прогонов и обрешетки.
Дерево для такой конструкции является, безусловно, наиболее удобным и экономичным материалом – легким, прочным, легкообрабатываемым.
Древесину, предназначенную для изготовления элементов крыши, рекомендуется пропитывать антисептиками, но, как показывает практика, при хорошей вентиляции чердачного отделения деревянные конструкции гниению не подвергаются.
Несущая часть рассчитывается на ветровую и снеговую нагрузку. Чем выше дом и больше уклон крыши, тем больше ветровая нагрузка. Однако большой уклон крыши дает возможность под крышей устроить мансардный этаж и обеспечивает лучший сход снега.
Нагрузка на конструкции зависит от толщины снегового покрова и материала кровли. Так, для крыши с уклоном более 50° снеговая нагрузка не учитывается, а для других видов кровли и уклонов принимается в зависимости от района строительства. Для центральных районов Европы эта нагрузка принимается около 100 кг/м2. Нагрузка от самой кровли зависит от типа кровельного материала. Нагрузка от кровли из асбестоцементных л истов составляет приблизительно 15 кг/м2, а из пазовой обожженной черепицы – 45–50 кг/м2.
При индивидуальном способе строительства важно также, чтобы конфигурация крыши была простой, легкой в изготовлении и монтаже, поэтому в большинстве случаев применяется простейшая несущая конструкция. Наиболее универсальной и распространенной конструкцией являются стропила с затяжками. Она применяется при больших безопорных пролетах (5—12 м) и уклоне кровли от 25–67°. Рекомендуемый угол наклона крыши составляет 35–40°.
Конструкция крыши состоит из стропильных ног, соединяемых в коньке врубкой либо металлическими накладками. Стропила опираются на мауэрлат, расположенный на верхней кромке стены, который представляет собой брус, уложенный сверху по периметру наружной стены. Служит крайней нижней опорой для стропил. Как правило, мауэрлат изготавливается из дерева, однако при строительстве металлического кровельного каркаса для изготовления мауэрлата может применяться швеллер, двутавр и др.
Мауэрлат кладется с некоторым отступом от внешней кромки стены и крепится к ней. Снизу изолируется водонепроницаемым материалом (например, рубероидом), предотвращающим гниение древесины. Каждое звено мауэрлата связывается с двумя соседними, что вкупе с креплением к стропилам создает надежную, устойчивую конструкцию по всему периметру кровельной системы.
При балочном перекрытии возможна иная конструкция – с опорой стропильных ног на «кобылки» – короткие балки, лежащие на балках перекрытия и являющиеся как бы продолжением стропильных ног. Стропильные ноги для увеличения жесткости конструкции соединены горизонтальным элементом – затяжкой. Обычно затяжку располагают в середине стропильной ноги либо немного выше. При этом нижняя часть стропильной ноги (от мауэрлата или кобылки) до затяжки должна быть не длиннее 4,5 м, а от затяжки до конька – не более 2,7 м. Есть два основных типа конструкции крыши, применение которых зависит от величины пролета. Если длина затяжки не превышает 3,5 м, можно использовать классическую конструкцию с затяжками. Если предполагается жилой мансардный этаж, нижняя грань затяжки должна располагаться на высоте не менее 2 м над уровнем пола. Для обеспечения необходимой высоты мансарды при небольшом уклоне крыши понадобится возведение мансардной стены. В этом случае часть распорных нагрузок от кровли приходится на стену мансарды. Поэтому ее придется усилить железобетонным поясом и столбами.
При широкой крыше и, соответственно, слишком длинных затяжках применяют конструкцию с прогонами и затяжками. В данном случае затяжки подпираются стропильными балками. Эта конструкция требует установки дополнительных деревянных балок основания, на которые опираются столбы, передающие нагрузку от стропильных балок. При пролете крыши 7,5—10 м достаточно одной стропильной балки, если пролет 9—12 м, устанавливают две. Несущие столбы должны быть усилены подкосами, увеличивающими жесткость конструкции и подпирающими стропильную балку.
Какой бы конструкции ни была крыша, необходимо обеспечить ей достаточную продольную жесткость. Для предохранения стропильных конструкций от опрокидывания при монтаже, сразу после установки стропила со стороны чердачного пространства соединяют диагональными досками. Дополнительно усиливают жесткость конструкции коньковые прогоны. Если же диагональные (так называемые ветровые) доски врезаны в стропильные ноги либо чердачное помещение – нежилое, то их можно оставить и после окончания монтажа конструкции для дополнительного усиления.
