Строительство и эксплуатация зданий и сооружений

Стропильные конструкции  крыш, в свою очередь подразделились на крыши на висячих стропилах  и на крыши на наслонных стропилах. Отличие их состоит в том, что  наслонные стропила своим нижним концом упираются в стену здания через мауэрлат или другую деталь. Нижняя часть стропильной ноги передает распор, возникающий от веса снега  и кровли, на стену здания. Наслонные  стропила пытаются раздвинуть стены. Висячая  стропильная система представляет собой законченный треугольник, где нижний пояс треугольника принимает  распор от веса крыши на себя. Висячие  стропила не раздвигают стен. В процессе эволюции обе схемы стропильных  систем получили развитие и переплелись  между собой. В настоящее время  имеется не менее десятка конструктивных схем, где нельзя с уверенностью сказать, что применена та или  иная конструкция в чистом виде. Это же касается и самцовых крыш.

Крыша на самцах

В деревянном строительстве  из рубленого материала любую  из крыш можно делать на высоте, т.е. непосредственно на стенах сруба, и  на земле, используя неоценимое качество сруба — его способность к  неоднократной сборке и разборке. При строительстве крыши на земле венец, с которого будет начинаться крыша, снимается со стен и укладывается на осиновые подкладки (рис. 60). Выше уже говорилось о том, что для облегчения сруб рубят не на всю высоту, а частями, используя перекладку венцов. Так же поступают и с крышей, это будет третья перекладка сруба. Первые две перекладки будут включать в себя стены сруба, разделенные примерно пополам по высоте, третья перекладка начнется с венца, в который будут врубаться элементы крыши. Такая технология рубки позволяет сработать крышу без применения лесов и подмостей, а также значительно упрощает подгонку конструкций крыши. Бревна не нужно поднимать на большую высоту, размечать их там, опускать, обрабатывать, опять поднимать и примерять и опять опускать. Хотя все эти технологические операции и остаются, но под ногами у плотника все, же твердая земля, а не зыбкий и узкий настил лесов. 

Слеги соединяются с бревнами самцов врубками, ограничивающими степень  свободы торцевых стен. Бревна самцов, образуя фронтоны, крепятся только сами к себе при помощи шкантов или нагелей. Они поэтому так и называются "самцы", т.е. "сами по себе". Такой фронтон ненадежен, т.к. имеет две степени свободы, достаточно отступить от вертикали при рубке стены и фронтон завалится внутрь или наружу. Поэтому нужно лишить его этой свободы передвижения. Слеги в самцы врубаются таким образом, чтобы они работали как растяжка при заваливании фронтов наружу или как распор при заваливании фронтов внутрь. Выполнению таких требований к узлу удовлетворяют врубки: "в лапу", "в лапу с присыком", "в коренной шип" и некоторые другие. Врубка "в сковородень" или "полусковородень" тоже могли бы подойти, но есть одно ограничение. После врубки слег самцам нужно будет придать форму треугольника, т.е. отпилить концы бревен. У врубок "в сковородень" основная рабочая часть узла расположена параллельно бревнам самцов и вполне вероятно попадет под полотно пилы и будет отрезана. Поэтому при выборе узла врубки нужно внимательно смотреть, как будет изуродован узел соединения самцов и слег после отпиливания концов бревен фронтона. Более всего подходят угловые врубки, в которых основная рабочая часть узла находится в вертикальной плоскости. Например, при врубке "в лапу", "в лапу с присыком" или " коренной шип" (шип расположен сверху самца, паз внизу слеги) можно будет пилить прямо по узлу, не причинив большого вреда конструкции.

Древние строители особо  не задумывались над тем, какой уклон  придать скатам кровли. Они выбирали достаточно длинную рогатку, привязывали  к ней шнур и отвес. Поднимали  рогатку таким образом, чтобы  отвес указывал на середину торцевой стены сруба. Растягивали концы  шнура к углам сруба. Отходили на приличное расстояние и смотрели, красиво ли будет смотреться крыша  с такими уклонами. При необходимости  рогатку приподнимали повыше или  опускали пониже. Мы поступим примерно так же, только вместо рогатки приспособим  доску с забитым вверху гвоздем  для крепления середины шнура. После  выбора уклонов скатов крыши гвоздями приколотим доску к стене сруба  и гвоздями же закрепим концы шнура  к углам сруба. Таким образом, получим визуальную границу скатов будущей крыши. Аналогично поступим и со вторым торцом. При разбивке второго торца сруба нужно  изготовить другую доску и ее верх установить в горизонт с первой. Здесь проявится небольшое затруднение. Как  разместить вторую доску на одной высоте с первой, если стены сруба сработаны из круглого леса, а значит лежат не в одной плоскости к горизонту? Простое измерение первой доски и перенос размера на вторую ничего не даст. Потребуется водяной уровень. На обеих досках отбивается горизонт (в любом месте доски — где удобнее) и размеры отмеряются уже от горизонта. Если сделать именно так, то конек крыши получится ровным. В противном случае будет трудно подгонять кровельный материал, прирезая его к коньку. С помощью доски и шнура можно делать не только крыши с равными скатами, размещая доску ровно по центру стен, но и делать крыши с разными уклонами скатов, сдвигая доски к углам сруба. После того, как будут натянуты оба шнура, обозначающие границы скатов крыши, можно будет набирать бревна самцов. Шнур, конечно же, будет мешать при рубке фронтонов сруба, но при его наличии вы вряд ли ошибетесь в выборе длины бревен самцов. Их длина будет такой, что в них спокойно будут врублены слеги, а потом их концы будут отпилены на угол и узлы врубок слег останутся нетронутыми.

Коньковая слега может быть врублена двумя способами. При первом способе слега завершает фронтон сруба, для правильного устройства скатов, возможно, ее придется подтесать на два канта. В вершине фронтонов остаются незакрытые участки - дыры, которые нужно будет закрыть коротышами бревен-самцов. При втором способе коньковая слега накрывается самцом, в этом случае слеги кровли становятся ниже границы скатов фронтов, для выравнивания крыши придется использовать довольно толстые бревна обрешетки или настилать дополнительные стропила. Толстые доски обрешетки чаще всего укладываются для устройства тесовых кровель, где они выступают в качестве конструктивного элемента такого вида кровли.Длина слег должна обеспечить вынос крыши за торцевые стены, какой вы считаете нужным. Обычный вынос кровли составляет 50 см. Если нужен более длинный вынос, то вместо одной врубаются две или три слеги, одна над другой и формируется ступенчатая консоль. При формировании консоли, совсем не обязательно делать нижние бревна консоли на всю длину крыши, консоль можно делать из коротышей. Главное в этом узле - увеличить сечение составной балки консоли, чтобы она смогла держать удлиненный свес кровли. 
На слеги нужно выбирать самые ровные бревна. При врубке слег в самцы нужно проверять их концы водяным уровнем и врубить их наиболее точно по отношению к горизонту. Не самая приятная работа выравнивать каждое бревнышко в горизонт, но необходимая. В противном случае слеги придется много подтесывать, чтобы будущая обрешетка легла ровно без "завалов" и "горбов". Подтесывать врубленные слеги не всегда удобно.

Проверяют "горбатость" укладки слег визуально с помощью  ровной доски. Доску укладывают на слеги и двигают ее по крыше - горбы стесывают. На большие провалы нашивают дополнительные деревянные коротыши. Однако, применение коротышей нежелательно, лучше сравнять горбы с впадинами отеской слег. При большом отесе слег, как следствие, последует отес самцов. Поэтому повторяюсь, лучше подобрать ровные бревнышки для слег и аккуратненько их врубить по горизонту. 
Диаметр слег нужно выбрать таким же, как и верхние бревна сруба, обычно это не менее 18-20 см. Для небольшой бани такого диаметра вполне хватит, чтобы держать вес кровли и снега без каких-либо дополнительных конструкций. Например, многие знают, а другие видели, как перекрывают обычные гаражи. Там применяют 3 - 4 бревна диаметром от 18 см. Длина гаража 6 м, а крыша практически плоская, т.е. сколько снега на земле, столько и на крыше и он никуда не скатывается. Тем не менее, такие крыши служат десятилетиями и не думают проваливаться. На бане у тех же балок условия легче, снег частично сползает с крыш, имеющих уклон. Крыша на самцах с наслонными стропилами. 
         При невозможности, в силу разных причин, сделать классическую самцовую крышу, делается крыша с дополнительными наслонными стропилами. Слеги не подтесывают и особо не выравнивают. Вместо этого, крыша комплектуется наслонными стропилами, которые врубают поверх слег (рис. 61). Наслонными стропилами можно накрыть не только слеги, но и скаты самцов, т.е. можно укрепить узлы врубок слег к самцам.

Стропила одинаковой длины  готовятся на земле, путем отесывания на три канта (можно на один). Затем их переносят на крышу и врубают в слеги, проверяя ровной доской. В стропилине вырубают простые чаши, примеряют ее, если нужно подрубают чаши еще раз, и опять примеряют. Размер чаш делается чуть больше, чем необходимо для слеги, т.е. стропило должно свободно передвигаться по слеге "вверх - вниз" примерно по 3 - 5 см. Верх стропильных ног ни в коем случае нельзя крепить между собой, фронтон будет садиться, потянет за собой слеги и наложенные на них стропила. Угол "стропило - конек - стропило" будет расширяться, а угол "горизонт - стропило" будет сужаться. Так как низ стропильных ног уперт в стены, а стены защищены от распора матицей, будет происходить сближение верха стропильных ног. Оставляемый зазор должен рассчитываться по формуле, приведенной ниже. Через полгода или после полной усадки сруба верх стропильных ног соединяется затяжкой. Если крыша будет рубиться после усадки сруба, то верх стропильных ног можно соединить сразу. Низ стропильных ног врубается в верхнее бревно сруба - мауэрлат, или в балки перекрытия. Для частичного компенсирования вертикальных деформаций сруба в процессе усушки, низ стропильной ноги подрубают с небольшим углом к горизонту. Угол можно рассчитать, зная величину усадки фронтона, воспользовавшись школьной тригонометрией. А можно и не рассчитывать, сделать скос низа стропильной ноги равным 1,5-3 см, а остальную деформацию поглотят чаши врубок в слеги, — не зря же мы оставляли там зазоры. Зазор в чашах можно сделать и по больше, стропилам со слег не слететь, тем более что мы их привяжем по низу ветровыми скрутками. Кстати, скрутки после осадки сруба ослабнут, их нужно будет натянуть вновь. Для устройства свеса кровли к стропильным ногам пришивается кобылка. Кобылкой называют тонкую доску, как бы удлиняющую стропила. Обрешетка в отличие от классической самцовой крыши настилается не перпендикулярно, а параллельно слегам. 
Для того, чтобы не усложнять рисунки крыш деталями узлов врубок, варианты соединений деревянных элементов вынесены на рисунок 62. В зависимости от конкретных обстоятельств строительства применяется тот или иной вид соединения. Соединения сплачивания и наращивания производятся на деревянных и стальных (гвоздях, болтах) нагелях, и на клею. Прочность узлов напрямую зависит от площади соприкасаемых поверхностей элементов узла. То есть, чем сложнее узел в изготовлении, тем больше в нем площадь соприкосновений, следовательно, больше задействовано сил трения. Значит, узел прочнее. Практически любой из узлов сращивания и сплачивания можно еще более усложнить, если в нем плоскости соприкосновения повернуть относительно плоскостей сращиваемых элементов. Другими словами, вместо прямых запилов узла будут использованы запилы, обеспечивающие замки типа "ласточкин хвост" или "лапа". В таких узлах появятся замки, использующие, кроме сил трения, силы, противостоящие смятию и разрыву древесины. Однако, для строительства крупных узлов, как правило, применяются самые простые соединения, которые можно сделать топором и пилой. Более сложные узлы, это прерогатива столяров, их используют для соединений мелких деталей. На рисунке изображены соединения брусков и брусьев. При сопряжении бруса и бревна на бревне сначала вытесывается "лыска" или "болван" и уже потом вырезается профиль соединения. "Лыской" называют отес бревна на один кант, только не по всей поверхности, а в какой-то его части. В общем, "лыска" это незаконченный "болван", сделанный с одной стороны бревна. 
На рисунках в качестве элементов крыш изображены в основном брусья и доски, но это не значит, что крыши можно делать только из них. Элементы крыш можно делать из круглого леса, бревен отесанных на один и три канта.

Крыша с наслонными стропилами

Как уже неоднократно указывалось, наслонные стропила передают на стены  распор от веса крыши и снега. Сруб в результате этих внешних воздействий  может претерпевать деформации, испытывая  вертикальные и горизонтальные смещения. Горизонтальное смещение можно рассчитать по формуле U = v- tg a,где v будет осадка фронтона, а наклон кровли. Осадка фронтона принимается от 10 до 20% толщины каждого бревна. Чем выше расположено бревно в срубе, тем большую суммарную осадку оно претерпевает. Самая большая осадка будет на вершине сруба, т.е. на коньке. 
          Для предотвращения горизонтальных деформаций смещения стен и крыши сооружения применяют ряд мер. Либо в стены врубается матица, либо балки чердачного перекрытия врезаются в стену замком, позволяющим воспринимать распор, либо наслонные стропила оборудуются дополнительной растяжкой. Любые из вышеперечисленных средств могут быть применены комплексно. Например, в конструкции крыши могут присутствовать и затяжки в стропильной конструкции, и матица в стенах. 
         Предотвратить вертикальную деформацию стен невозможно, стены все равно осядут. Возникает ситуация: фронтоны рубленой стены — самцы со временем осядут, а стропила осесть не могут (дерево практически не усыхает по длине). Верхний конец стропил оперт на коньковую слегу и при усушке сруба будет опускаться вниз, а нижний конец упереть в стену и тоже будет опускаться вниз, но на меньшую величину. Разница в осадках верхней и нижней части стропильной ноги не позволит крыше опуститься вместе с фронтоном. Произойдет расслоение между самцом и стропильной системой, а попросту, между крышей и фронтоном появится дыра. Поэтому, если для самцовых срубов применяется стропильная система крыши, то лучше всего дождаться полной усадки сруба и только потом делать крышу. Либо принять конструктивные меры, частично поглощающие вертикальную деформацию, т.е не замыкать стропила в верхней части, в нижней части нужно сделать скос опорной пяты, узлы опирания на слеги (или центральный прогон) не должны препятствовать движению стропил. 
         Во всех случаях применения наслонных стропил нижний конец стропильных ног упирается в стену сооружения. Свес кровли обеспечивается установкой кобылки. Верх стропильных ног укладывают на толстую коньковую балку, которая в свою очередь опирается на фронтоны стен, — самцы. Коньковую слегу в этом случае удобнее врубать по варианту, изображенному на рисунке 61 д, т.е. слега врубается ниже вершины фронтона, образуя, таким образом, запас по высоте, равный толщине стропильных ног. Коньковую слегу, в этом случае, называют уже центральным ригелем. 
         В связи с тем, что бревенчатые фронтоны — самцы, плохо сочетаются со стропильной системой, происходит отказ от самцов, и фронтоны сруба делаются из досок. Доски фронтона пришиваются непосредственно к стропилам. Верх стропильных ног при этом упирается друг в друга. Стропила образуют незамкнутый треугольник. Еще один шаг - замкнуть низ стропил установкой затяжки - и получится висячая стропильная система, но он еще не сделан. 
  Треугольники наслонных стропил, упертые верхними концами стропил друг в друга, крайне неустойчивое сооружение. Для того, чтобы они не завалились, их укрепляют вертикальными связями. В качестве связей выступает и обрешетка. Обрешетка связывает стропила сверху. Снизу для предотвращения выворачивания стропил (потери остойчивости) прибиваются одна - две доски наискосок под всеми стропильными ногами. Расстояние между стропильными ногами принимается от 0,8 до 1,5 м, в зависимости от сечения стропил. Небольшое отступление. Устойчивостью называется способность системы в целом сохранять устойчивое равновесие. Остойчивостью элемента называется способность элемента сохранять устойчивое равновесие относительно собственных осей (ось-стойчивость). Пример, возьмем ученическую линейку, поставим ее на торец и надавим сверху. Линейка не потеряла устойчивости, она стоит и не упала, но изогнулась, как веревка, — линейка потеряла остойчивость. Чем длинее линейка, тем больше при центральном сжатии будет на ней волн изгиба, тем вероятнее потеря ею остойчивости. Если надавить посильнее, линейка сломается, т.е. потеряет прочность. Из примера следует, что эксплуатировать конструкции с малой степенью остойчивости элементов крайне опасно, будь они хоть трижды устойчивыми. Увеличить остойчивость элемента можно наращиванием сечения, что не всегда приемлемо, либо добавлением к нему конструктивных связей, перехва тывающих изгибающие и скручивающие напряжения. 
Стропильная система из наслонных стропил с установкой промежуточной затяжки, это уже шажок в сторону висячих стропил. Затяжки врубаются в стропильные ноги примерно на середине их высоты. Лучше всего здесь будет работать замок "сковородень", он не даст "разъехаться" стропильным ногам при приложении к ним вертикальной нагрузки — веса крыши и снега, и воспримет на себя сжимающие напряжения при сильном боковом ветре. Кроме того, затяжка, врубленная в стропило, усиливает стропильную ногу и не дает ей прогибаться, а также она выступает в роли горизонтальной связи, повышая остойчивость стропильных ног. Однако все достоинства затяжки могут проявиться только при качественном выполнении врубки, т.е. врубка должна быть плотной. Если врубка будет сделана с зазорами, в замке проявится "податливость" соединения и стропило вместо усиления будет ослаблено. Поэтому на практике, когда крышу рубят из сырого материала (высохнет и появятся зазоры), или в рубке участвуют плотники невысокой квалификации, или чтобы облегчить себе работу, врубку затяжки не делают. Просто, внахлест прибивают к стропилам поперечную доску гвоздями. Полученная стропильная система, конечно же, будет уступать системе с хорошими врубками, тем не менее, она неплохо работает. За примерами далеко ходить не надо: поднимитесь на крышу своего дома. Если дом построен не более 20 лет назад, то за редким исключением, вы не увидите там серьезных врубок, все на гвоздях и внахлест. Правда, все соединения усилены "бобышками" — прибитыми коротышами досок. 

Если строится баня внушительных размеров и в ней есть внутренняя капитальная стена, наслонные стропила своей верхней частью через центральный ригель опираются на нее. Фундамент под внутреннюю стену делается в два раза шире, чем под внешние. Шире не значит глубже. Глубина фундамента принимается такой же, как и под внешние стены или даже мельче, грунт под внутренними стенами промерзает меньше. Увеличенная площадь опоры фундамента обуславливается тем, что на него будет осуществляться большая нагрузка, чем на внешние стены. Однако, учитывая незначительный вес бани, вполне вероятно, что уширения фундамента под внутреннюю стену не потребуется. Все нужно проверять расчетом.

При наличии внутренних капитальных  стен ригель врубается в стойки. Стойки врубаются во внутреннюю стену  и связываются между собой  поперечными ветровыми укосами. С ветровыми укосами особо  мудрить не нужно, их конечно можно  врубить в стойки каким-либо другим способом, но чаще всего достаточно их просто упереть одним концом в ригель, другим в бревно внутренней стены и пришить к стойкам гвоздями. Дополнительно стропила могут быть усилены против прогибания (потери остойчивости) подстропильными ногами, которые, в свою очередь, врубаются в стойки и стропила. Если баня имеет не продольную внутреннюю стену, а поперечную, то конструкция крыши может быть решена добавлением внутренней продольной балки, которая будет опираться в трех точках — на две внешние стены и на внутреннюю, или устройством продольных ферм ветровых подкосов. 
         При усадке сруба с внутренней несущей стеной осадка стен происходит с разной скоростью. Средняя величина усадки наружных стен, как правило, больше чем усадка внутренней стены. Крыша, одновременно опирающаяся на внутреннюю и внешние стены, будет перекошена. Для частичного исправления величины осадки под стойки крыши в опорном бревне делают лузу под шип глубиной 7 см. Установив столбы, подкладывают под низ столба подкладки высотой 5 см, которые удаляют через полгода, после усадки сруба. Подкладки подставляются на тех стенах, усадка которых будет меньше, столб делается короче на 5 см. 
 Укорачивание стойки — естественная процедура, мы же первоначально делаем крышу ровной. Когда усадка частично пройдет, наружные стены осядут больше чем внутренняя, крышу перекосит. Выбив подкладки, осадим столб и, скорее всего, выровняем крышу. 
В наслонных стропилах низ стропильной ноги не выходит за пределы стены, свес кровли обеспечивает кобылка, поэтому в крышах существует большая вероятность отрыва ветром свеса кровли. Для предотвращения отрыва свеса кровли, да и всей конструкции крыши в целом, наслонную стропильную ногу вместе с кобылкой привязывают к стене стальной проволокой.