Введение
Несущая конструкция крыши
Конструкция жилых крыш включает в себя стропильную систему и кровельное покрытие, которые обычно встречаются в большинстве отдельно стоящих домов в холодных и умеренных климатических зонах. Такие крыши возводятся преимущественно из древесины, принимают разнообразные формы и покрываются различными материалами.
Обзор
Современные деревянные крыши в основном строятся из пар обычных стропил или сборных деревянных ферм, соединенных пластинами соединителей ферм. Деревянные каркасные и исторические здания могут быть выполнены с использованием главных стропил или деревянных кровельных ферм. Крыши также классифицируются как теплые или холодные в зависимости от конструкции и строительства с точки зрения теплоизоляции и вентиляции здания. Крутизна или уклон скатной крыши определяется главным образом кровельным материалом и эстетическим дизайном. Плоские крыши на самом деле имеют уклон до примерно десяти градусов для стока воды. Плоские крыши в жилых домах чаще всего встречаются в засушливых регионах. В районах с сильными ветрами, например, где возможен выход на берег циклона или урагана, основная инженерная задача – удержать крышу во время сильных штормов. Каждый элемент крыши, как и вся остальная конструкция, должен выдерживать подъемную силу высоких скоростей ветра. Это достигается использованием металлических связей, прикрепленных к каждому стропилу или ферме. Обычно это не является проблемой в районах, не подверженных сильным ветрам или экстремальным погодным условиям. В Великобритании крыша из бетонной черепицы обычно имеет стропила с шагом в центрах, обрешетку с шагом в центрах и потолочные балки с шагом в центрах. В Соединенных Штатах по-прежнему используются имперские единицы измерения, и элементы каркаса обычно располагаются на расстоянии шестнадцати или двадцати четырех дюймов друг от друга. Каркас крыши может быть прерван для проемов, таких как дымоход или мансардное окно. Дымоходы обычно строятся с водоотводом, известным как конёк или седло, над дымоходом. Для герметизации зазора между дымоходом и кровельным материалом используется обвязка.
Строительство крыши с бревенчатым крышкой
Простая стропильная крыша состоит из стропил, нижние концы которых опираются на горизонтальные обвязочные брусья, установленные на верхней части стен. Верхние концы стропил часто сходятся в коньковый прогон, но могут упираться непосредственно друг в друга, образуя пару стропил, называемую парой. В зависимости от кровельного материала, к стропилам крепятся горизонтальные обрешетники, рейки или стропильные доски; или доски, фанера или ориентированно-стружечные плиты формируют основание крыши (также называемое обшивкой или подкладкой) для поддержки кровельного покрытия. Для поддержки больших пролетов стропил используются более массивные подстропильные брусья или плиты. Ригели, которые также могут служить потолочными балками, обычно соединяют нижние концы противоположных стропил, чтобы предотвратить их расхождение и давление на стены. Для дополнительной прочности выше между противоположными стропилами могут быть установлены затяжки или подкосы. Стропила, ригели и обвязочные брусья служат для передачи веса крыши на стены здания.
Строительство крыши из решетки
Предварительно изготовленные стропильные фермы выпускаются в широком разнообразии конструкций. Они проектируются производителем для каждого конкретного здания. Деревянные стропильные фермы также изготавливаются в различных стилях с использованием деревянных или металлических соединений. Тяжелые деревянные стропила, обычно располагаемые на расстоянии от 2,44 м до 3,66 м друг от друга, называются главными стропилами. Главные стропила могут сочетаться с обычными стропилами или нести обычные прогоны.
Проектные нагрузки
Крыша должна быть спроектирована для выдерживания структурной нагрузки, включающей так называемую постоянную нагрузку – собственный вес конструкции и вес кровельного покрытия, – а также дополнительную нагрузку от внешних факторов, такую как снег и ветер. Для плоских крыш также может потребоваться расчет на полезную нагрузку, если по ним планируется передвижение людей. В Соединенных Штатах строительные нормы и правила определяют величину нагрузок в фунтах на квадратный фут, которая зависит от региона. Величина нагрузки и пролет (расстояние между опорами) определяют размеры и шаг стропил и ферм.
Покрытие крыши
Кровельные материалы, включая подкладку и кровельное покрытие, в первую очередь предназначены для отвода воды. Кровельное покрытие также является важным элементом архитектуры, поэтому кровельные материалы представлены в широком разнообразии цветов и текстур. Основным кровельным покрытием домов в Северной Америке является асфальтовая черепица, но некоторые дома покрыты другими типами черепицы или металлической кровлей. Черепичные и соломенные крыши более распространены в Европе, чем в Северной Америке. Некоторые кровельные материалы помогают снизить затраты на кондиционирование воздуха в жарком климате благодаря способности отражать свет. Асфальтовая черепица – наиболее распространенный кровельный материал в Северной Америке, составляя до 75% всех скатных крыш. Этот материал также набирает популярность в Европе из-за более низкой стоимости установки. Асфальтовая черепица доминирует на рынке жилой кровли в Северной Америке, поскольку обычно стоит дешевле других материалов. В южных штатах США и Мексике также очень популярны глиняные черепичные крыши благодаря своей долговечности и способности выдерживать ураганные ветры с минимальными или отсутствующими повреждениями. В Европе широко распространены шиферные и черепичные крыши. Многие шиферные крыши в Европе существуют более 100 лет и, как правило, требуют минимального обслуживания и ремонта.
Вентиляция и изоляция
Для регулирования температуры внутри подкровельного пространства необходима вентиляция. Без надлежащей вентиляции влажность может вызвать конденсацию внутри кровельной конструкции, что может привести к серьезным структурным повреждениям, гниению древесины (влажному или сухому) и ухудшению теплоизоляции. Конденсация в подкровельном пространстве является сегодня более серьезной проблемой из-за уменьшения естественной вентиляции, вызванного герметичными зданиями с высокоэффективными окнами и дверями, а также отсутствием дымоходов. Такая герметичность приводит к повышению температуры воздуха в зданиях: чем теплее воздух в помещении, тем больше водяного пара он может содержать. По мере повышения температуры в жилых помещениях подкровельное пространство становится холоднее из-за использования высокоэффективной теплоизоляции и кровельных мембран, что создает холодную кровлю. Когда теплый, влажный воздух поднимается изнутри здания в холодное подкровельное пространство, начинается конденсация, когда температура воздуха достигает «точки росы» или когда теплый воздух соприкасается с холодными поверхностями кровли. Большинство строительных материалов паропроницаемы: кирпич, бетон, штукатурка, дерево и теплоизоляция могут подвергаться межслойной конденсации. Поэтому строительные нормы Великобритании требуют вентиляции кровли с помощью слуховых окон, коньковых вентиляторов или замены вентиляционных элементов кровли (например, черепицы). Вентиляция кровельного пирога ускоряет испарение влаги, образовавшейся в результате протечек или конденсации, и отводит тепло, что помогает предотвратить образование наледей и продлевает срок службы асфальтовой черепицы. Строительные нормы США устанавливают минимальную скорость вентиляции – одно вентиляционное отверстие на 150 квадратных футов (соотношение 1:150), а в некоторых случаях – 1:300. Поскольку теплый воздух поднимается, потолочная теплоизоляция имеет более высокое значение R, и она часто устанавливается между потолочными балками или стропилами. Правильно изолированная и вентилируемая кровля называется «холодной кровлей». «Теплая кровля» – это кровля без вентиляции, где теплоизоляция укладывается в соответствии с уклоном кровли. «Горячая кровля» – это кровля, не имеющая вентиляции, с достаточным количеством пароизоляции, контактирующей с обрешеткой, для предотвращения конденсации, например, при нанесении напыляемой пенополиуретановой теплоизоляции непосредственно на внутреннюю или внешнюю сторону кровельного пирога или в некоторых типах мансардных крыш. Более современная конструкция – установка кровельного пирога с фольгированной пеной и второго слоя обрешетки с воздушным зазором между ними, обеспечивающим вертикальный поток воздуха к вентиляционному отверстию в коньке кровли – это конструкция с двойным кровельным пирогом и воздушным зазором, повышающая энергоэффективность.
Примитивные методы кровельного покрытия
На Ближнем Востоке, начиная с римских времен, на протяжении всего Средневековья и до начала XX века крыши домов строились следующим образом: сначала укладывали деревянные стропила над стенами на расстоянии около 60 см друг от друга; поверх этих стропил горизонтально размещали тонкие полосы дерева или доски (purlins), плотно прилегающие друг к другу, каждая доска толщиной в 3 поперечных пальца (6,75 см) или немного меньше. Затем поверх этих досок прочно закрепляли плетёный материал из натуральных растительных волокон, таких как тростник, листья рогоза или папируса, пальмовые ветви и кора деревьев. Поверх этого плетёного материала сначала наносили толстый слой глины, затем слой почвы толщиной, после чего покрывали верх глиняным раствором, состоящим из цементной смеси глины, щебня, битых черепков и соломы. Этот тип кровельного материала хорошо выдерживает влагу и сильные дожди. Эти маты удерживались на месте деревянными прутьями, уложенными перпендикулярно стропилам. Колхи в Понте делали крыши, "отрезая концы поперечных балок и постепенно сближая их при укладке, поднимая их с четырех сторон к вершине в форме пирамиды. Затем покрывали их листьями и грязью". В Марселе в эпоху античности на крышах домов не использовали черепицу, а только землю, смешанную с соломой. Древние фригийцы строили пирамидальную крышу из соединенных бревен, покрывая ее тростником и хворостом, поверх которых насыпали высокие насыпи земли.