Ригель в стропильной системе: Вальмовая крыша с висячими стропилами

Содержание

Висячие стропила крыши — конструкции, устройство и узлы (фото, видео)

Крыша – наиболее сложный элемент конструкции жилой, хозяйственной или производственной постройки, которую нельзя построить без точного расчета и детального проекта. Ее устройство состоит из гидроизоляционного покрытия и каркаса, отвечающего за форму, несущую способность и надежность кровли. Различают 2 типа стропильных систем, отличающихся по составу и способу соединения элементов – висячую и наслонную. В этой статье мы расскажем, что такое висячие стропила, а также как это конструктивное решение применяется в строительстве.

Содержание статьи

Функции стропил

Стропильный каркас – совокупность опорных элементов, отвечающих за придание кровле формы, геометрии, уклона и высокой несущей способности. Особенность висячей стропильной системы заключается в том, что она возводится в сооружениях, не имеющих внутренних несущих опор. Конструкция фермы такого каркаса представляет собой равносторонний треугольник, образованный стропилами и затяжкой, поэтому обладает высокой устойчивостью к внешним воздействиям. Задачами стропильного каркаса считают:

  1. Формирование уклона кровли. Крыша должна иметь уклон, чтобы эффективно отводить влагу во время осадков, сбрасывать снежную массу во избежание перегрузки каркаса.
  2. Распределение веса кровли. Конструкция крыши весит достаточно много, особенно если учитывать дополнительную нагрузку во время снегопадов. Стропила равномерно распределяют вес покрытия между несущими стенами.
  3. Фиксация кровельного материала. Гидроизоляционное покрытие крепят к обрешетке стропильного каркаса, распределяющей нагрузку и придающей покрытию жесткую форму.

Учтите, что висячие стропила считаются более устойчивой конструкцией каркаса, так как их устройство способствует снижению распирающей нагрузки, от которой страдают узлы наслонных систем.

Отличия висячей системы от наслонной

Устройство наслонных систем

Конструкция висячей стропильной системы подразумевает, что в перекрываемом сооружении отсутствуют внутренние капитальные несущие опоры. В таком случае стропила имеет всего точку опоры в месте крепления на мауэрлат, а другим концом ноги они просто упираются друг друга без использования подконькового бруса.

Стропильная ферма висячего типа представляет собой равнобедренный треугольник с основанием, равным ширине фасада. Она состоит из следующих элементов:

  • Мауэрлата. Этом прочный, ровный брус из здоровой древесины твердых пород сечением 100х100 мм или 150х150 мм укладывают на верхнюю поверхность последнего яруса несущих стен там, где на них будут опираться стропильные ноги. Это устройство распределяет вес стропил, передавая нагрузку на фундамент.
  • Стропильные ноги. Это опорные элементы, формирующие плоскость скатов крыши, которые изготавливаются из прямых досок размером 50х150 мм или 100х150 мм. Они устанавливаются попарно с шагом 60-120 см в зависимости от веса и размеров финишного покрытия.
  • Затяжка. Затяжкой называют горизонтальный элемент каркаса, который стягивает нижние концы стропильных ног, компенсируя нагрузку на распирание, сказывающуюся на основные узлы кровли.
  • Ригель. Ригель представляет собой верхнюю затяжку, которая стягивает попарно стропила на небольшом расстоянии от конька. Так как на этом участке нагрузка на распирание больше, то он изготавливается из бруса более толстого сечения.
  • Бабка. Бабкой называют подвесной элемент висячего стропильного каркаса, который поддерживает под коньком центральную часть затяжки, предотвращая распирание несущих наружных стен.
  • Подкос. Подкосами зовутся горизонтальные подпорки, поддерживающие стропильные ноги в верхней или средней части, предотвращая прогиб элементов большой длины.

Разновидности висячих стропил

Обратите внимание! Очень часто висячая стропильная система не включает в себя мауэрлат, так как его функции с успехом выполняет низко расположенная затяжка. Опытные мастера считают, что конструкция каркаса без этого элемента нисколько не теряет ни в прочности, ни в надежности.

Разновидности

Устройство висячей стропильной системы во многом зависит от формы и размеров перекрываемого сооружения. Чем больше площадь дома, тем больше конструкция насчитывает дополнительных элементов, увеличивающих несущую способность каркаса. Самая простая ферма представляет собой равнобедренный треугольник, образованный стропильными ногами и затяжкой. Но чем длиннее стропил, тем больше потребуется опор, компенсирующих их прогиб под действием собственного веса. Различают висячие стропильные системы следующих типов:

  1. Простая трехшарнирная арка в форме треугольника. Это образец самой простой стропильной фермы висячего типа, которая состоит из стропильных ног и затяжки. Она представляет собой замкнутый треугольник, основание которого работает только на растяжение, а стороны – на прогиб. Таким образом можно перекрыть пролеты шириной до 6 метров.

    Простая трехшарнирная арка

  2. Трехшарнирная треугольная арка с подвесом или бабкой. Если ширина перекрываемого сооружения превышает 6 метров, то использование цельного бруса для изготовления затяжки проблематично. Деревянный элемент такой длины будет прогибаться под собственным весом, поэтому его изготавливают из 2 отдельных частей и подвешивают к коньку с помощью бабки.

    Арка с подвесом

  3. Трехшарнирная арка с приподнятой затяжкой. Этот вариант висячей стропильной системы используется, если крыша относится к мансардному типу. При этом затяжку перемещают к верхней части стропильных ног ближе к коньковому соединению. Чем выше она находится, тем большее напряжение на растяжение она испытывает. При оборудовании мансарды приподнятая затяжка выполняет роль потолочных перекрытий.

    Трехшарнирная арка с приподнятой затяжкой

  4. Трехшарнирная треугольная арка с ригелем. В этом варианте подвижные крепления в виде ползуна, которыми крепятся к мауэрлату, заменяются на неподвижные. Поэтому ригель, стягивающий стропильные пары в верхней части, испытывает нагрузку не на растяжение, а на сжатие.

    Трехшарнирная арка с ригелем

Важно! Если длина стропильных ног превышает 4-4,5 метра, то при толщине сечения 50х150 мм или 100х150 мм они начинают испытывать значительную нагрузку на прогиб под действием собственного веса. Чтобы компенсировать это напряжение, в верхней или средней части стропил их поддерживают подкосом, упертым в бабку.

Трехшарнирная арка с подкосами и бабкой

Виды креплений

Крыша, каркас которой изготавливается из дерева, подвергается термическому расширению, а также немного изменяет свои размеры в зависимости от влажности. Чтобы эти малейшие изменения не привели к деформации, используют специальную систему крепления узлов конструкции. Висячие стропила имеют 2 типа креплений:

  • Подвижные. Подвижными креплениями называют специальные устройства – ползуны, изготавливаются из металла. С помощью них к мауэрлату крепят стропильные ноги, в результате чего они могут немного смещаться при изменениях размеров элементов при колебаниях влажности. Такие устройства предотвращают деформацию каркаса кровли, позволяя ей «дышать».
  • Жесткие. Жесткое крепление элементов стропильного каркаса осуществляется с помощью гвоздей, саморезов или металлических накладок. Этот способ обеспечивает надежную фиксацию, но не компенсирует термическое расширение и изменение размеров дерева при колебаниях влажности.

Опытные мастера утверждают, что запрещается врезать отверстия в мауэрлате для крепления стропильных ног, так как это нарушает целостность бруса, снижает его прочность. При подвижной фиксации ноги прикрепляются ползунами, а при жестком в стропилах вырезают выемки под мауэрлат, а затем приколачивают гвоздями.

Критерии выбора

Висячие стропила считаются более сложными в проектировании и монтаже вариантом стропильного каркаса. Эта тонкая система требует тщательного расчета, учитывающего все нагрузки и силы, которые будут воздействовать на нее изнутри и снаружи. Чтобы крыша получилась надежной, выбор осуществляют в соответствии со следующими факторами:

  1. Климатические условия. Чтобы оценить, какая ветровая и снеговая нагрузка будут воздействовать на стропила, нужно определить климатическую зону региона, в котором ведется строительство.
  2. Финишное кровельное покрытие. Выбор стропильного каркаса зависит от желаемого кровельного материала, так как вариант имеет оптимальный угол наклона ската и рекомендованное расстояние между элементами в соответствии с весом и размером покрытия.
  3. Вид кровли. Крыша может быть односкатной, двухскатной, вальмовой, полувальмовой или шатровой в зависимости от формы и размеров сооружения.

Важно! Висячие стропильные фермы обладают большим весом и размером, поэтому поднять уже собранные конструкции на кровлю можно только с помощью крана. Чаще всего сборка каркаса происходит непосредственно на высоте, что усложняет кровельные работы.

Влияние климатических факторов

Влияние кровельного материала

Зависимость устройства каркаса от уклона

Видео-инструкция

Двухскатная крыша стропильная система — Всё о кровле

Стропильная система двухскатной крыши и ее устройство

О двускатной крыше в двух словах

Двускатной называется крыша у которой два прямоугольных плоских ската соединяются наверху под углом. При этом с боков остаются треугольные проемы. Туда вставляются фронтоны. Чтобы конструкция была крепкой, надежной и служила продолжительное время в ней применяют различные подпорные и поддерживающие элементы. Важнейший из них — стропильная система двускатной крыши, которой, собственно, и посвящен данный материал.

Конструктивные элементы двухскатных крыш

В общем-то, все эти элементы двускатных крыш представляют собой доски, бруски и балки различной длины, формы и сечения. Рассмотрим их все по порядку.

Это хвойный брус квадратного сечения, размер которого обычно составляет 10 или 15 сантиметров. Его кладут вдоль каждой из несущих стен, прикрепляя к ним стержнями на резьбе или анкерами. Предназначение данного элемента – равномерная передача нагрузки от ног стропил к несущим стенам.

Стропильная нога

Это брус, в разрезе имеющий размеры 15 сантиметров на 5 (или 10) сантиметров. Именно из таких элементов собирается наш треугольный контур кровли, который несет всю тяжесть ветра, града, снега и прочих превратностей погоды. Чтобы достойно выдерживать эти нагрузки, стропильные ноги располагают с шагом от 0,6 до 1,2 метра. Чем более увесистой предполагается кровля, тем меньше данное расстояние. Кроме этого, шаг стропил, в некоторых случаях, будет зависеть от конструктивных особенностей используемого кровельного покрытия.

Квадратный брус для этого элемента имеет такое же сечение, как и для мауэрлата – 10/10 или 15/15 сантиметров. Его горизонтально кладут на внутреннюю несущую стену, дабы равномерно распределить нагрузку от кровельных стоек.

Данный элемент применяется для висячих стропильной системы. Он завершает треугольник стропильных ног, не позволяя ему расползаться.

Брус для них берется квадратный, такой же, как для предыдущего элемента. Стойки размещаются вертикально, беря на себя нагрузку от конька и передавая ее несущей стене внутри дома.

Эти элементы выполняют роль передаточного звена между ногами стропил и несущими элементами. Соединив затяжку и подкосы, получают ферму – весьма крепкий элемент. Даже при наличии большого пролета ферма стойко вынесет все нагрузки.

Перпендикулярно ногам стропил кладут бруски (или доски) обрешетки. Передавая всю тяжесть кровли стропильным ногам, данный элемент конструкции дополнительно их скрепляет. Предпочтительнее для обустройства обрешетки брать обрезные бруски или доски. Но за неимением лучшего сгодится и доска необрезная – но со снятой корой. Ну, а в случае мягкого кровельного покрытия (к примеру, черепица на битумной основе) обрешетку делают сплошной. Для этого берут влагостойкие фанерные листы.

Конек крыши

Конек это верхнее место крыши соединяющее два ската крыши. Образуется он путем соединения стропильных ног в верхней части крыши. Он расположен горизонтально.

Свес крыши

Данный элемент, выступающий от стен на расстояние примерно 40 сантиметров, не дает дождевым потокам намочить эти стены.

И вновь «лошадиное» название. Эти элементы конструкции стропильной системы двухскатной крыши нужны для организации свеса крыши. Необходимость в них появляется лишь тогда, когда стропильные ноги слишком короткие, и для свеса их не хватает. Тогда эти ноги удлиняют кобылками, которые представляют собой доски несколько меньшего сечения.

Виды стропильных систем двухскатных крыш

Этих систем всего две: висячего типа и наслонного типа. Первые используют в том случае, когда наружные стены дома отстоят друг от друга на 10 метров или меньше. Есть и еще одно условие – между этими самыми стенами не должно быть стены несущего типа, делящей дом надвое. В противном случае надо использовать наслонные стропила. Когда строящийся дом разделяется не несущей стеной, а колоннами, монтируют сразу две стропильных системы. Стропила, расположенные под наклоном, обопрутся на колонны, а висячие отлично разместятся между ними.

Стропильная система висячего типа

Для данной схемы стропильной системы двухскатной крыши характерно то, что стропила опираются на боковые стены. Плохо то, что при этом образуется распирающая нагрузка, способная со временем повредить стены. Чтобы такого не произошло, ноги стропил соединяют затяжкой. В результате образуется жесткий треугольник, не подверженный деформации при нагрузках. Часто вместо затяжек используют балки перекрытия, это особенно актуально когда необходимо обустроить мансардное помещение под крышей.

Плюс данной системы в том, что вовсе не обязательно крепить мауэрлат. Кроме того, достаточно просто монтируются те части конструкции, где ноги стропил опираются на стены. Доска, проложенная через изоляционный слой, поможет сделать ферму ровной и устойчивой, обеспечив большую площадь опоры. Далее рассмотрим основные разновидности висячих стропил. Все они являются трехшарнирными.

#1. Простая треугольная трехшарнирная арка.

Это самое несложное сооружение, представляющее собой замкнутый треугольник, две верхних стороны которого подвергаются нагрузке на изгиб. Затяжка в такой конструкции не работает только на растяжение и не является несущей конструкцией, поэтому ее можно заменить на тяж из стали.

При этом имеется несколько решений организации конструкции карнизного узла. Это ортогональные лобовые врубки, а также применение дощатых или пластинчатых креплений.

#2. Треугольная трехшарнирная арка, усиленная бабкой или подвеской.

Данный вариант применяли только раньше, строя большие промышленные или сельскохозяйственные помещения с пролетом более 6 метров. Для частных домов эта схема не годится. Принцип ее в том, что вес затяжки (составленной из отдельных коротких элементов) берет на себя конек. Эти элементы соединены между собой и с хомутом подвески с помощью прируба (косого или прямого). Для скрепления используются болты. Деревянная подвеска носит название бабка, а железная – тяж. Эта деталь, висящая на узле карниза, а затяжка крепится к ее нижней части через деревянные накладки. Переходниками являются хомуты, регулирующие прогиб затяжки, если она провиснет.

#3. Треугольная трехшарнирная арка с приподнятой затяжкой.

Если вы хотите оборудовать под крышей мансардное помещение, то эта схема отлично подойдет. Здесь растяжку мы ставим не внизу, стягивая ноги стропил, а наверху. Поднимая ее выше, мы увеличиваем нагрузку на растяжение. Ну, а стропила держатся на балках мауэрлата по принципу ползуна. Нагрузка получается равномерной, а система – устойчивой. Для этого края стропил должны выступать за границы внешних стен дома.

Чтобы затяжка не провисала, часто ее уравновешивают подвеской. Особенно это важно, если планируется сделать подвесной потолок или проложить слои изоляции. При короткой затяжке подвеску крепят к ригелю и коньку, прибивая две доски, при длинной – делают несколько подвесок. При больших нагрузках для крепления применяют хомуты. Ими же соединяют при необходимости две части составной затяжки.

#4. Трехшарнирная треугольная арка с ригелем.

Такую систему монтируют в том случае, если распорные нагрузки велики. Внизу крепится затяжка, а в верхней части – ригель. Благодаря такой конструкции мауэрлат к стене приделывать нет необходимости. В общем-то, ригель – это и есть затяжка, только испытывающая нагрузку не на растяжение, а на сжатие. Ригель не должен иметь шарнирного крепления к ногам стропил, а то конструкция будет шататься. Если всё сделать как надо, то стропила превратятся в неразрезные балки, имеющие три опоры и два пролета.

#5. Трехшарнирная треугольная арка с бабкой, дополненная подкосами.

По поводу системы с бабкой рассказывалось чуть выше. Если в такой конструкции ноги стропил достаточно длинные, приходится их подпирать. Для этого и служат подкосы, уменьшающие прогибающую стропила нагрузку. Несущей стены у висячей системы нет, так что упереть подкосы необходимо в бабку. Стабильная жесткая система принимает основную нагрузку на верхнюю свою часть, не доводя ее до низа стропил. Затяжка в такой конструкции обычно составная, соединенная прирубом. Опираясь на хомут бабки, она подтягивает книзу коньковый узел. А тот воздействует на подвес и стропила, сжимая их.

Стропильная система наслонного типа

У этой системы ровно посередине ставится вертикальная балка. Вес всей кровли через данную балку проходит от конька к несущей стене. Стена эта находится на равном расстоянии от краев здания. Как уже упоминалось, потребность в таком разделении здания появляется при расстоянии между его внешними стенами более 10 метров.

#1. Безраспорные наслонные стропила.

В этой конструкции ноги стропил подвергаются только изгибу, не давя на стены и не распирая их. Есть три варианта монтажа таких стропил, которые решают вопрос нагрузок на стены здания.

В первом варианте опорой для стропила либо является мауэрлат, либо его подшивают специальным бруском (опорным). Для крепления используется врубка зубом. Страхуется конструкция хомутами или проволокой, что является гарантом надежности конструкции. Верхнюю часть ног стропил кладут на прогон конька. Крепление по принципу скользящих опор. Обязательно нужно закрепить пробоины в верхней части стропил.

Это наиболее популярная конструкция. В ней низы стропильных ног приделываются к мауэрлату подвижным соединением по типу ползуна. Возможно и крепление с помощью штучного бруска. Чтобы нога держалась крепко, вбиваем сверху гвоздь. Либо можно прикрепить гибкую пластинку из стали. Вверху стропила, лежащие на прогоне конька, крепят либо пробоинами попарно, либо к прогону (каждое из стропил).

Особенность последнего варианта в том, что ноги стропил и прогон конька жестко соединяют в одно целое. Для этого параллельно брусу конька с обеих сторон набивают дощечки или бруски. При этом балка испытывает сильную нагрузку на изгиб, зато ноги стропил прогибаются гораздо меньше. Данный вариант сложнее в исполнении, чем второй, поэтому используется несколько реже.

#2. Распорные наслонные стропила.

В данном случае устройство стропильной системы двускатной крыши почти аналогично предыдущим трем вариантам. Существует один нюанс: нужно заменить крепление ног стропил с подвижного (по типу ползуна) на жесткое, неподвижное. И тогда стропила начнут передавать распирающую нагрузку несущим стенам дома. В общем-то, такие распорные стропила служат как бы промежуточным звеном от наклонной системы к висячей. Однако отличие висячих стропил в том, что у них прогон не является существенной деталью. Можно и без него обойтись.

Для распорной системы мауэрлат должен быть очень крепко приделан к стене дома. Да и сами стены обязаны быть толстыми и прочными. Можно применять по периметру пояс из железобетона.

#3. Стропила, имеющие подкосы.

Подкос, который, по сути, является третьей ногой стропил, называют еще подстропильной ногой. Эта третья нога, работающая на сжатие, ставится под углом 45 градусов. Таким способом получается перекрывать даже пролеты с длиной до 14 метров, причем балками с не очень большим сечением. Ведь здесь чудесным образом балка с одним пролетом превращается в неразрезную балку с двумя пролетами.

Рассчитывать крепление подкоса не нужно, достаточно просто прибить его с обоих боков, подставив под стропилом. Это не даст подкосу смещаться. Главное – точно срезать угол подкоса, учитывая наклон ноги стропил. Чтобы определить сечение бруса, необходимого для стропильных ног, надо вычислить нагрузку на сжатие.

#4. Стропила на подстропильных балках.

Если в доме несущих стен две, используют две подстропильные конструкции. Они состоят из уложенных по длинной стороне крыши балок. Под ними установлены стойки на которых лежат балки. Также опорами для них служат лежень и внутренние стены дома. Если прогонов нет, ставим стойки под каждую ногу стропил. Верхние части стропильных ног стыкуются одна в другую и перевязываются стальными или деревянными накладками. Конькового прогона нет, поэтому появляется распор.

Затяжку ставят ниже прогонов сквозного типа – так аннулируют в безраспорной системе распор. В нижней части стоек для стабильности крепят схватки. Схватка, работающая в качестве ригеля, принимает нагрузки сжатия. Она же не дает опрокинуться стойкам. Расшивки прикрепляют крест-накрест.

Пример монтажа стропильной системы двускатной крыши

Главная » Крыша » Виды стропильной системы двухскатной крыши: для маленьких и больших домов

Виды стропильной системы двухскатной крыши: для маленьких и больших домов

В основе каждой крыши лежит большое количество балок, стропил, стоек и прогонов, которые все вместе называются стропильной системой. За многовековую историю видов и способов ее организации накопилось немало, и каждая имеет свои особенности в построении узлов и врубок. Подробнее о том, какой может быть стропильная система двухскатной крыши и как при этом должны крепиться стропила и другие элементы системы поговорим подробнее.

Конструкция стропильной системы двускатной крыши

В разрезе двухскатная крыша представляет из себя треугольник. Состоит она из двух прямоугольных наклонных плоскостей. Две эти плоскости соединяются в высшей точке в единую систему коньковым брусом (прогоном).

Схема двускатной крыши

Теперь о составляющих системы и их назначении:

  • Мауэрлат — брус, который связывает крышу и стены здания, служит опорой для стропильных ног и других элементов системы.
  • Стропильные ноги — они образуют наклонные плоскости крыши и являются опорой для обрешетки под кровельный материал.
  • Коньковый прогон (бус или конек) — объединяет две плоскости крыши.
  • Затяжка — поперечная деталь, которая соединяет противоположные стропильные ноги. Служит для увеличения жесткости конструкции и компенсации распирающих нагрузок.
  • Лежни — бруски, расположенные вдоль мауэрлата. Перераспределяют нагрузку от кровли.
  • Боковые прогоны — поддерживают стропильные ноги.
  • Стойки — передают нагрузку от прогонов к лежням.

В системе могут еще присутствовать кобылки. Это доски, которые удлиняют стропильные ноги для образования свеса. Дело в том, что для защиты стен и фундамента дома от осадков желательно чтобы кровля заканчивалась как можно дальше от стен. Для этого можно взять длинные стропильные ноги. Но стандартной длины пиломатериалов в 6 метров для этого часто не хватает. Заказывать нестандарт — очень дорого. Поэтому стропила просто доращивают, а доски, которыми это делают называются «кобылки».

Конструкций стропильных систем довольно много. В первую очередь их разделяют на две группы — с наслонными и висячими стропилами.

Разница в конструкции наслонных и висячих стропил

С висячими стропилами

Это системы, у которых стропильные ноги опираются только на наружные стены без промежуточных опор (несущих стен). Для двускатных крыш максимальный пролет составляет 9 метров. При установки вертикальной опоры и системы подкосов увеличить его можно до 14 метров.

Висячий тип стропильной системы двускатной крыши хорош тем, что в большинстве случаев нет необходимости ставить мауэрлат, а это делает установку стропильных ног проще: не нужно делать врубки, достаточно скосить доски. Для связи стен и стропил используется подкладка — широкая доска, которую крепят на шпильки, гвозди, болты, ригеля. При таком строении большая часть распирающих нагрузок компенсирована, воздействие на стены направлено вертикально вниз.

Виды стропильных систем с висячими стропилами для разных пролетов между несущими стенами

Стропильная система двухскатной крыши для небольших домов

Существует дешевый вариант стропильной системы, когда она представляет собой треугольник (фото ниже). Такое строение возможно, если расстояние между наружными стенами не более 6 метров. Для такой стропильной системы можно расчет по углу наклона не делать: конек должен быть поднят над затяжкой на высоту не менее 1/6 длины пролета.

Но при таком построении стропила испытывают значительные изгибающие нагрузки. Для их компенсации или берут стропила большего сечения или врубку коньковой части делают так, чтобы их частично нейтрализовать. Для придания большей жесткости в верхней части с обоих сторон прибивают деревянные или металлические накладки, которые надежно скрепляют вершину треугольника (тоже смотрите не картинке).

На фото также показано, как дорастить стропильные ноги для создания свеса кровли. Делается врубка, которая должна выходить за пределы линии, проведенной от внутренней стены вверх. Это необходимо, чтобы сместить место надреза и уменьшить вероятность надлома стропила.

Коньковый узел и крепление стропильных ног к подкладной доске при простом варианте системы

Для мансардных крыш

Вариант с установкой ригеля — используется при организации под крышей жилого помещения — мансарды. В этом случае он является основой для подшивки потолка расположенного ниже помещения. Для надежной работы системы такого типа, врубка ригеля должна быть безшарнирной (жесткой). Лучший вариант — полусковороднем (смотрите на рисунке ниже). В противном случае крыша станет неустойчивой к нагрузкам.

Стропильная система двухскатной крыши с приподнятой затяжкой и узел врубки ригеля

Обратите внимание на то, что в этой схеме присутствует мауэрлат, а стропильные ноги для повышения устойчивости конструкции должны выходить за пределы стен. Для их закрепления и стыковки с мауэрлатом делается врубка в виде треугольника. В этом случае при неравномерной нагрузке на скаты, крыша будет более стабильна.

При такой схеме почти вся нагрузка ложится на стропила, потому их необходимо брать большего сечения. Иногда приподнятую затяжку укрепляют подвеской. Это необходимо для предотвращения ее прогиба, если она служит опорой для материалов обшивки потолка. Если затяжка небольшой длины, ее можно подстраховать по центру с двух сторон досками, прибитыми на гвозди. При значительной нагрузке и длине таких страховок может быть несколько. В этом случае тоже достаточно досок и гвоздей.

Для больших домов

При значительном расстоянии между двумя наружными стенами устанавливается бабка и подкосы. Такая конструкция обладает высокой жесткостью, так как нагрузки компенсированы.

Стропильная система двухскатной крыши для большого пролета и узлы врубки конька и стропил

При таком длинной пролете (до 14 метров) сделать затяжку цельной сложно и дорого, потому ее делают из двух балок. Соединяется она прямым или косым прирубом (рисунок ниже).

Прямой и косой прируб для соединения затяжки

Для надежной стыковки место соединения усиливается стальной пластиной, посаженной на болты. Ее размеры должны быть больше размеров врубки — крайние болты вкручиваются в цельную древесину на расстоянии не менее 5 см от края врубки.

Для того чтобы схема работала нормально, необходимо правильно сделать подкосы. Они передают и распределяют часть нагрузки от стропильных ног на затяжку и обеспечивают жесткость конструкции. Для усиления соединений используются металлические накладки

Крепление подкосов для стропильной системы висячими стропилами

При сборке двухскатной крыши с висячими стропилами сечение пиломатериалов всегда больше, чем в системах с наслонными стропилами: точек передачи нагрузки меньше, следовательно на каждый элемент приходится большая нагрузка.

С наслонными стропилами

В двускатных крышах с наслонными стропилами, концами они опираются на стены, а средней частью опираются на несущие стены или колонны. Некоторые схемы распирают стены, некоторые нет. В любом случае наличие мауэрлата обязательно.

Простейший вариант наслонных стропил

Безраспорные схемы и узлы врубок

Дома, сложенные из бревен или бруса плохо реагируют на распорные нагрузки. Для них они критичны: стена может развалиться. Для деревянных домов стропильная система двухскатной крыши должна быть безраспорной. О видах таких систем поговорим подробнее.

Простейшая безраспорная схема стропильной системы приведена на фото ниже. В ней стропильная нога упирается в мауэрлат. В таком варианте она работает на изгиб, не распирая стену.

Простая безраспорная система двускатной крыши с наслонными стропилами

Обратите внимание на варианты крепления стропильных ног к мауэрлату. В первом, площадку опирания обычно скашивают, ее длина при этом — не более сечения балки. Глубина врубки — не более 0,25 ее высоты.

Верх стропильных ног укладывается на коньковый брус, не скрепляя его с противоположным стропилом. Получаются по строению две односкатные крыши, которые в верхней части примыкают (но не соединяются) одна с другой.

Такую схему без наличия опыта делать не рекомендуется: при малейшей неточности выполнения появляются распорные силы и конструкция становится нестабильной.

Намного проще в сборке вариант со скрепленными в коньковой части стропильными ногами. Они практически никогда не дают распора на стены.

Вариант крепления стропил без распора на стены

Для работы этой схемы стропильные ноги внизу крепятся при помощи подвижного соединения. Для закрепления стропильной ноги к мауэрлату сверху забивается один гвоздь или снизу ставится гибкая стальная пластина. Варианты крепления стропильных ног к коньковому прогону смотрите на фото.

Если кровельный материал планируется использовать тяжелый, необходимо увеличить несущую способность. Достигается это увеличением сечения элементов стропильной системы и усилением конькового узла. Он приведен на фото ниже.

Усиление конькового узла под тяжелый кровельный материал или при значительных снеговых нагрузках

Все приведенные выше схемы двускатных крыш стабильны при наличии равномерных нагрузок. Но на практике такого практически не бывает. Предотвратить сползание крыши в сторону большей нагрузки можно двумя способами: установкой на высоте около 2 метров схватки или подкосами.

Варианты стропильных систем со схватками

Установка схваток повышает надежность конструкции. Чтобы она нормально работала, в местах ее пересечения со стоками крепить нужно к ним гвоздями. Сечение бруса для схватки используют такое же, как и для стропил.

Схемы стропильных систем двускатных крыш со схватками

К стропильным ногам крепятся ботами или гвоздями. Могут устанавливаться с одной или двух сторон. Узел крепления схватки к стропилам и коньковому прогону смотрите на рисунке ниже.

Крепление схватки к стропильным ногам и коньковому брусу

Чтобы система была жесткой и не «поползла» даже при аварийных нагрузках достаточно в таком варианте обеспечить жесткое крепление конькового бруса. При отсутствии возможности его смещения в горизонтали, крыша выдержит даже значительные нагрузки.

Системы наслонных стропил с подкосами

В этих вариантах для большей жесткости добавлены подстропильные ноги, которые еще называют подкосами. Они устанавливаются под углом 45° по отношению к горизонту. Их установка позволяет увеличить длину пролета (до 14 метров) или уменьшить сечение балок (стропил).

Подкос просто подставляется под требуемым углом к балкам и прибивается гвоздями с боков и снизу. Важное требование: подкос должен быть срезан точно и плотно прилегать к стойкам и стропильной ноге, исключая возможность ее прогиба.

Системы с подстропильными ногами. Сверху распорная система, снизу — безраспорная. Узлы правильной рубки для каждой расположены рядом. Внизу — возможные схемы крепления подкоса

Но не во всех домах средняя несущая стена расположена посередине. В этом случае есть возможность установить подкосы с углом ннаклона относительно горизонта 45-53°.

Система стропил со смещенным относительно центра вертикальным прогоном

Системы с подкосами необходимы если возможна значительная неравномерная усадка фундамента или стен. Стены садиться по-разному могут на деревянных домах, а фундаменты — на слоистых или пучнистых грунтах. Во всех этих случаях рассматривайте устройство стропильных систем такого типа.

Система для домов с двумя внутренними несущими стенами

Если в доме есть две несущие стены, устанавливают две подстропильные балки, которые расположены над каждой из стен. На промежуточные несущие стены укладываются лежни. нагрузка от подстропильных балок передается на лежни через стойки.

Системы с подстропильными балками

В данных системах коньковый прогон не ставят: он дает распорные силы. Стропила в верхней части соединяются одна с другой (подрезаются и стыкуются без зазоров), места соединения усиливаются стальными или деревянными накладками, которые прибиваются гвоздями.

В верхней безраспорной системе распирающую силу нейтрализует затяжка. Обратите внимание, что затяжка ставится под прогоном. Тогда она работает эффективно (верхняя схема на рисунке). Устойчивость может обеспечиваться стойками, или расшивками — балками, установленными наискосок. В распорной системе (на картинке она внизу) поперечине — это ригель. Он устанавливается над прогоном.

Есть вариант системы со стойками, но без подстропильных балок. Тогда к каждой стропильной ноге прибивается стойка, которая вторым концом опирается на промежуточную несущую стену.

Крепление стойки и затяжки в стропильной системе без подстропильного прогона

Для крепления стоек используются гвозди дляной 150 мм и болты 12 мм. Размеры и расстояния на рисунке указаны в миллиметрах.

Стропильная система двухскатной крыши своими руками: обзор конструкций висячего и наслонного типа

Стропила выполняют ряд значимых кровельных функций. Они задают конфигурацию будущей крыши, воспринимают атмосферные нагрузки, удерживают материал. В числе стропильных обязанностей формирование ровных плоскостей для укладки покрытия и обеспечение пространства под компоненты кровельного пирога. Для того чтобы столь ценная часть крыши безупречно справлялась с перечисленными задачами, нужны сведения о правилах и принципах ее устройства. Информация полезна и тем, кем сооружается стропильная система двухскатной крыши своими руками, и тем, кто решит прибегнуть к услугам наемной бригады строителей.

Содержание

В устройстве стропильного каркаса для скатных крыш используют деревянные и металлические балки. Исходным материалом для первого варианта служит доска, бревно, брус. Второй сооружают из металлопроката: швеллера, профильной трубы, двутавра, уголка. Есть комбинированные конструкции со стальными наиболее нагружаемыми деталями и элементами из древесины на менее ответственных участках.

Кроме «железной» прочности у металла имеется масса недостатков. К ним относятся теплотехнические качества, неудовлетворяющие владельцев жилых строений. Разочаровывает необходимость в применении сварных соединений. Чаще всего стальными стропилами оборудуют индустриальные строения, реже частные бытовки, собранные из металлических модулей.

В деле самостоятельного сооружения стропильных конструкций для частных домов в приоритете древесина. С ней работать несложно, она легче, «теплей», привлекательней по экологическим критериям. К тому же для выполнения узловых соединений не потребуется сварочный аппарат и навыки сварщика.

Основной «игрок» каркаса для сооружения крыши – стропило, в среде кровельщиков называемое стропильной ногой. Лежни, раскосы, бабки, прогоны, затяжки, даже мауэрлат могут использоваться или не использоваться в зависимости от архитектурной сложности и габаритов крыши.

Стропила, применяемые в строительстве каркаса двухскатных крыш, по техническим признакам и способу укладки подразделяются на:

  • Наслонные стропильные ноги, обе пятки которых имеют под собой надежные конструктивные опоры. Нижний край наслонного стропила упирается в мауэрлат или в потолочный венец сруба. Опорой для верхнего края может служить зеркальный аналог смежной стропилины или прогон, представляющий собой горизонтально проложенную под коньком балку. В первом случае стропильная система называется распорной, во втором безраспорной.
  • Висячие стропила, верх которых упирается друг в дружку, а низ базируется на дополнительной балке – затяжке. Последняя соединяет две нижние пятки смежных стропильных ног, в результате получается треугольный модуль, именуемый стропильной фермой. Затяжка гасит процессы растяжения, благодаря чему на стены действует только вертикально направленная нагрузка. Конструкция с висячими стропилами хоть и является распорной, но сам распор на стены не передает.

В соответствии с технологической спецификой стропильных ног сооружаемые из них конструкции делятся на наслонные и висячие. Для устойчивости конструкции оснащают подкосами и дополнительными стойками. Для устройства опор верха наслонных стропилин монтируют лежни и прогоны. В реальности стропильная конструкция намного сложнее, чем описанные элементарные шаблоны.

Отметим, что формирование каркаса двухскатной крыши может вообще производится без стропильной конструкции. В таких ситуациях предполагаемые плоскости скатов образуются слегами – балками, уложенными прямо на несущие фронтоны. Однако интересует нас сейчас конкретно устройство стропильной системы двухскатной кровли, а в нем задействованы могут быть как висячие или наслонные стропила, так и комбинация обоих типов.

Крепление стропильной системы к кирпичным, пенобетонным, газобетонным стенам производится через мауэрлат, который в свою очередь фиксируется анкерами. Между мауэрлатом, представляющим собой деревянную раму, и стенами из указанных материалов в обязательном порядке прокладывается гидроизоляционная прослойка из рубероида, гидроизола и т.д.

Верх кирпичных стен иногда специально выкладывают так, чтобы по внешнему периметру получилось нечто вроде невысокого парапета. Так надо, чтобы размещенный внутри парапета мауэрлат и стены не распирали стропильные ноги.

Видео-рекомендации желающим своими руками устроить мауэрлат:

Стропила каркаса крыш деревянных домов опираются на верхний венец либо на потолочные балки. Соединение во всех случаях выполняется врубками и дублируется гвоздями, болтами, металлическими или деревянными пластинами.

Крайне желательно, чтобы сечение и линейные размеры деревянных балок определялись проектом. Проектировщик даст четкие расчетные обоснования геометрическим параметрам доски или бруса с учетом всего спектра нагрузок и погодных условий. Если в распоряжении домашнего мастера проектной разработки нет, путь его лежит на стройплощадку дома с подобной кровельной конструкцией.

На этажность возводимого здания внимание можно не обращать. Проще и правильнее выяснить требующиеся размеры у прораба, чем узнавать их у владельцев шаткого самостроя. Ведь в руках прораба документация с четким расчетом нагрузок на 1м² крыши в конкретном регионе.

Шаг установки стропилин определяет тип и вес кровельного покрытия. Чем оно тяжелее, тем меньше должно быть расстояние между стропильными ногами. Для укладки глиняной черепицы, например, оптимальным расстоянием между стропилами будет 0,6-0,7м, а для монтажа металлочерепицы и профлиста допустимо 1,5-2,0 м. Однако даже при превышении шага, требующегося для правильно монтажа кровли, имеется выход. Это устройство усиливающей контробрешетки. Правда она увеличит и вес крыши, и бюджет строительства. Поэтому с шагом стропил разобраться лучше до сооружения стропильной системы.

Народные умельцы вычисляют шаг стропилин согласно конструктивным особенностям постройки, банально разделив длину ската на равные расстояния. Для утепленных крыш шаг между стропилинами подбирают, исходя из ширины плит теплоизоляции.

У нас на сайте вы можете найти калькулятор для расчета двухскатной крыши. который возможно вам также очень поможет при строительстве.

Стропильные конструкции наслонного типа значительно проще в исполнении, чем их висячие собратья. Обоснованный плюс наслонной схемы заключается в обеспечении полноценного проветривания, которое напрямую связано с долгосрочностью службы.

Отличительные конструктивные особенности:

  • Обязательное наличие опоры под коньковой пяткой стропильной ноги. Роль опоры может играть прогон – деревянная балка, опирающаяся на стойки или на внутреннюю стену строения, или верхний торец смежной стропилины.
  • Использование мауэрлата для возведения стропильной конструкции по стенам из кирпича или искусственного камня.
  • Применение дополнительных прогонов и стоек там, где стропильным ногам по причине крупного габарита крыши требуется дополнительные точки опоры.

Минус схемы заключается в наличии конструктивных элементов, влияющих на планировку внутреннего пространства эксплуатируемого чердака. Если чердак холодный и в нем не предполагается организация полезных помещений, то наслонной конструкции стропильной системы для устройства двухскатной крыши стоит отдать предпочтение.

Типовая последовательность работ по сооружению наслонной стропильной конструкции:

  • Первым делом промеряем высоты постройки, диагонали и горизонтальность верхнего среза остова. При выявлении вертикальных отклонений кирпичных и бетонных стен, устраняем их цементно-песчаной стяжкой. Превышение высот сруба стесываем. Путем подкладывания щепы под мауэрлат с вертикальными огрехами можно бороться, если величина их незначительна.
  • Поверхность перекрытия под укладку лежня необходимо тоже выровнять. Он, мауэрлат и прогон должны быть четко горизонтальны, но расположение перечисленных элементов в одной плоскости не обязательно.
  • Обрабатываем все деревянные детали конструкции перед установкой антипиренами и антисептическими препаратами.
  • По бетонным и кирпичным стенам прокладываем гидроизоляцию под установку мауэрлата.
  • Укладываем брус мауэрлата на стены, вымеряем его диагонали. Если понадобится, слегка передвигаем брусья и поворачиваем углы, стремясь добиться идеальной геометрии. Выравниваем раму по горизонтали при необходимости.
  • Монтируем мауэрлатную раму. Сращивание брусьев в единую раму производится посредством косых врубок, места соединений дублируются болтами.
  • Фиксируем положение мауэрлата. Крепеж производится либо скобами к загодя заложенным в стену деревянным пробкам, либо анкерными болтами.
  • Размечаем положение лежня. Его ось должна отступать от брусьев мауэрлата на равные расстояния с каждой стороны. Если прогон будет опираться только на стойки без лежня, процедуру разметки проводим только для этих столбиков.
  • Устанавливаем лежень на двухслойную гидроизоляцию. К основанию его крепим анкерными болтами, с внутренней стеной соединяем проволочными скрутками или скобами.
  • Размечаем точки установки стропильных ног.
  • Выпиливаем стойки по единым размерам, т.к. лежень у нас выставлен в горизонт. Высота стоек должна учитывать размеры сечения прогона и лежня.
  • Устанавливаем стойки. Если предусмотрено проектом, раскрепляем их распорками.
  • Укладываем на стойки прогон. Снова проверяем геометрию, затем устанавливаем скобы, металлические накладки, деревянные крепежные пластины.
  • Устанавливаем пробную стропильную доску, размечаем на ней места подрезки. Если мауэрлат выставлен строго в горизонт, нет необходимости в подгонке стропилин на крыше по факту. Первая доска может использоваться в качестве шаблона для изготовления остальных.
  • Размечаем точки установки стропилин. Народные мастера для разметки обычно заготавливают пару реек, длина которых равна просвету между стропилинами.
  • По разметке устанавливаем стропильные ноги и крепим их сначала внизу к мауэрлату, затем вверху к прогону друг к другу. К мауэрлату проволочной связкой прикручивается каждая вторая стропилина. В деревянных домах стропилины прикручивают ко второму от верхнего ряда венцу.

Если подстропильная система сделана безупречно, наслонные доски монтируются в произвольном порядке. Если уверенности в идеальном сооружении нет, то сначала устанавливаются крайние пары стропилин. Между ними натягивается контрольная бечевка или леска, согласно которой подгоняется положение вновь устанавливаемых стропил.

Завершается монтаж стропильной конструкции установкой кобылок, если длина стропильных ног не позволяет сформировать свес требующейся длины. К слову, для деревянных построек свес должен «выходить» за контур здания на 50см. Если запланирована организация козырька, под него устанавливаются отдельные мини-стропила.

Еще одно полезное видео о строительстве двухскатной стропильной основы своими руками:

Висячая разновидность стропильных систем представляет собой треугольник. Две верхние стороны треугольника сложены парой стропилин, а основанием служит соединяющая нижние пятки затяжка. Применение затяжки позволяет нейтрализовать действие распора, потому на стены с висячими стропильными конструкциями действует только вес обрешетки, кровли плюс в зависимости от сезона вес осадков.

Характерные черты стропильных конструкций висячего типа:

  • Обязательное наличие затяжки, выполненной чаще всего из древесины, реже из металла.
  • Возможность отказаться от использования мауэрлата. Раму из бруса с успехом заменит уложенная на двуслойную гидроизоляцию доска.
  • Установка на стены готовых замкнутых треугольников – стропильных ферм.

К достоинствам висячей схемы относят свободное от стоек пространство под кровлей, позволяющее организовать мансарду без столбов и перегородок. Есть недостатки. Первый из них — ограничения по крутизне скатов: угол их уклона может быть минимум 1/6 пролета треугольной фермы, настоятельно рекомендованы более крутые крыши. Второй минус заключается в необходимости доскональных расчетов для грамотного устройства карнизных узлов.

Кроме всего прочего, угол стропильной фермы устанавливать придется с ювелирной точностью, т.к. оси соединяемых компонентов висячей стропильной системы должны пересекаться в точке, проекция которой обязана попадать на центральную ось мауэрлата или заменяющей его подкладочной доски.

Затяжка – самый длинный элемент висячей стропильной конструкции. Со временем она, как свойственно всем пиломатериалам, деформируется и провисает под действием собственной массы. Владельцев домов с пролетами 3-5м указанное обстоятельство не слишком беспокоит, а вот хозяевам зданий с пролетами 6 и более метров стоит задуматься об установке дополнительных деталей, исключающих геометрические изменения затяжки.

Чтобы предотвратить провисание в схеме монтажа стропильной системы для большепролетной двухскатной крыши имеется весьма значимый компонент. Это подвеска, называемая бабкой. Чаще всего она представляет собой брусок, прикрепленный деревянными прибоинами к вершине стропильной фермы. Не следует путать бабку со стойками, т.к. ее нижняя часть вообще не должна соприкасаться с затяжкой. И установка стоек в качестве опор в висячих системах не применяется.

Суть заключается в том, что бабка как бы висит на коньковом узле, а уже к ней присоединяется затяжка с помощью болтов или прибитых деревянных накладок. Чтобы корректировать провисающую затяжку используются хомуты резьбового или цангового типа.

Регулировку положения затяжки можно устроить в зоне конькового узла, а бабку с ней соединить жестко врубкой. Вместо бруска на нежилых чердаках для изготовления описанного стягивающего элемента может быть использована арматура. Бабку или подвес рекомендуется устроить еще и там, где затяжка собирается из двух брусьев, для поддержки участка соединения.

В усовершенствованной висячей системе подобного типа бабку дополняют подкосные балки. Силы напряжения в образовавшемся ромбе гасятся самопроизвольно благодаря грамотной расстановке действующих на систему векторных нагрузок. В результате стропильная система радует стабильностью при незначительной и не слишком дорогой модернизации.

С целью увеличения полезного пространства затяжка стропильных треугольников для мансарды переносится ближе к коньку. У вполне резонного перемещения есть дополнительные плюсы: оно позволяет использовать затяжки в качестве основы для подшивки потолка. Присоединяется к стропилам она путем врубки полусковороднем с дублированием болтом. От провисания ее оберегают посредством установки короткой бабки.

Ощутимый недостаток мансардной висячей конструкции заключается в необходимости точных расчетов. Самостоятельно рассчитать ее слишком сложно, лучше воспользоваться готовым проектом.

Стоимость – немаловажный аргумент для самостоятельного строителя. Естественно, цена сооружения у обоих типов стропильных систем не может быть одинаковой, потому что:

  • В строительстве наслонной конструкции для изготовления стропильных ног используется доска или брус небольшого сечения. Т.к. наслонные стропилины имеют под собой две надежные опоры, требования к их мощности ниже, чем в висячем варианте.
  • В строительстве висячей конструкции стропила выполняют из толстого бруса. Для изготовления затяжки требуется аналогичный в сечении материал. Даже с учетом отказа от мауэрлата расход будет ощутимо больше.

Сэкономить на сортности материала не получится. Для несущих элементов обоих систем: стропилин, прогонов, лежней, мауэрлата, бабок, стоек нужен пиломатериал 2го сорта. Для ригелей и затяжек, работающих на растяжение, потребуется 1ий сорт. В изготовлении менее ответственных деревянных накладок может применяться 3ий сорт. Без подсчета можно сказать, что в сооружении висячих систем дорогой материал используется в большем объеме.

Висячие фермы собирают на открытой площадке рядом с объектом, затем транспортируют в собранном виде наверх. Для подъема увесистых треугольных арок из бруса потребуется техника, за аренду которой придется платить. Да и проект для сложных узлов висячего варианта тоже чего-то стоит.

Видео-инструктаж по устройству стропильной конструкции висячей категории:

Методов сооружения стропильных систем для крыш с двумя скатами на самом деле гораздо больше. Мы описали лишь базовые разновидности, которые в реальности применимы для небольших дачных домиков и построек без архитектурных затей. Однако представленной информации достаточно, чтобы справиться со строительством простой стропильной конструкции.

Одному пожалуй своими руками не сделать, по той простой причине, что стропильная система двухскатной крыши потребует как минимум помощника для того же подъема. Но артельно очень даже возможный вариант.

Двускатная крыша пожалуй самая распространенная сейчас, приходилось пособлять, но самому ставить конечно боязно. По конструктиву даже видать, что учитывать многое надобно, хоть и подробно все изложено… а когда мастер делает то это другое дело.

Перед началом строительства нашего будущего дома, у на возник ряд споров и вопросов, которые уже перекинулись и на некоторые форумы. Вопрос в форме крыши. Выбор стоит перед четырёх или двух скатной. Правильно ли я понимаю, что у двухскатной, преимущество только лишь в эстетической стороне и меньшей затрате материалов, а трапециевидная добавляет значительное место и возможность организации лишних жилых помещений? Сложность конструкций не обсуждается, всё равно строить буду не своими руками.

Для наслонных стропил, не раскрыт вопрос распорных и безраспорных конструкций. Да, сказано, что бывают шарниры с разным количеством степеней свободы, но не пояснено, ЧТО это значит для самостоятельного застройщика. А самостоятельный застройщик может подумать, что жестче узел — значит лучше. На самом деле узел крепления наслонных стропил к мауэрлату блокирующий сдвижку, превращает конструкцию в распорную. Т.е. усилия от прогибающихся стропил и конькового бруса, распирают стены, что при недостаточной жесткости стен, ведет к трещинам в углах и поперечных стенах. Особенно это касается домов из популярного ныне газобетона. И обязательно случится, при отсутствии монолитного пояса.

Поделитесь опытом, оставьте свой комментарий

Источники: http://srbu.ru/krysha/150-stropilnaya-sistema-dvukhskatnoj-kryshi.html, http://stroychik.ru/krysha/stropilnaya-sistema-dvuxskatnoj-kryshi, http://krovgid.com/montazh/stropilnaya-sistema-dvuxskatnoj-kryshi-svoimi-rukami.html

Сращивание стропил в районе конька крыш: расчет, установка

Коньковый брус – это верхняя перекладина, к которой крепятся стропила в крыше. Установка конькового бруса считается особым навыком в работе строителей: они должны производить специальный расчет размеров помещения, места крепления, чердака.

Каковы функции конькового бруса?

Коньковый деревянный брус и закрепленные к нему стропила призваны выполнять следующие задачи при строительстве жилья:

  1. Создать устойчивую структуру стропильной системы.
  2. Равномерно распределить силу давления и площадь по боковым периметрам.
  3. Распределить правильно вес крыши на фронтоны.
  4. Поддерживание геометрии крыши, длина которой больше 4,5 м. Это позволяет ставить стропила, не применяя шаблона. Если размеры крыши большие, тогда на коньковый деревянный брус кладут стропильную перекладину (верхней частью), а нижняя прикрепляется к мауэрлату.

Важным условием установки конькового бруса является расчет правильного сечения такой подпорки, что позволит сделать устойчивую конструкцию.

Разберемся, как рассчитать и крепить брус. Сечение прогона рассчитывается очень просто: складываются все данные нагрузок с горизонтальной проекции крыши. Размеры конькового бруса зависят от 2 основных параметров:

  1. Брусовые прогоны.
  2. Габариты здания.

Расчет параметров бруса предусматривает, что для больших зданий нужен мощный, тяжелый и довольно увесистый прогон. Но стоит учитывать, что такие размеры конькового бруса потребуют использования подъемного крана.

Средняя длина обычного бруса составляет приблизительно 6 м, поэтому для изготовления большего прогона понадобится искать дерево или так называемую клееную балку.

Закрепляемые концы конька, предварительно обработанные антисептиком, упирают в стену, в которую их вмуровывают. Дополнительную обработку проводят рубероидом и толем, что отлично защищает древесину от гниения. Цельнодеревянная балка устанавливается по-другому:

  1. Торец стесывается под углом в 60°.
  2. Концы остаются открытыми, чтобы торцы не соприкасались со стенами.

В результате чего при строительстве дома решаются сразу 2 задачи. Во-первых, площадь торца становится больше. Во-вторых, нормализуются процессы влагообмена.

Затем выполняют расчет размеров конькового бруса, который должен быть установлен в стене и пройти сквозь нее, нужно учесть соприкасание со стеной. Поэтому конец прогона необходимо хорошо обработать антисептиком и обернуть рулонным материалом. Подобная конструкция применяется, чтобы сделать разгружающуюся консоль.

При правильно подобранном сечении для цельнодеревянного бруса нужно учитывать, что балка в коньке в любой момент способна прогнуться под тяжестью собственного веса. Опытные строители рекомендуют устанавливать строительную ферму, чтобы закрепленный коньковый деревянный брус не поломался.

Расчет сечения конькового бруса

Расчет сечения требует учитывать следующие параметры, по которым и будет проводиться вычисление необходимого размера:

  • данные на прогиб;
  • прочность к разрушению.

Чтобы определить сечение, необходимо применять специальные формулы, в которых каждый показатель имеет важное значение. Отдельным расчетом определяются такие данные, как:

  1. Внутреннее напряжение (Σ = М:W).
  2. Прогиб прогона (по формуле f = 5qL³L:384EJ).
  3. Размеры сечения балки определяются по формуле h = √¯(6W:b).

Данные к каждой формуле указаны ниже:

Σ = М:W (определение внутреннего напряжения), где Σ является величиной, которую надо найти. М – это предельный изгибающий момент, который вычисляется в кг/м. W- это сопротивление на прогиб установленного сечения.

Расчет прогиба прогона осуществляется при помощи других данных, которые нужно подставить в формулу f = 5qL³L:384EJ.

Буква J означает момент инерции, для получения которого нужно знать габариты сечения прогона (высоту и ширину, обозначаемые буквами h и b). Потом показатель h нужно возвести в куб и умножить на b. Полученное значение делится на 12.

Параметр Е – это упругость модуля, который принимается в расчет и является индивидуальным для каждого типа древесины.

Изгибающий момент нужно вычислять по формуле h = √¯(6W:b), где b- это ширина балки в сантиметрах, W- сопротивление прогона на изгиб. Получить W можно, если разделить М (самый большой момент изгиба) на 130.

Значения ширины и высоты, которые получают после вычисления, необходимо округлять в сторону увеличения. Если строитель боится допустить ошибку, нужно обратиться к специалистам, которые сделают расчет параметров, определят, каким должен быть закрепляемый брус и прогон.

Установка конькового бруса

Рассмотрим, как крепить коньковые брусья. Они производятся только из качественного пиломатериала, что связано с важностью конструкции, которая должна выполнять функции длительной и надежной эксплуатации, нести нагрузку, быть безопасной для жильцов здания.

Важно, чтобы прогон не делал вес крыши больше, иначе прочность конструкции будет под вопросом. Стропила же должны служить долго, выполняя возложенные функции. С этой целью для конькового бруса часто используется сосновый пиломатериал, сечение которого 20х20 см.

Крепление стропил к коньковому брусу подбирается в зависимости от типа здания: жилого или хозяйственного назначения. В зависимости от этого и будет подбираться материал конька, его сечение и размеры.

Например, для бани обычно применяют хорошо просушенную лиственницу, которая отличается более тяжелым весом и прочностью к нагрузкам. Также лиственница отлично справляется с паром, задерживает тепло и держит черепицу.

Жилые здания строят из сосны, поскольку крышу принято покрывать так называемой гибкой черепицей.

Лиственницу для изготовления бруса применяют, если дом будет покрываться тяжелой черепицей, для которой нужна прочная и крепкая строительная каркасная конструкция. Важно, чтобы стропила держали не только саму крышу, но и не становились лишним весом для стен. Они должны идеально держать прогоны, не прогибаться под ними.

Для того чтобы сделать стропилам центральную опору, нужно установить брус. Его концы будут упираться в параллельные несущие стены. Правильный монтаж такой конструкции требует вычисления таких данных, как:

  1. Среднегодовое количество осадков, которые выпадают в той или иной местности.
  2. Есть в регионе сильные ветры или нет.
  3. Проектная ширина дома.

Брус коньковый позволяет избежать таких процессов в строительстве дома, как забивание гвоздей, сверление дрелью. В результате чего можно избежать образования щелей, сохранить целостность бруса и обеспечить надежность всей системе стропил.

Двускатная крыша также требует применения конькового прогона, который впоследствии выполняет функции конька крыши.

Для того чтобы построить жилой дом размером 6х6 м, рекомендуется брать прогон, сделанный из бревна или цельного бруса. Прогон будет опираться на 2 фронтона, и никаких опор не понадобится.

Если же длина дома будет больше 6 м, тогда разрешается применять строительные фермы и составной коньковый прогон. Важно, чтобы брус лежал на наружных фронтонах.

Крепление конькового бруса проводится разными методами, что позволяет соединять брусья нужным образом. Главная цель каждого соединения – сделать конструкцию прочной и надежной.

Современные технологии позволяют соединять брусья между собой так, чтобы не применять никакие дополнительные материалы для утепления.

Если проектная документация составлена правильно, то дом получится не просто крепким, способным держать крышу, но и станет экологически чистым и надежным для жилья.

Размеры стропильной ситемы и её элементов, как правильно рассчитать

Пусть сооружение стропильной системы кажется довольно простым делом, но оно требует точных математических расчётов. Правильные размеры элементов несущей конструкции не позволят кровле быть хрупкой и спасут хозяина дома от чрезмерных денежных трат.

Расчёт параметров стропильной системы

Стропильную систему образуют не только стропильные ноги. В конструкцию входят мауэрлат, стойки, подкосы и другие элементы, размеры которых строго стандартизированы. Дело в том, что составляющим стропильной системы полагается выдерживать и распределять определённые нагрузки.

Элементы стропильной системы простой двускатной крыши — это стропила, прогон (коньковая доска), стойки, лежень, мауэрлат и подстропильные ноги (подкосы)

Мауэрлат

Мауэрлат — это конструкция из четырёх брусьев, соединяющая кирпичные, бетонные или металлические стены дома с деревянной несущей конструкцией крыши.

Брус мауэрлата должен занимать 1/3 места наверху стены. Оптимальное сечение этого пиломатериала — 10х15 см. Но существуют и другие подходящие варианты, например, 10х10 либо 15х15 см.

Главное, для создания мауэрлата не брать брусья шириной менее 10 см, так как они сильно подведут в вопросе прочности. А вот пиломатериал шириной более 25 см в надёжности сомнений не вызовет, однако будет давить на дом так, что тот в скором времени начнёт разрушаться.

Мауэрлат должен быть уже стены, иначе он будет оказывать на стены чрезмерное давление

Идеальная длина бруса для основания под стропильную систему равна длине стены. Соблюсти это условие не всегда получается, поэтому мауэрлат позволительно сооружать и из отрезков полностью или хотя бы примерно одинаковых по длине.

Лежень

Лежень выступает элементом стропильной системы, который находится в лежачем положении и служит основанием для стойки (бабки) несущей конструкции кровли.

В качестве лежня обычно берётся брус такого же сечения, как и мауэрлат. То есть оптимальный размер горизонтального элемента на внутренней несущей стене — 10х10 или 15х15 см.

Коньковый брус

Из-за размеров конькового бруса, в который стропила упираются верхним концом, вес крыши не должен выходить за допустимые рамки. Это значит, что для конька требуется брать брус довольно прочный, но нетяжёлый, чтобы под его давлением не прогнулись другие элементы несущей конструкции кровли.

Наиболее подходящий сосновый пиломатериал для конька крыши — это брус сечением 10х10 см или 20х20 см, как у стоек конструкции.

Кобылка

Кобылка — это доска, удлиняющая стропило, если оно недопустимо короткое.

При использовании кобылок стропильные ноги обрезают вровень с наружной стеной. А доски, удлиняющие их, подбирают таким образом, чтобы они образовывали необходимый свес крыши и были не толще самих стропил.

К длине кобылки обязательно добавляют лишние 30–50 см, которые уйдут на совмещение стропила с дополнительной доской и сделают соединение каркаса и свеса кровли максимально крепким.

Стойки

Стойка — это то же самое, что и центральная опора. Высоту вертикального бруса в стропильной системе принято находить по формуле h = b1xtgα – 0,05. h — это высота стойки, b1 – половина ширины дома, tgα – тангенс угла между стропилом и мауэрлатом, а 0,05 — это примерная высота коньковой балки в метрах.

Стойки рекомендуется создавать из брусьев сечением 10х10 см.

Главное требование к стойкам — устойчивость, поэтому в качестве них выбирают толстые, как лежень, брусья

Подкосы

Подкосом называется элемент стропильной системы, который под углом не менее 45° (по отношению к горизонтали среза стен) одним концом монтируется на стропиле, а другим — на затяжке, проложенной в направлении от одной стены дома к другой, вплотную к вертикальной стойке.

Длину подкоса определяют по теореме косинусов, то есть по формуле a² = b² + c² — 2 x b x c x cosα для плоского треугольника. a обозначает длину подкоса, b — часть длины стропила, c — половину длины дома, а α – угол, противолежащий стороне a.

Ширина и толщина подкосов должна быть идентична этим же размерам у стропильной ноги. Это значительно облегчит задачу по закреплению элемента в каркасе кровли.

Затяжка

Затяжка устанавливается у основания стропильной системы и играет роль балки перекрытия. Длина этого элемента определяется протяжённостью здания, а его сечение не отличается от параметра стропильных ног.

Скользящая опора для стропил

Скользящая опора или элемент стропильной системы, позволяющий ей приспосабливаться к изменению конфигурации, должен характеризоваться следующими параметрами:

  • длина — от 10 до 48 см;
  • высота — 9 см;
  • ширина — 3–4 см.

Размер скользящей опоры должен позволять хорошо фиксировать стропила на основании кровли

Доски или брусья для стропил

Размер досок, которые станут стропилами крыши с симметричными скатами, определить нетрудно. В этом поможет формула из теоремы Пифагора c² = a²+ b², где c выступает в качестве необходимой протяжённости стропильной ноги, a обозначает высоту от основания кровли до конькового бруса, а b — ½ часть ширины здания.

Параметры стропил, отличающихся асимметрией, тоже узнают по формуле Пифагора. Однако показателем b в этом случае будет уже не половина ширины дома. Это значение для каждого ската придётся измерять отдельно.

Стропилами обычно становятся доски толщиной от 4 до 6 см. Минимальный параметр идеален для строений хозяйственного назначения, например, гаражей. А стропильную систему обычных частных домов создают из досок толщиной 5 или 6 см. Средний показатель ширины главных элементов несущей конструкции кровли — 10–15 см.

При большом шаге и значительной длине сечение стропил непременно увеличивают. Допустим, когда расстояние между ногами несущей конструкции крыши достигает 2 м, для стропил выбирают сечение 10×10 см.

На длину стропила влияет степень наклона кровли и протяжённость пространства между стенами, расположенными друг против друга. С увеличением уклона крыши длина стропильной ноги растёт, как и её сечение.

Угол стропила

Величину угла стропила определяют по формуле α = Н / L, где α – это угол наклона кровли, Н — высота конькового бруса, а L — половина пролёта между противоположными стенами дома. Полученное значение переводят в проценты по таблице.

Для каждого элемента стропильной системы существуют усреднённые данные о размерах. На них можно ориентироваться, однако лучше высчитывать параметры стоек, подкосов и иных составляющих несущей конструкции кровли в специальных программах на компьютере или с помощью сложных геометрических формул.

Источник: https://rinnipool.ru/raznoe/konkovyj-brus-sechenie.html

Монтаж стропильной системы своими руками: вальмовой, деревянной, скользящей, висячей

Для хорошей кровли очень важно, чтобы каждый шаг при её создании прошёл идеально. Основа всей конструкции крыши — это стропильная система, от конфигурации которой зависит тип верхней части здания. Существуют разные виды таких систем, среди которых необходимо подобрать наиболее подходящую для себя, ведь от правильности вашего выбора зависит функциональность и качество всей кровли.

Типы стропильной системы

Устройство кровли при возведении здания имеет существенное значение. А чтобы крыша была достаточно прочной, особое внимание уделяется несущим системам, которые делятся на:

  • комбинированные;
  • висячие;
  • наслонные.

Кровля — это довольно сложная конструкция, состоящая из разнообразных деталей. Основное требование, предъявляемое к крыше, это способность защищать строение от всевозможных погодных условий и выдерживать разные нагрузки.

Главные нагрузки кровли приходятся именно на стропильную систему, поэтому очень важно подобрать нужные материалы, всё правильно рассчитать и сделать монтаж в соответствии с технологией.

Установка висячих стропил

Висячие стропила предназначены для зданий, внутри которых нет капитальных перегородок, а между общими несущими и боковыми стенами расстояние составляет не более 10 метров.

Конструкция кровли в данном варианте ложится на основные стены здания, но из-за этого она подвергается действию высоких нагрузок.

Чтобы напряжение было немного слабее, применяют дополнительные детали (затяжки или ригели), которые скрепляют ферму в горизонтальном положении.

Нижние затяжки соединяются в основании стропил и могут быть применены как балки для чердачного перекрытия, при этом их необходимо уложить на мауэрлат. Для изготовления висячих стропил обычно берётся доска с сечением 50х200 мм, однако каждое индивидуальное здание нуждается в своих конкретных расчётах.

Последовательность действий по монтажу висячих стропил:

  1. Вначале на несущие боковые стены устанавливается мауэрлат. Крепление мауэрлата на боковые несущие стены удобно выполнять при помощи винтовых шпилек, заранее вмурованных в каркас здания
  2. В нижней части кровли висячие стропила врезаются в мауэрлат. Изначально первая стропильная пара делается на земле и используется в качестве шаблона. Остальные пары висячих стропил делаются по нему. Далее все стропильные фермы поднимают на самый верх строения и устанавливают по одной. Чтобы они стояли устойчиво, их нужно закрепить временными подкосами. Крепление стропильных ног к мауэрлату выполняется стальными пластинами с обеих сторон
  3. Далее устанавливается коньковый прогон с соблюдением правильного расстояния между всеми стропилами. Коньковый прогон связывает стропильные фермы в верхней части и фиксирует их в вертикальном положении
  4. Каждая стропильная пара укрепляется стягивающими досками. После этого производится окончательная затяжка мест крепления стропил к мауэрлату. При этом могут применяться болтовые соединения.
  5. Если пролёт между стенами превышает 10 метров, система дополнительно укрепляется откосами и стойками.

Монтаж наслонных стропил

Наслонные стропила в основном устанавливаются в тех зданиях, где присутствуют несущие перегородки. Их монтировать намного легче, чем висячую систему, поскольку надёжной опорой для стропил служат прочные несущие стены, расположенные внутри дома. Кроме того, для этой системы необходимо минимальное количество стройматериалов.

Коньковая доска в этом случае служит опорной точкой. Такая кровельная система устанавливается в одном из трёх вариантов:

  1. Верхняя сторона кровельной наслонной системы крепится на опоре конька, а нижняя — врубается в мауэрлат. К стене крепится скобами или проволокой.
  2. Верхняя часть стропил подрезается под нужным углом, а затем соединяется железными пластинами. Нижняя часть стропил монтируется к мауэрлату специальными подвижными креплениями.
  3. Стропила крепятся досками или брусками сверху. Бруски располагаются горизонтально и параллельно друг другу. С двух сторон стропила монтируются под определённым углом, а между ними устанавливается коньковый прогон.

Чтобы закрепить стропила в нижней части кровли, необходимо использовать скользящие крепления, которые избавляют несущие перегородки от дополнительного напряжения. В этом случае стропила не фиксируются очень плотно, благодаря чему при усадке здания они могут сдвигаться, не перегружая тем самым конструкцию крыши.

Но в некоторых случаях можно использовать распорную систему, которая плотно крепится к мауэрлату внизу. Подкосы и затяжки монтируют в конструкцию для уменьшения нагрузки на стены. Этот способ носит название комплексный, поскольку объединяет элементы двух систем.

Такая кровельная система применяется в основном для возведения частных строений, поэтому стоит упомянуть о монтажных работах, которые производятся в следующей последовательности:

  1. На построенные основные стены здания кладётся гидроизоляционный материал, например, рубероид.
  2. Мауэрлат крепится к каркасу через гидроизоляцию с помощью металлических анкеров.
  3. Стропила устанавливаются на мауэрлат и закрепляются жёсткими или подвижными скользящими креплениями. Можно стропила зафиксировать проволочной скруткой внутри стены. Для этого надо вбить костыль на расстоянии 30 сантиметров от мауэрлата и прикрутить на него проволоку. Потом зафиксировать костыль на стропилах. Подобный крепёж сохраняет кровлю даже во время порывистых ветров. Наслонные стропила крепятся к мауэрлату металлическими уголками или специальными подвижными элементами
  4. Свес шириной до 60 см формируется следующим образом — стропильные ноги выводятся за границы несущих стен. Эта конструкция надёжно защитит стены от осадков. Если стропильные ноги по длине доходят только до мауэрлата, их удлиняют при помощи деталей, называемых кобылками. Для удлинения стропил на них набивают доски определённой длины — кобылки
  5. Стропильная система закрепляется прогонами, стойками, а также подкосами. На последнем этапе стропильные фермы связываются коньковыми прогонами и дополнительными подкосами, а также устраиваются фронтонные свесы

Монтажные работы по установке наслонной системы должны начинаться с настила досок на балки перекрытия. Такое приспособление поможет провести работы комфортно и безопасно.

Комбинированная кровельная система

Комбинированные стропила имеют в своей конструкции элементы из наслонных и висячих систем. Используются они при изготовлении мансардной кровли. Стены комнат на втором этаже получаются благодаря вертикальным стойкам, которые для стропильных балок являются точкой опоры.

Горизонтальные брусья, которые были установлены поверх стоек, выполняют две функции: для верхних скатов они являются мауэрлатом, а для боковых — коньковым брусом. Некоторая часть стропильной системы, которая соединяется вверху концов стоек, одновременно становится затяжкой для верхних элементов и ригелем для скатов, расположенных по бокам.

Чтобы увеличить прочность конструкции, надо произвести монтаж подкосов, которые закрепляют стропила и вертикальные стойки крыши. Изготавливать комбинированные стропила немного тяжелее, чем другие системы, зато трудоёмкость работ возмещается увеличением несущих характеристик крыши и наличием полноценного помещения под кровлей.

Фотогалерея: варианты стропильных систем

В конструкции вальмовой крыши используются наслонные стропилаДля крыши-конверта возводится стропильная система, аналогичная мансарднойВ конструкциях ломаных крыш в местах стыков присутствуют специальные стропила, поддерживающие ендовыМногощипцовые крыши состоят из нескольких разных стропильных систем, объединённых в одно целоеВ стропильной системе мансардной кровли один и тот же элемент может являться одновременно мауэрлатом и коньком

Монтаж стропильной системы кровли

Стропильная система изготавливается из хвойных пород дерева. Можно использовать доски или брус, которые до монтажа обрабатываются антисептическими веществами. Крепёж может быть следующим:

  • платки из дерева;
  • пластины из металла;
  • разнообразные врубки;
  • гвозди.

Приступая к установке стропил, выводят уровень перекрытий и несущих стен, после чего настилают гидроизоляцию. Подстропильная конструкция необходима для того, чтобы предотвратить деформацию стропил. В качестве опорных элементов, которые дают стропильной системе устойчивость, могут служить:

  • лежаки;
  • подкосы;
  • прогоны;
  • стойки.

Утепление кровли необходимо, но для этого следует выбрать материал для гидро-, тепло- и пароизоляции. Монтаж производится послойно и только в той последовательности, в которой необходимо: изначально паро-, потом тепло- и в завершение влагоизоляционный материал.

Для обеспечения длительной эксплуатации стропильной системы устраивается необходимая циркуляция воздуха с помощью установки отверстий для вентиляции. Чтобы не было протеканий, возле отверстий делают «воротники», не позволяющие проникать воде под крышу.

Каким образом крепится мауэрлат

Мауэрлат — это фундамент кровли, поэтому стоит относиться к его закреплению ответственно. В противном случае ремонт крыши в будущем будет неизбежным. Последовательность работ:

  1. По всему периметру строения производится монтаж гидроизоляционного материала.
  2. Брус раскладывается на верхний торец стен. При необходимости части бруса сращивают между собой.
  3. Проверяется правильность геометрической формы равенство длин диагоналей. Для проверки можно использовать леску или верёвку. Равенство диагоналей означает, что углы, образованные соседними частями мауэрлата, являются прямыми. При необходимости положение бруса корректируется.
  4. Углы мауэрлата скрепляются между собой.
  5. Мауэрлат плотно закрепляется при помощи шпилек или проволоки. Если вы используете шпильки, то в мауэрлате сверлятся отверстия. Затяжка производится в несколько приёмов.

Способы крепления кровельного мауэрлата и сращивание стропил

Мауэрлат крепится к стенам здания по всему периметру, при этом крепления должны находиться в непосредственной близости от внутренней части стены. Снаружи дома деревянная деталь защищается незначительным выступом стены. Также изначально определяется место для крепления.

Как закрепить мауэрлат к стене

Мауэрлат к стене можно прикрепить следующими способами:

  1. С помощью проволоки, которая закладывается между двумя кирпичами. Её длина подбирается так, чтобы в итоге проволокой можно было обвязать полностью брус. Количество проволоки должно соответствовать числу стропильных ног.
  2. Винтовые шпильки. В кладку внедряют арматуру по высоте минимум за 3 ряда до начала кровли. Размер арматуры — 10 мм. Шпильки, загнутые в Г-образную форму, связывают с арматурным каркасом. Длина шпильки подбирается так, чтобы оставшаяся над поверхностью стенового каркаса часть была на несколько сантиметров больше, чем толщина мауэрлата. Затем конструкцию заливают бетоном. В брусе мауэрлата сверлят ответные отверстия и надевают его на шпильки. Далее мауэрлат фиксируется гайками.
  3. Деревянные пробки. Их закладывают в здание по габаритам в один кирпич и обрабатывают антисептиками. Можно заложить пробки под мауэрлат и закрепить железными скобами.

Как закрепить стропила к мауэрлату

Все варианты крепления кровельной стропильной системы к мауэрлату можно поделить на такие виды:

  1. Скользящее крепление. Производится за счёт запила и монтажа ноги стропильной системы на мауэрлат. Установка осуществляется при помощи специальной комбинации металлических пластин, которые при зацеплении друг за друга получают возможность перемещения в заданных пределах. За счёт этого обеспечивается возможность небольшого смещения стропил при усадке и сезонных деформациях здания.
  2. Жёсткое крепление. Этот вариант используется для устройства наслонных стропил. В стропильной системе осуществляется врубка по специальному шаблону, а затем каждая нога упирается в мауэрлат и фиксируется гвоздями.

Как крепятся стропила на уровне конька

Наиболее распространённым вариантом крепления стропил к коньку является стыковое соединение:

  • каждое стропило нужно обрезать под определённым углом, расположенным в верхнем крае. Этот угол должен быть точно равен углу наклона скатов;
  • стропильные ноги в местах среза нужно скрепить несколькими гвоздями длиной в 150 мм;
  • вбивать гвозди надо под углом таким образом, чтобы они проникли в другое стропило на достаточную глубину;Можно использовать разные варианты крепления стропильных ног под коньком
  • накладки из дерева и металла помогают укрепить стропильную систему. Они закрепляются болтами или гвоздями.Металлические накладки используются для упрочнения конструкции стропил в области конька

Варианты сращивания стропил

В строительной сфере повсюду используются разнообразные варианты стропильного сращивания, при этом, подбирая определённую технологию, надо обратить внимание на характеристики конструкции стропильной системы, на которые влияют:

  • приобретённые материалы;
  • технические данные стройплощадки;
  • шаг монтажа стропил.

Стропила могут сращиваться следующим образом:

  1. Встык — наиболее быстрый и надёжный вариант, чтобы удлинить стропила. Для этого сращиваемые детали обрезаются под углом в 90 градусов. Чтобы в месте соединения отсутствовал прогиб, потребуется высокая точность. Стропила закрепляются накладками из металла или дерева, скрепляемых гвоздями в шахматном порядке.
  2. Косой прируб — это места стыков деталей стропил, которые подрезаются под углом в 45°. Крепёжным элементом служит 12 или 14-миллиметровый болт, монтирующийся в середине места стыка.
  3. Внахлёст — это простой вариант, поскольку в нем не нужна особая точность. Нахлест может составлять от 80 до 100 см. Далее стропила фиксируются с помощью гвоздей по всей длине сращиваемых досок. Гвозди вбиваются только в шахматном порядке, чтобы брусья не разомкнулись под большим весом кровельного материала. Можно также использовать шпильки или болты, однако изначально надо проделать для них отверстия. Подобный способ отличается высокой надёжностью сращённых стропил, но он более трудоёмкий.

Каждая разновидность стропильной системы имеет свои характерные особенности и подходит только для определённого вида конструкции кровли. Именно от правильной установки стропил зависит не только надёжность, но и прочность кровли, поэтому к данному этапу работ необходимо подходить с максимальной ответственностью.

Источник: https://roofs.club/kryshi/montazh-stropilnoy-sistemyi.html

Установка стропил: пошаговая инструкция

Стропила служат основой всей кровельной конструкции, а их монтаж – одна из наиболее ответственных задач при строительстве дома.

Каркас будущей крыши можно изготовить и установить самостоятельно, соблюдая технологические особенности кровель разных конфигураций.

Приведем основные правила по разработке, расчету и выбору стропильной системы, а также опишем поэтапно процесс установки «скелета» крыши.

Стропильная система: правила расчета и разработки

Стропильная система – несущая конструкция, способная оказывать сопротивление порывам ветра, принимать на себя все наружные нагрузки и равномерно распределять их на внутренние опоры дома.

При расчете стропильной конструкции учитывают следующие факторы:

  1. Угол наклона крыши:
    • 2,5-10% – плоская кровля;
    • более 10% – скатная кровля.
  2. Нагрузки на крышу:
    • постоянные – общий вес всех элементов «кровельного пирога»;
    • временные – давление ветра, тяжесть снега, вес людей, которые проводят на крыше ремонтные работы;
    • форс-мажорные, например, сейсмические.

Величину снеговых нагрузок рассчитывают исходя из особенностей климата региона по формуле: S=Sg*m, где Sg – вес снега на 1 м2, m –расчетный коэффициент (зависит от наклона кровли). Определение ветровой нагрузки базируется на таких показателях: тип местности, нормативы ветровой нагрузки региона, высота здания.

При разработке стропильной системы надо рассчитать параметры всех составляющих конструкции.

Элементы стропильной конструкции

Стропильная система включает в себя множество составляющих, выполняющих конкретную функцию:

  1. Мауэрлат – основа конструкции кровли. «Фундамент» крыши крепится по периметру стен и равномерно распределяет нагрузку, защищает постройку от опрокидывания. Мауэрлат изготавливается из бруса, в деревянном доме роль этого составляющего выполняет верхняя обвязка стен.
  2. Стропильные ноги – удерживают вес кровельного пирога. Между стропилами укладываются листы утеплителя, а сверху монтируется обрешетка.                       Прогоны – брусья, горизонтально расположенные вдоль кровли. Выступают как опора для стропильных ног. Различают коньковый прогон (находится на вершине кровли, удерживает стропила) и боковые прогоны (находятся посередине стропильных ног).
  3. Стойки – дополнительные упоры для конька и стропил, берут на себя часть веса конструкции.
  4. Подкосы – наклонные брусья, подпирающие стропильные ноги. Усиливают прочность и жесткость сооружения.

Материалы для изготовления стропил

Стропила чаще всего изготавливают из деревьев хвойных пород (ель, лиственница или сосна). Для обустройства кровли применяют хорошо просушенную древесину с уровнем влажности до 25%.

Деревянная конструкция имеет один существенный недостаток – со временем стропила могут деформироваться, поэтому  в несущую систему добавляют элементы из металла.

С одной стороны металл добавляет жесткости стропильному сооружению, но с другой – снижает срок эксплуатации деревянных частей. На металлических площадках и опорах оседает конденсат, который приводит к загниванию и порчи древесины.

В промышленном строительстве используют металлические стропила, выполненные из стального проката (двутавра, тавра, уголков, швеллера и т.д.). Такая конструкция более компактна, чем деревянная, но хуже удерживает тепло, и поэтому требует дополнительной теплоизоляции.

Выбор стропильной системы: висячие и навесные конструкции

Существуют два виды стропильных конструкций: висячие (распорные) и наслонные. Выбор системы определяется типом кровли, материалом перекрытия и природными условиями региона.

Висячие стропила опираются исключительно на внешние стены дома, промежуточные опоры не задействуются. Стропильные ноги висячего типа выполняют работу на сжатие и изгиб. Конструкция создает горизонтальное распирающее усилие, передающееся к стенам. При помощи деревянных и металлических затяжек можно снизить эту нагрузку. Затяжки монтируют у основания стропил.

Висячая стропильная система часто используется для создания мансарды или в тех ситуациях, когда пролеты на крыше составляют 8-12 м, а дополнительные опоры не предусмотрены.

Наслонные стропила монтируются в домах с промежуточной столбчатой опорой или дополнительной несущей стеной. Нижние края стропил фиксируются на внешних стенах, а их средние части – на внутреннем простенке или несущем столбе.

Установка единой кровельной системы над несколькими пролетами должна включать распорные и наслонные стропильные фермы. В местах с промежуточными опорами монтируют наслонные стропила, а где их нет – висячие.

Особенности обустройства стропил на разных крышах

Двускатная крыша

Двускатная крыша, согласно строительным нормам, имеет угол наклона до 90°. Выбор наклона во многом определяется погодными условиями местности. В районах, где преобладают обильные осадки лучше устанавливать крутые скаты, а там, где господствуют сильные ветра – пологие кровли, чтоб максимально снизить давление на сооружение.

Распространенный вариант двускатной крыши – конструкция с углом наклона 35-45°. Такие параметры специалисты называют «золотой серединой» расхода строительных материалов и распределения нагрузки по периметру здания. Однако в таком случае чердачное помещение будет холодным и здесь не получится обустроить жилую комнату.

Для двускатной крыши применяется наслонная и висячая стропильная система.

Шатровая крыша

Все скаты крыши имеют одинаковую площадь и одинаковый угол наклона. Конькового прогона здесь нет, а стропила соединяются в одной точке, поэтому монтаж такой конструкции достаточно сложен.

Шатровую крышу целесообразно устанавливать при выполнении двух условий:

  • основание постройки квадратной формы;
  • в центре сооружения имеется несущая опора или стена, на которую можно будет зафиксировать стойку, поддерживающую стык стропильных ног.

Создать шатровую крышу можно и без стойки, но при этом конструкцию надо усилить дополнительными модулями – стойками затяжками.

Вальмовая крыша

Традиционная конструкция вальмовой кровли предполагает наличие накосных стропил (диагональных), направленных к углам постройки. Угол наклона ската такой крыше не превышает 40°. Диагональные прогоны обычно делают с усилением, так как именно на них приходится существенная часть нагрузки. Изготовляют такие элементы из сдвоенной доски и прочного бруса.

Места стыковки элементов обязательно подпираются стойкой, которая повышает надежность сооружения. Опора располагается на расстоянии ¼ длины больших стропил от конька. На месте фронтонов двускатной крыши устанавливаются укороченные стропила.

Стропильная конструкция четырехскатной кровли может включать очень длинные диагональные элементы (более 7 м). В этом случае под стропила надо монтировать вертикальную стойку, которая будет опираться на балку перекрытия. В качестве опоры можно использовать шпренгель – балка располагается в углу крыши и фиксируется на смежных стенах. Шпренгельную ферму усиливают подкосами.

Ломаная крыша

Ломаные крыши обычно создаются для обустройства большей мансарды. Установку стропил при таком варианте кровли можно разбить на три этапа:

  1. Монтаж П-образной конструкции – опоры для прогонов, которые удерживают стропильные ноги. Основание конструкции – балки перекрытия.
  2. Устанавливается не менее 3-х прогонов: два элемента проходят по углам П-образного каркаса, а один (коньковый прогон) монтируется по центру мансардного перекрытия.
  3. Монтаж стропильных ног.

Двухскатная крыша: установка стропил своими руками

Расчет угла наклона и нагрузок

Расчет двухскатной крыши конечно можно произвести самостоятельно, но все же лучше это доверить профессионалам, чтоб исключить погрешности и быть уверенным в надежности конструкции.

При выборе угла наклона надо учесть, что:

  • угол 5-15° подходит не для всех кровельных материалов, поэтому сначала выбирают тип покрытия, а потом делают расчет стропильной системы;
  • при угле наклона свыше 45° – возрастают материальные расходы на закупку составляющих «кровельного пирога».

Пределы нагрузки от воздействия снега колеблются от 80 до 320 кг/м2. Расчетный коэффициент для крыш с углом наклона меньше 25° составляет 1, для кровли с уклоном от 25° до 60° – 0,7. Это значит, что если на 1 м2 приходится 140 кг снежного покрова, то нагрузка на крышу со скатом под углом 40° составит: 140*0,7=98 кг/м2.

Для подсчета ветровой нагрузки берется коэффициент аэродинамического влияния и колебания ветрового давления. Значение постоянной нагрузки определяется суммированием веса всех составляющих «кровельного пирога» на м2 (в среднем – 40-50 кг/м2).

Исходя из полученных результатов, узнаем общую нагрузку на кровлю и определяем количество стропильных ног, их размер и сечение.

Монтаж мауэрлата и стропил

Установку стропил своими руками начинают с монтажа мауэрлата, который фиксируется анкерными болтами к продольным стенам.

Дальнейшее возведение конструкции выполняется в такой последовательности:

  1. Сделать шаблон, по которому собирается стропильная система. Взять две доски (длина одной доски равна длине стропил) и соединить между собой гвоздем.
  2. Получившиеся «ножницы» уложить двумя краями в места, где будут крепиться стропильные ноги. Зафиксировать угол между балками поперечной перекладиной.
  3. Из фанеры изготовить еще один шаблон – он понадобится для изготовления монтажных запилов на стропилах.
  4. С помощью шаблона вырезать на стропилах монтажные запилы и соединить их под выбранным углом наклона ската. В результате получается стропильная ферма.
  5. Фермы поднять на крышу и прикрепить к мауэрлату:
    • установить фронтальные (крайние) фермы;
    • между вершинами фронтальных ферм натянуть веревку – она обозначит месторасположение будущего конька и станет ориентиром для крепления остальных стропильных ног;
    • монтаж остальных ферм (расстояние между стропильными элементами – не меньше 0,6 м).
  6. При необходимости, укрепить конструкцию подкосами, ригелями и подпорами.
  7. Коньковый прогон установить на специальные опоры и прикрепить к нему короткие, диагональные и промежуточные стропила.

Общие рекомендации по монтажу стропильной системы

  1. Затяжки для усиления стропил изготовляются по такому принципу:  чем ближе к коньку располагаются затяжки, тем массивнее они должны быть. Их надо делать из деревянного бруса большего сечения и обязательно проконтролировать надежность соединительных узлов.
  2. Для того чтоб капли дождя не попадали верхние края стен дома и на стропильную конструкцию, необходимо сделать свес (длина от 55 см).
  3. Стропила  из древесины перед установкой обязательно надо обработать антисептическим, противогрибковым средством и антипиренами для обеспечения пожаробезопасности.
  4. При болтовом соединении стропильных элементов обязательно надо использовать металлические пластины или шайбы – они помогут не допустить «утапливания» гайки в древесину.

Источник: http://strport.ru/stroitelstvo-domov/ustanovka-stropil-poshagovaya-instruktsiya

Сращивание стропил у конька

Для того чтобы крыша дома прослужила долгие годы при ее возведении необходимо должное внимание обратить не только на соблюдение схемы монтажа кровельного настила но и правильно установить все элементы стропильного скелета.

Основные составляющие стропильного скелета

При создании стропильного скелета одним из важнейших этапов является сращивание стропил в районе конька. Для того чтобы было проще понять как именно необходимо выполнять данный этап работ давайте для начала разберемся с тем из каких элементов состоит стропильная система.

  • Мауэрлат – брус необходимого сечения, который фиксируется горизонтально по всей поверхности несущей стены и выполняет роль опоры для стропильных ног, а также обеспечивает распределение нагрузки от веса крыши по всей поверхности несущих элементов постройки.
  • Стропила – брусья, которые формируют угол уклона скатной крыши. Нижние основания стропил фиксируются на мауэрлате, а верхние либо соединяются между собой, либо крепятся к коньковому прогону.
  • Затяжка – горизонтально устанавливаемый брус, который обеспечивает надежное соединение нижних оснований блоков стропильных ног. Чаще всего используются в случае создания стропильной системы висячего типа.
  • Подкосы и подмога. Элементы, применяемые для усиления стропил в тех случаях, когда их длина превышает 5-6 метров.
  • Стойка. Вертикально установленный брус, который служит дополнительной опорой для конькового прогона.
  • Лежень – брус, который монтируется на несущие перекрытия постройки и применяется для крепления нижнего основания подкосов и стоек.

Конек является верхней точкой кровли, в которой осуществляется соединение всех элементов стропильного скелета формирующих угол уклона ската. От того насколько грамотно выполнено сращивание стропил у конька напрямую зависит степень прочности крыши и соответственно срок ее службы.

Монтаж стропильного скелета может осуществляться несколькими способами и это стоит учесть, прежде чем приступать к выбору метода сращивания стропильных ног:

  1. Стропила с затяжкой собираются в треугольник, после чего готовая конструкция поднимается на поверхность крыши и фиксируется на мауэрлат. Установленные поочередно фермы соединяются между собой с помощью конькового прогона.
  2. Две крайние фермы для фронтонов здания собираются на поверхности земли, после чего поднимаются на крышу и фиксируются. Между самыми высокими точками полученных ферм натягивается шнур, который служит в дальнейшем ориентиром соблюдения уровня размещения внутренних стропильных ферм.
  3. Все элементы системы стропил поднимаются на поверхность крыши и там, в определенной последовательности собираются и фиксируются. Для соблюдения необходимого уровня в центральной части торцевых стен фиксируются контрольные планки, высота которых соответствует высоте конька.

Способы соединения стропил у конька:

  1. Вырубка. Для соединения двух стропил в верхнем основании каждого из них вырубается специальный паз в половину толщины бруса. Подготовленные пазы накладываются друг на друга и соединяются с помощью пропущенного насквозь болта или крепежа иного типа.
  2. Внахлест. Верхние основания двух стропильных ног накладываются друг на друга и соединяются сквозным крепежом.
  3. Подрезка. Для создания максимально качественного и плотного стыка верхнее основание каждой стропильной ноги подрезается под определенным углом. Таким образом, формируется идентичный в зеркальном отражении срез, что гарантирует плотность стыковки стропил.

Источник: https://msk-krovlya.ru/nash-blog/229-srashchivanie-stropil-u-konka

Конек крыши и сращивание стропил крыш разной конфигурации

Коньковое сращивание стропил и существующие способы выполнения этой операции мы рассмотрели в предыдущей статье. Однако в крышах разных форм сращивание имеет определенные особенности. Вот о них-то и пойдет сегодня речь.

Двускатная крыша

Скошенные концы стропил двускатных крыш могут располагаться на коньке встык или укладываться на нем вразбежку. Однако следующие условия должны выполняться обязательно при любой технологии:

  • Если укладка стропил по коньку выполнена в разбежку, они соединяются болтами и скобами.
  • Когда стропила уложены встык, их соединение следует обеспечивать с помощью накладок, укрепляемых гвоздями или болтовыми соединениями.
  • Когда стропила опираются одновременно на пару прогонов, их концы следует взаимно упереть. Возникшее напряжение можно снять установкой ригелей горизонтально.
  • Если прогона нет, то стропила стыкуются своими скосами, дополнительное скрепление которых обеспечивают парными накладками, укрепляемыми гвоздями или болтовыми соединениями.
  • Закрепление ригеля на стропиле производится боковыми накладками из дерева, закрепляемыми гвоздями или болтовыми соединениями. Под ригель следует поставить колодку, воспринимающую поперечные усилия.
  • Бревенчатые стропила с ригелем скрепляются без накладок, но на оконечности ригеля выполняется выемка величиной в половину сечения шпренгеля. Для устойчивости стропила должны быть усилены затягивающими ригелями и подкосами. Это особенно важно, если расстояние, разделяющее наружные стены, превышает 8м.
  • Кровельный конек следует защитить от смещения, если дом расположен в районе, где постоянно дуют сильные ветры. Для этого концы наслонных стропил должны дополнительно закрепляться на коньке скобами. Стропила следует связать с домовой кладкой, используя проволоку.
  • Врезку в стропилах делать не рекомендуется, если стропильная система подвержена сильным нагрузкам, а использовать следует промежуточные косынки.

Если крыша очень крутая, то наибольшей прочностью должны обладать горизонтальные конструкции. Если она пологая, то необходимо особое внимание обратить на прочность вертикальных элементов, имеющихся в составе стропильной системы.

Сценарий сращивания стропил этих крыш совершенно отличен, поскольку в конструкции присутствуют новые детали – накосные стропила, ставящиеся, следуя определенной технологии. На коньке эти детали фиксируются методом врубки и дополнительно закрепляются с помощью стяжек и ригелей.

При единственном прогоне вальмовой крыши его диагональная стропила должна иметь опору на прогонную консоль, тогда как консоли должны выходить на 15см за пределы консольной рамы. Если прогонов в коньке два, к стропилам следует пришить обрезок доски – прибоину – толщиной около 5см. На нее-то и станут опираться стропила диагональные и накосные.

Опирающиеся на наружную ендову стропила бывают накосными и диагональными, а последние длиннее обычных. Они являются опорой нарожников – укороченных стропил скатов. В подобных случаях на накосные стропила действует нагрузка, вдвое превышающая ту, которая ложится на стропила обычные.

Длина этих диагональных стропил превосходит длину стандартных досок, поэтому их следует спаривать. Это позволяет:

  • возложить удвоенную нагрузку на удвоенное сечение;
  • сделать балку длинной, не разрезанной;
  • унифицировать размеры используемых деталей.

Таким образом, благодаря одновысотным доскам в коньке, упрощаются конструктивные решения для вальмовых крыш.

Многопролетность обеспечивается путем установки одной или двух опор под каждую накосную стропилу, поскольку они являются неким продолжением наклонившегося и раздвоенного прогона конька. Поэтому сращивание этих досок в длину должно производиться так, чтобы удаление стыков от центра опоры составляло 15м. Длину стропил следует подбирать, исходя из длин пролетов, а также количества опор.

Итак, мы рассмотрели не только теорию, но и практику сращивания стропил. Надеемся, что эта информация будет для вас полезна.

Источник: https://www.allremont59.ru/building-haus/krovlay/konek-kryishi-i-srashhivanie-stropil-kryish-raznoy-konfiguratsii.html

Стропильная система крыши, виды стропильных систем крыши

Стропильная система крыши – это основной несущий элемент скатной кровли. Независимо от своего вида, стропильная система любой крыши служит своеобразным фундаментом для многослойного кровельного пирога, обеспечивая правильное функционирование всей системы.

Качественно смонтированная стропила (стропильная система) залог надежности для скатной крыши.

Виды стропильных систем крыши

Каракас стропильной системы задает внешний вид крыши, определяет ее форму и угол наклона скатов. Скатные крыши бывают с одним, двумя, четырьмя скатами.

Четырехскатные крыши также называются вальмовыми или полувальмовыми. Два противоположных ската таких крыш имеют трапециевидную форму, два фронтальных – форму треугольника. К четырехскатным крышам также относятся шатровые, образованные четырьмя скатами в форме равнобедренных треугольников.

Самая сложная форма скатной крыши – ломанная. Характерна для домов с мансардами.

Элементы стропильной системы

Стропильная система, независимо от конструктивной сложности и формы скатной крыши, имеет набор обязательных элементов, каждый из которых выполняет определенный функционал:

  1. Мауэрлат. Основа стропильной системы. Место крепления нижней части стропильных ног. Обеспечивает равномерное распределение нагрузки по всей площади. Изготавливается из деревянного бруса. Крепиться непосредственно на стены возводимой постройки.
  2. Стропильные ноги. Ключевой элемент. Задают тон всей кровельной конструкции. Определяет угол наклона скатов крыши и ее форму.
  3. Конек (или прогон) – самая высокая горизонтальная линия крыши. Место соединения двух скатов. К прогону крепятся верхние части стропильных ног. Также конек может быть образован за счет соединенных между собой верхних концов стропильных ног, спиленных под определенным углом.
  4. Обрешетка. Основа для кровельного покрытия. Передает нагрузку кровельного пирога на стропильные ноги, равномерно распределяя ее по всей площади. Монтируется перпендикулярно стропилам с определенным шагом (величина шага зависит от вида кровельного покрытия). Изготавливается из обрезной рейки или бруса.
  5. Подпорные элементы. Связывают отдельные элементы в единую конструкцию. Применяются по мере необходимости исходя из формы крыши, угла наклона ската и прочих параметров. Различают:
  • боковые прогоны – фиксируют стропильные ноги сбоку;
  • затяжки – служат для фиксации стропильных ног в нижней части, не давая им разъезжаться;
  • стойки и подкосы призваны усилить устойчивость стропильных ног, фиксируются на лежне, расположенном параллельно коньку;
  • свес крыши защищает стены от попадания осадков и талой воды с крыши;
  • кобылки служат для оборудования свеса, если длины стропильных ног оказывается недостаточно.
Базовые конструкции

Существует три разновидности стропильных систем, которые можно назвать базовыми. Каждая из них включает три обязательных конструктивных элемента:

  • стропильные ноги;
  • подстропильные элементы;
  • обрешетка.

При необходимости, если того требует конструктивная сложность крыши и ее размеры, в базовые системы вносятся дополнительные элементы.

Наслонная система

Применяется для построек с внутренними несущими стенами, которые служат дополнительным основанием для крепления элементов стропильной системы. Длина одного пролета от 10 до 16 м. Угол наклона значение не имеет. Плюсы наслонной системы – простота монтажа и экономия материалов.

При сооружении крыши с одним скатом стропила опираются на противоположные несущие стены. При монтаже двускатной крыши используют парные стропильные ноги. Нижней точкой опоры стропил служат также противоположные несущие стены. Верхней – коньковая доска.

Существует три способа крепления стропил:

  1. Верхняя часть фиксируется на коньке, нижняя – врубается в мауэрлат.
  2. Верхние части стропил, спиленные под определенным углом, фиксируется между собой с помощью специального металлического соединения. Нижние части ног крепятся также к мауэрлату, но с помощью подвижных (скользящих) креплений.
  3. Верхние части стропил, спиленных под определенным углом, соединяются между собой и фиксируются с помощью двух параллельных брусков, расположенные параллельно друг другу в горизонтальной плоскости. Между брусками крепления защемляется коньковая доска. Для фиксации нижней части применяют скользящие крепления.

Использование скользящих креплений стропил к мауэрлату – особенность наслонных стропильных систем. Механизм их работы позволяет снимать излишнее напряжение со стен сооружения. При усадке новой постройки, которая неизбежна, жестко не зафиксированные стропила могут двигаться, не нарушая целостности крыши.

Висячая система стропил

Если внутри строения не предусмотрены несущие стены, монтируется висячая система стропил. Вся сила распорной нагрузки приходится на внешние несущие стены здания. Для уменьшения ее воздействия в стропильную систему добавляют дополнительные горизонтальные элементы – ригели (или затяжки). Установленные по горизонтали затяжки стягивают между собой пары стропильных ног. Высота их крепления значения не имеет. Затяжки можно укладывать на мауэрлат и использовать в качестве балок чердачного перекрытия.

Висячая система также подходит для небольших помещений с длиной одного пролета менее 6 метров. Если пролет значительно длиннее в конструкцию добавляют дополнительные элементы – опорные стойки и раскосы.

Способы крепления верхних частей стропильных ног, такие же как при наслонной системе. Крепление нижней части только с жесткой фиксацией.

Комбинированная система

В некоторых случаях наслонные стропильные системы нуждаются в укреплении конструкции. Задача решается за счет монтажа дополнительных элементов — ригелей — конструктивного элемента, характерного для висячей системы. В комбинированной системе не допускается использование скользящих креплений для нижней части стропил. Они должны быть жестко зафиксированы в мауэрлат.

Стропильная система крыши – элементы, схемы, правила

Стропильная система является основой крыши. Стропильную систему нужно правильно выбрать и построить, чтобы крыша и весь дом оказались надежными и долговечными.

Стропильной системой обуславливается форма крыши. Это не только внешний вид здания, но и функциональность.
Крыша испытывает нагрузки, которым должна успешно противостоять весь срок службы. Ремонтов должно быть минимум. Еще сопутствующий вопрос – утепление самой крыши, если мансарда будет жилая. И все это нужно увязать в стропильной системе. Рассмотрим эти и другие вопросы по порядку.

Из каких элементов состоит стропильная система

На схеме приведены элементы стропильной системы

  • Стропило или стропильная нога – несущий элемент, которым задаются уклоны кровли и на который непосредственно опирается кровельный пирог. Между стропил обычно размещается слой утепления, выше – настил, обрешетка, контрообрешетка. Снизу к стропилам прикрепляется отделка или контробрешетка (для размещения утеплителя) и отделка панелями.
  • Диагональное стропило — крайнее в ряду стропил, которое нижним концом упирается в район угла стен.
  • Мауэрлат – деревянный брус большого сечения, уложенный и закрепленный на верхнем торце стен, на который опираются стропильные ноги. Мауэрлат перераспределяет нагрузки от стропил на стены.
  • Шпренгель – горизонтальный элемент, скрепляющий смежные мауэрлаты в углу, на который опирается подкос для диагонального стропила.
  • Нарожник – более короткое стропило, которое упирается верхним концом в среднюю часть диагонального стропила.
  • Затяжка – скрепляет стропильные ноги расположенные друг напротив друга. Компенсирует нагрузки направленные на раздвижение стропил вследствие давления сверху. Прочно связывается со стропилами.
  • Коньковый прогон – брус, на который опираются верхние концы стропил.
  • Стойка – устанавливается под коньковый брус и опирается на внутреннюю несущую стену дома. Передает нагрузки от стропил на стену.
  • Ветровая доска – закрепляется к стропилам, устанавливается по диагонали, связывая стропила между собой. Предотвращает смещение конструкции под воздействием ветра, увеличивает жесткость.
  • Подкос – устанавливается под стропило, удерживает его, увеличивает жесткость конструкции.
  • Кобылка – короткий брус, крепится к стропильной ноге, для формирования свеса кровли.

Какие нагрузки действуют на крышу

Нагрузки, действующие на крышу и стропильную систему делятся на постоянные и переменные. Постоянные – это вес кровельного покрытия и других элементов крыши. Переменные – это снеговые нагрузки, ветровые нагрузки, и вес людей и оборудования которые могут находиться на крыше, например для ее ремонта.

С определением переменных нагрузок проблем нет – они приведены в Строительных Правилах для различных районов Российской Федерации на специальных картах. Из приложений нужно узнать значения для конкретного места (города, района) строительства:

  • «Расчетные значения ветрового давления»
  • «Расчетные значения веса снегового покрова земли».

В индивидуальном строительстве небольших домов в большинстве случаев применяются скатные крыши. А стропильные системы делаются из дерева, но иногда здесь применяют и металлические детали.

В основном применяются две схемы стропильной системы или их комбинация:

  • Висячие стропила
  • Наслонные стропила


Также можно ознакомиться с различными формами крыш для дома, их видами

Система с висячими стропилами

Особенность в том, что каждое стропило вверху опирается только на противоположное стропило, а вертикальная подпорка отсутствует. В результате возникает значительная сила, которая пытается раздвинуть нижние концы стропил. Для ее компенсации в системе с висячими стропилами обязательно присутствует затяжка.

Но ригель может испытывать как сжимающие так и растягивающие нагрузки.

Эта стропильная система хороша тем, что затяжки в ней являются одновременно и балками перекрытия чердачного помещения. А также не требуется центральная несущая стена в доме. Все это значительно экономит средства на строительство.

Но с другой стороны висячим стропилам присущи существенные недостатки, которые ограничивают область применения этой системы.

  • Нагрузки на элементы в этой системе существенно выше. Приходится использовать большее число стропил или (и) увеличивать размеры (прочность) каждого элемента. Происходит удорожание и преимущества с увеличением размеров крыши нивелируются.
  • Стропила не могут иметь наклон менее 30 градусов (наклон ската крыши), так как в этом случае нагрузки возрастают многократно.
  • Жесткость всей конструкции не большая. Крыша может расшатываться от переменных ветровых нагрузок. При этом положение всех элементов слишком взаимозависимое, подвижка с одной стороны влечет деформации и на другой стороне. В результате происходят различные деформации крыши, кровельное покрытие тоже деформируется, возникают течи, требуется ремонт.
  • При ветровой или снеговой нагрузке на один скат возникают значительные боковые нагрузки на стены.


Вследствие этого, систему с висячими стропилами применяют в основном на крышах небольших частных домов, где центральная несущая стена является излишеством. Тогда указанные особенности системы не несут больших негативных последствий. Рекомендуемый перекрываемый пролет – не более 6 метров.
Подробней узнать о плоской кровле — как делается плоская кровля, где применяется

Система с наслонными стропилами

В системе с наслонными стропилами их верхний конец опирается на вертикальный несущий элемент – стойку, которая в свою очередь через брус лежень передает сжимающие нагрузки на центральную несущую стену дома.

В отличие от висячих стропил в этой схеме нет значительных сил, которые пытаются раздвинуть нижние концы стропил, поэтому затяжка не применяется. Но ригеля и подкосы могут иметь место, в основном при значительный площадях.

Система с наслонными стропилами применяется на пролетах до 16 метров. Возможно применение с малым углом наклона стропил.
Все детали крыши могут иметь меньшую прочность, чем висячие стропила, требуется меньше скрепляющих элементов, здесь простой монтаж, а значит сама крыша более дешевая. Кроме того крыша намного менее чувствительна к нагрузкам на одну сторону, а поэтому более устойчива, кровельное покрытие лучше сохраняется.

Но как указывалось, требуется внутренняя несущая стена дома. Это дорого, но для больших домов является единственным выходом сделать всю систему дом-крыша жесткой, надежной, долговечной.
Сланцевая черепица — дорогое покрытие, как выбрать, как настелить — особенности

Конструкции крыши могут быть самыми разнообразными, с бесконечными комбинациями различных элементов, с различными фигурными формами. Рассмотрим далее простой типичный пример комбинации различных систем, здесь увеличивается жилое пространство на мансарде.

Комбинация наслонных и висячих стропил

У ската крыши переменный угол наклона, поэтому такую крышу называют ломаной.
Использование висячих стропил вверху и наслонных внизу увеличивает полезную площадь мансарды. Затяжки образуют верхние балки перекрытия потолка мансарды. Стойки под наслонные стропила служат обрешеткой для внутренней обшивки стен жилого помещения. Важно, что такая комбинация не привела к появлению усилий распора действующих на стены.

При создании стропильной системы крыши одним из основных вопросов является недопущение передачи от стропил распорных усилий на стены дома. Подобные усилия просто разрушат дом. Распор компенсируется элементами самой системы. А подвижки, деформации, которые неизбежны и вследствие которых возникает распор, компенсируются подвижностью стропил относительно стен. Подробней о способах крепления стропил и других элементов крыши, о компенсации и недопущения распорных усилий на стенах читайте в материалах сайта.

схема, конструкция, выбор креплений, фото сборки и установки мансардных стропил, особенности расчета системы

Одним из ключевых звеньев в строительстве подчердачного этажа является расчет стропильной системы мансардной крыши. Сложность заключается в том, что необходимо учесть несколько важных составляющих: снеговую нагрузку, порывы ветра, угол наклона скатов, вес самих стропил, утеплителей, гидроизоляции, кровельных материалов. Стропила могут быть комбинированными, металлическими или деревянными.

Мансардная крыша должна быть легкой, чтобы не нагружать фундамент. Застройщики все чаще используют тонкостенные металлические стропила мансардных крыш, их стоимость гораздо выше деревянных, но скорость и простота монтажа таких систем покрывает этот недостаток с лихвой.

В самостоятельном строительстве стропильная система мансардной крыши традиционно изготавливается из дерева, поэтому за основу возьмем именно этот материал.

Полезно знать

Чтобы правильно рассчитать стропильную конструкцию мансарды, необходимо суммарно учесть 3 вида нагрузок, действующих на кровельную систему. Во-первых, следует вычислить вес самой мансардной крыши: кровельный материал, обрешетка, контробрешетка, гидроизоляция, стропила, теплоизоляционный слой мансарды, пароизоляция, чистовая отделка. Для этого потребуется знать вес каждого материала на 1м2, такие параметры указываются в инструкциях и сертификатах заводов–изготовителей.

Например, полимерно-битумной гидроизоляции потребуется 5 кг/м2, один квадратный метр минваты весит 10 кг, стандартной обрешетки из доски в 25 мм – 15 кг, ондулин приблизительно 3 кг, металлочерепица – самый тяжелый кровельный материал. При подсчете нагрузки сложите все показатели и умножьте на поправочный коэффициент 1,1.

Во-вторых, конструкция стропильной системы мансардной крыши должна выдерживать снеговые нагрузки, в некоторых районах этот показатель превышает более 500 кг на м2. Формула для расчета снеговой нагрузки:

S=Sg x µ, где

S  – снеговая нагрузка;

Sg  –  масса снега на 1м2 горизонтальной поверхности, показатель устанавливается нормативными документами для каждого климатического района в отдельности;

µ – коэффициент, зависящий от уклона крыши: угол в 25о – коэффициент 1,0, 25-60о – 0,7, если уклон выше 60о коэффициент не учитывается.

И наконец, ветровые нагрузки. Для их расчета применяется формула:

W = Wo x k, где

W – ветровая нагрузка;

Wo – нормативные данные, которые определяются индивидуально для каждого района;

k – поправочный коэффициент для разного типа местностей и высотности здания.

Высота здания, м Открытый тип местности: морские побережья, озера, степи Закрытый тип местности: города, лесные массивы
5 0,75 0,85
10 1,0 0,65
20 1,25 0,85

На основании суммарной нагрузки на стропильную систему мансардной крыши, определяется длина, шаг и поперечное сечение стропильной ноги. Далее мы привели таблицу рекомендуемых параметров для устройства стропильной системы в умеренном климатическом поясе (Московская область):

Расстояние между стропилами мансардной крыши, м Длина ноги, м
6 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3
Поперечное сечение балок, мм
0,6 50*200 50*200 50*175 50*150 50*150 40*175 40х150
0,9 75*250 75*200 75*175 75*175 50*200 50*175 50х150
1,1 100*200 75*200 75*200 75*175 75*175 75*150 75х150
1,4 100*200 100*200 75*200 75*200 75*200 75*175 75х150
1,75 100*250 100*200 100*200 100*200 75*200 75*200 75х150
2,15 100*250 100*250 100*200 100*200 100*175 100х150

Для других элементов стропильной системы мансардной крыши существуют свои параметры:

  • мауэрлат выполняется из бруса 150*150, 100*150, 100*100 мм;
  • ригель – 100*200-150 мм;
  • прогоны – 100*200-150-100 мм;
  • енды, диагональные ноги – 100*200 мм;
  • затяжка – 50*150 мм;
  • подкос – 150*150, 100*100 мм.
  • подшивочная доска – 25*100 мм.
Важно:  Деревянные стропила должны соответствовать ГОСТу 8486-86(83). На 1 п/м ноги может быть не более 3 сучков, размер сучков не должен превышать 30 мм по длинной стороне. Сквозные трещины недопустимы. Влажность дерева менее 18%.  Стропильная система двускатной мансардной крыши, чертеж основных элементов фермы

Основные узлы

Стропильные конструкции мансардных крыш не зависимо от проекта включают в себя множество сопряжений и стыковых узлов, они соединяются между собой, врубаются в затяжку и мауэрлат, имеют вспомогательные элементы системы: ригели, бабки, опоры либо подкосы, дополнительно скрепляются скобами, болтами, хомутами. Устройство стропильной системы мансардной крыши должно предусматривать равномерное распределение всех нагрузок на основание и несущие конструкции строения.

Схема стропильной системы мансардной крыши, основные узлы и элементы

В зависимости от архитектурного решения, определяется вид мансардной крыши, в свою очередь от конфигурации кровли зависит не только внутренний интерьер мансарды, ее полезная площадь, но и какой вид стропильной системы применим в каждом конкретном случае: висячий или наслонный.

Наслонная система, опирание ноги на коньковый брус и мауэрлат

Наслонные стропильные ноги опираются на несущие стены мансарды, а в середине поддерживаются промежуточными опорами, в таких системах нагрузки передаются исключительно на изгиб. Висячие опираются только на мансардные стены, обычно устанавливаются при монтаже мансардного этажа, где нет внутренней несущей стены, они не создают горизонтальную нагрузку, только на сжатие и изгиб.

Висячая система устраивается, если расстояние между опорами-стенами не более 6,5 м, установка дополнительной опоры дает возможность перекрыть мансарду шириной до 12 метров, если требуется перекрыть более широкий участок, то на каждые 3 метра устанавливается своя опора.

Висячие и наслонные стропила мансардной крыши

Если по проекту мансарды предусмотрен не один, а несколько уклонов, как в классической мансардной крыше, то обычно чередуются висячие (верхние) и наслонные (нижние) стропила.

Посмотрите, как устанавливается стропильная система мансардных крыш, видео урок поможет разобраться во всех тонкостях устройства ломаной конструкции.

Несущие элементы системы обеспечивают прочность и устойчивость всей конструкции мансардной крыши. У мансардной крыши несущими элементами являются: обрешетка, стропила, мауэрлат. Конструктивные особенности системы определяются  видом мансардной крыши: односкатной, вальмовой, многоскатной, щипцовой и пр.

Стропильная система мансардной крыши, схема расположения узлов односкатного перекрытия

Форма крыши мансарды зависит от перекрываемой площади и архитектурного замысла, для обустройства полноценной мансарды лучше выбирать простые виды мансардных крыш, чтобы балки и стойки не загромождали пространство внутри.

Мансарда, стропильная система вальмовой четырехскатной крыши

Этапы монтажа стропильной системы мансарды

Технология монтажа мансардной крыши требует определенной последовательности:

  • установка мауэрлата;
  • укладка поперечных балок;
  • монтаж вертикальных стоек;
  • затяжка боковых стоек или установка конькового бруса;
  • разметка шага и монтаж стропильных ног;
  • установка вспомогательных узлов: ригелей, подкосов, подстропильных ног;
  • обрешетка, гидроизоляция, настил кровельного материала.
Крепление мауэрлата является важным этапом для устройства всей системы, это основа конструкции

Технология стыковки

Не смотря на то, что алгоритм возведения стропильной системы достаточно прост, установка стропил мансардной крыши требует грамотного подхода к монтажу стыковочных узлов. Основная нагрузка в системе приходится на ноги, поэтому от качества их монтажа на мауэрлат, а так же от надежности их соединения между собой зависит безопасность и прочность крыши, да и мансарды в целом.

Стропильная система мансардной крыши, фото крепления висячих стропил к мауэрлату

Существует 2 варианта соединения стропила с мауэрлатом: скользящее и жесткое. В деревянных мансардных конструкциях нельзя делать все соединения жесткими, так как дерево при определенных условиях сжимается и расширяется, а при жестком соединении возникают распорные нагрузки на несущие узлы, в совокупности это приводит к деформации элементов стропильной системы мансарды.

Как правильно крепить наслонные стропила для мансардыВажно:  Жесткое соединение используется, если стропила наслонные, тогда нога жестко крепится к мауэрлату, но при этом на коньке, между собой или на прогоне узлы системы должны крепиться скользящим соединением. 

Если на мансардной крыше применяется жесткая система крепления, то необходимо исключить какие-либо усилия: скользящие, крутящие моменты, повороты, сдвиги. Для жесткого крепления существует два способа соединения:

  • врубка в стропильной ноге;
  • нашивка подпорного бруса.

Седло (врубка) делается на ноге, запилы должны обеспечить плотное прилегание деталей, и не должны превышать 1/3 высоты бруса. Для жесткого крепления стропило упирается врубкой в мауэрлат, 2 гвоздя забиваются с боков, под углом друг к другу, крест на крест, третий гвоздь забивается сверху, вертикально. Рекомендуется дополнительно усилить крепления металлическими пластинами, уголками, болтами.

Скользящий способ соединения заключается в том, что в мауэрлате выпиливается выемка под ногу, затем детали соединяются между собой специальным металлическим уголком – салазки. Так крепится наслонная система.

Скользящее крепление мансардной стропильной системы

Независимо от способа соединения мансардной стропильной системы, стропила и мауэрлат прикручивают между собой проволокой или дополнительно соединяют анкерами, чтобы исключить сдвиг крыши от сильных порывов ветра. Подкосы, бабки, распорки и бабки  крепятся скобами и хомутами.

Как нарастить и усилить стропила мансарды

Зачастую стропильной ноге не хватает длины бруса, чтобы не заказывать специальные доски, и не удорожать строительство мансарды, их наращивают.

Важно:  Так как жесткость стропильной системы в местах стыковки теряется, соединения следует делать там, где изгибающий момент стремится к нулю. 

Стропила из бруса сращиваются косым прирубом. В деталях делают наклонные запилы, их длина должна быть равна удвоенному сечению, а торцы высотой, равной сечению бруса, умноженному на коэффициент 0,15. Стык крепят болтами. Подобное соединение балок гармонично вписывается в дизайн мансарды, и позволяет оставить несущие элементы крыши открытыми.

Иногда стропила мансарды крепят внахлест, доски друг на друга должны заходить не менее чем на метр, затем они крепятся гвоздями или болтами в шахматном порядке. Если мансардные стропила наращиваются встык, то запил должен быть строго в 90о, элементы прикладываются торцами, с двух сторон накладываются доски, затем конструкция крепится болтами либо гвоздями.

Варианты удлинения стропильной ноги

Если сечение материала недостаточно, то доски усиливают. Спаренные стропила состоят из двух и более досок, плотно прилегающих друг к другу, прошивается такая конструкция гвоздями в шахматном порядке. Составные стропила делают из двух досок, между которыми вставляются вкладыши длиною 2 высоты доски. Расстояние между вкладышами не должно превышать 7 высот ноги. Верхняя часть составных стропил может состоять из одинарной доски.

Способы усиления стропильной ноги

Как стыковать стропила наверху

Соединение стропил мансардной крыши между собой наверху имеет несколько вариантов. Если конек не предусмотрен, доски обрезаются под углом, крепятся между собой гвоздями, и дополнительно при помощи металлических и деревянных накладок. Висячие системы при сложной стропиловке многоскатной мансардной крыши, крепятся в шип, одинарным или двойным зубом.

Верхнее соединение стропил на безконьковой мансардной крыше

Если стропильной системой предусмотрен конек, то к  коньковому брусу стропила можно крепить внахлест, либо запилив торцы под нужным углом, обязательно следует усилить стыки металлическими или деревянными накладками.

Стыковка стропил на коньковом брусе

Сборку стропильных ферм лучше проводить на земле, а затем поднимать и устанавливать конструкцию на мансардный этаж. Прежде всего, необходимо сделать шаблон. Для этого доска прикладывается по месту, отчерчивается угол запила для верхнего стыка, и отмечается паз для крепления к мауэрлату, затем таким же образом примеряется вторая доска.

На земле по полученным отметкам доски запиливаются, стыкуются между собой, шаблон поднимается на крышу и примеряется. Если геометрия мансардной крыши соблюдена, то всю стропильную систему можно изготовить по одному шаблону, но в случае небольших отклонений, рекомендуется делать только верхний запил и стыковку, а врезку в мауэрлат делать по месту.

Системы перекрестной коммутации

Системы перекрестной коммутации

Питера Уокера

Питер Уокер выступил с докладом о переходе на перекладину на ежегодном общем собрании THG в 2000 году. Теперь он перевел доклад в печать. В этой статье Питер описывает принципы коммутации Crossbar и историю системы.

Переключение перекладины — очень старая техника.Этот термин возник из ранних ручных распределительных щитов, в которых использовался набор перекрывающихся латунных стержней, расположенных под прямым углом друг к другу, образуя набор строк и столбцов. Вставив латунную заглушку в отверстие на пересечении стержней, можно было соединить любой вход с любым выходом. Этот принцип коммутации точек коммутации используется не только в системах коммутации с перекрестными шинами, но и во всех системах матричной коммутации, включая герконовые электронные системы, такие как TXE2 и TXE4.

За исключением самых маленьких систем PAX, матричные коммутаторы сами по себе недостаточно велики, чтобы обеспечить полноценный телефонный коммутатор, и постоянно увеличивать размер матрицы нецелесообразно и нецелесообразно, поэтому поперечные коммутаторы обычно соединяются вместе в виде известный как Link Trunking.Выходы первой ступени переключения соединены с входами второй ступени. Путем тщательного проектирования каналов можно обеспечить общую матрицу коммутации, которая обеспечивает степень концентрации или расширения и различные вероятности блокировки. Под блокировкой мы подразумеваем возможность того, что у них нет доступного пути между данным входом и требуемым выходом, то есть уровнем обслуживания.

Один из способов создания матричного коммутатора — использовать реле в каждой точке пересечения, но это будет дорого, и количество реле будет расти по квадратичному закону.Тем не менее, как мы увидим, релейные системы были построены. Действительно, герконовые электронные системы TXE2 и TXE4 использовали одно герконовое реле на точку коммутации, хотя матрицы переключателей оставались довольно небольшими. Поперечный переключатель — это электромеханический переключатель, целью которого является создание матричного переключателя без необходимости использования реле в каждой точке пересечения. Вместо этого, имея набор контактов реле в каждой точке пересечения, они управляются электромагнитной катушкой, связанной с каждым столбцом и каждой строкой.

Первый принцип, который необходимо понять, — как заставить набор контактов работать условно; то есть они будут работать, когда правильная комбинация катушек находится под напряжением.Этот принцип лучше всего понять, если рассмотреть, как этот принцип может работать с одним реле.

На рисунке 4 (а) мы видим реле, в котором подъемный гребень не контактирует с якорем, как это обычно бывает. Если якорь работает, контакты не будут двигаться. На (b) мы видим, как жесткая проволока (известная как «палец») вставляется в зазор между арматурой и подъемным гребнем.В (c) мы видим, что если палец находится на месте, то работа катушки приведет к перемещению подъемной гребенки и замыканию контактов. В реальном переключателе с перекладиной катушка, связанная с «вертикалью», будет иметь расширенный якорь, известный как рабочий стержень, который потенциально может управлять несколькими наборами пружин в колонне. Вставляя палец в один или несколько из этих наборов пружин, можно выбрать, какие контакты будут приводиться в действие. Пальцы вводятся путем их поворота на горизонтальную штангу, управляемую электромагнитной катушкой, связанной с «рядом».Фактически, чтобы получить еще большую экономию, каждую горизонтальную планку можно повернуть вверх или вниз, поэтому для каждых двух рядов требуется только одна планка. На рис. 5 подробно показано, как действует реальная точка пересечения поперечного переключателя.

На рисунке 5 мы можем выделить несколько важных компонентов. Вертикальная сборка (или «мост») связана с входами переключателя, и они являются общими для всех наборов контактов.Вертикаль приводится в действие магнитом перемычки (не показан), который приводит в действие стержень управления в прорезь в контактных группах. Последний будет задействован только в том случае, если между рычагом управления и пружинным блоком проведен палец. Пальцы соединены с горизонтальной полосой или полосой «выбора», и их можно поворачивать вверх или вниз в зависимости от того, какой магнит выбран. Таким образом, конкретная пружинная группа приводится в действие, сначала приводя в действие соответствующий селективный магнит, чтобы ввести пальцы в верхнее или нижнее положение перед наборами пружин в этом «ряду», а затем воздействовать на магнит перемычки для «колонны».Это захватывает палец между рабочей штангой моста и пружиной, так что, когда выбирающий магнит впоследствии отпускается, и горизонтальная штанга возвращается в нормальное состояние, палец удерживается. Чтобы это работало, пальцы сделаны из гибкой пружинной стали. Следствием пружинной природы пальцев является то, что при нажатии или отпускании горизонтальной перекладины пальцы колеблются, что может привести к неправильному выбору, поэтому для контроля этого предусмотрен демпфер. Именно звук дребезжания этих амортизаторов на пальцах придает переключателям перекладины характерный дребезжащий звук при работе.

Перемычки

бывают разных форм и размеров, но на рис. 6 показана типичная компоновка локальной коммутационной станции с перекладинами. Линейный блок представляет собой двухступенчатый набор перекрестных переключателей с соединением по линиям связи, предназначенный для концентрации абонентских линий (около 500 на каждой) на меньшем количестве магистралей с наборами управляющих реле, из которых осуществляется доступ к регистрам и возвращается тональный сигнал ответа станции.Для исходящего вызова линейный блок играет ту же роль, что и линейные искатели в системе Strowger. Вызовы устанавливаются через групповой блок (две или более перекрестных ступеней) на соответствующий исходящий узел или линейный блок, связанный с линией вызываемой стороны. В отличие от Strowger, у которого есть отдельные

Frontiers | Преимущества масштабирования энергии вычислений на основе кроссбара резистивной памяти и их применение для разреженного кодирования

Введение

По мере того, как транзисторы начинают приближаться к фундаментальным физическим пределам, а закон Мура замедляется, необходимы новые устройства и архитектуры, чтобы обеспечить непрерывный прирост производительности вычислений (Theis and Solomon, 2010).Вычислительные возможности современных микропроцессоров ограничены потребляемой мощностью. Для приложений, интенсивно использующих данные, в вычислительной энергии преобладает перемещение данных между процессором, SRAM (статическая память с произвольным доступом) и DRAM (динамическая память с произвольным доступом). Новые подходы, основанные на мемристорной или резистивной памяти (Chua, 1971; Waser, Aono, 2007; Strukov et al., 2008; Kim et al., 2012), могут позволить обрабатывать большие объемы данных за счет значительного сокращения перемещения данных.Одним из наиболее многообещающих приложений для резистивных поперечных полос памяти являются нейроморфные вычисления, вдохновленные мозгом (Jo et al., 2010; Ting et al., 2013; Hasan, Taha, 2014; Chen et al., 2015; Kim et al., 2015). Мозг, пожалуй, самая энергоэффективная вычислительная система из известных, требующая всего 1–100 фемтоджоулей на синаптическое событие (Merkle, 1989; Laughlin et al., 1998), эффективно решая сложные проблемы, такие как распознавание образов, с которыми борются обычные компьютеры. Следовательно, возник большой интерес к созданию нейроморфного оборудования (Cruz-Albrecht et al., 2013; Merolla et al., 2014). Резистивные воспоминания могут эффективно моделировать некоторые свойства нейронных синапсов, а перекрестная структура позволяет создавать высокоплотные взаимосвязи, обнаруженные в мозге. Например, отдельные нейроны коры головного мозга могут получать примерно 10 000 входных синапсов от других нейронов (Schüz and Palm, 1989).

Резистивная память — это, по сути, два программируемых оконечных резистора. Если на устройство подается более высокое напряжение записи, сопротивление будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от знака напряжения, что позволяет программировать сопротивление.Следовательно, его можно использовать для моделирования синапса. Его сопротивление действует как вес, который модулирует приложенное к нему напряжение. Это привело к большому интересу к разработке нейроморфных систем на его основе (Jo et al., 2010; Ting et al., 2013; Hasan, Taha, 2014; Kim et al., 2015). Каждая ячейка также имеет очень небольшую площадь, и память может быть размещена в трехмерном виде, если она расположена в виде перекрестной структуры. Поэтому промышленность разрабатывает резистивные запоминающие устройства для использования в качестве цифровой замены флеш-памяти (Jo et al., 2009; Чен, 2013; Чен и др., 2014; Cong et al., 2015).

Актуальный вопрос заключается в том, могут ли компьютерные системы, основанные на нейронных технологиях, предложить какое-либо преимущество в ресурсах по сравнению с более традиционными цифровыми вычислительными системами. Системы, основанные на нейронах, скорее всего, будут иметь форму массивно параллельного набора нейроморфных вычислительных элементов или ядер, каждый из которых намного проще, чем обычные процессоры (Merolla et al., 2014). Традиционно каждое нейроморфное ядро ​​основано на локальном массиве памяти SRAM.Это позволяет хранить данные локально там, где они используются, устраняя необходимость перемещать большие объемы данных. Простая организация вычислительной системы таким образом может обеспечить сокращение вычислительной энергии на 4–5 порядков (Cassidy et al., 2014). Чтобы получить дополнительные преимущества, нейроморфное ядро ​​должно быть основано на аналоговой решетке резистивной памяти. Как цифровые, так и аналоговые нейроморфные ядра будут иметь преимущество во времени выполнения, поскольку параллелизм легче использовать в нейроморфной вычислительной модели, где задержка связи резко снижена.Тем не менее, в этой работе мы избегаем сосредотачиваться на новой параллельной архитектуре и вместо этого сосредотачиваемся на демонстрации более фундаментального преимущества в энергии.

Мы покажем, что выполнение определенных вычислений на аналоговой матрице резистивной памяти обеспечивает фундаментальные преимущества масштабирования энергии по сравнению с реализацией на основе цифровой памяти для вычислений с конечной точностью. Это верно для любой архитектуры, которая использует обычный массив цифровой памяти, даже цифровую резистивную матрицу памяти.Кроме того, мы даем конкретное приложение, вдохновленное нейронами, разреженное кодирование, которое может быть реализовано полностью в аналоговом виде и извлекает вышеупомянутое энергетическое преимущество. Богатая проблема, вдохновленная нейронами, — это разреженное кодирование (Olshausen, 1996; Lee et al., 2008; Arora et al., 2015), когда человек стремится использовать избыточный базовый набор для представления данных с разреженным кодом. Он используется во многих приложениях, включая компьютерное зрение, отслеживание объектов и, в более общем смысле, обучение без учителя. Мы покажем, что аналоговые нейронные архитектуры идеально подходят для таких алгоритмов, как разреженное кодирование, и опишем реализацию конкретного алгоритма разреженного кодирования.

В частности, есть два ключевых вычислительных ядра, которые более эффективны на кроссбаре. Во-первых, перекладина может выполнять параллельное чтение или векторно-матричное умножение, как показано на рисунке 1. Во-вторых, перекладина может выполнять параллельную запись или обновление ранга-1, где каждый вес программируется на основе внешнего произведения строки и столбцы входов. Эти два ядра составляют основу многих нейроморфных алгоритмов.

Рис. 1. Аналоговая резистивная память может использоваться для уменьшения энергии векторно-матричного умножения .Проводимость каждой резистивной памяти представляет собой вес. Аналоговые входные значения представлены входными напряжениями или длительностями входных импульсов, а выходы представлены текущими значениями. Это позволяет выполнять все операции чтения, умножения и суммирования за один шаг. Традиционная архитектура должна выполнять эти операции последовательно для каждого веса, что приводит к более высокой энергии и задержке.

В этой статье мы анализируем энергию, необходимую для выполнения параллельного чтения, и показываем, что для фиксированной конечной точности ограниченная шумом энергия для вычисления векторного скалярного произведения может не зависеть от размера вектора, O (1), дает скалярному произведению на основе аналоговой резистивной памяти значительное преимущество масштабирования по сравнению с цифровым подходом.В более вероятной ситуации, когда энергия ограничена емкостью, перекладина N × N по-прежнему имеет преимущество масштабирования N по сравнению с цифровой памятью. Точно так же запись обновления ранга 1 на перекрестную панель также будет иметь коэффициент масштабирования N перед цифровой памятью. Мы также анализируем затраты энергии на точность, масштабирование энергии для связи, энергию для доступа к одному ряду перекладины за раз и энергию для доступа к одному элементу.

Далее мы покажем, что эти вычислительные ядра могут использоваться с алгоритмом разреженного кодирования, чтобы сделать выполнение алгоритма в O ( N ) раз более энергоэффективным.

Результаты

Параллельное считывание с ограничением шума

Перекрестная панель с резистивной памятью может использоваться для выполнения параллельного аналогового векторно-матричного умножения, как показано на рисунке 1. Каждый столбец перекрестной полосы выполняет векторное скалярное произведение: ∑ixiwij для столбца j . Входы x i представлены либо аналоговым значением напряжения, либо длиной импульса напряжения. Веса, w ij , представлены резистивной проводимостью памяти.Умножение выполняется путем использования I = G × V , а сумма выполняется простым суммированием токов (или интегрированием общего тока, если вход x i закодирован в длина импульса).

Абсолютный минимум энергии для считывания поперечины будет определяться тепловым шумом в каждом резисторе. Для многих вычислений нам нужно знать результат только с некоторой конечной точностью. Использование этого преимущества позволяет с минимальной энергией вычислять скалярное произведение вектора, которое не зависит от размера вектора, O (1), когда все входные данные и веса положительны.

Чтобы понять компромисс между точностью и масштабированием энергии, рассмотрим минимальную энергию, необходимую для измерения тока через резисторы N с некоторым отношением сигнал / шум ( SNR ). Уровень сигнала, который нам нужно определить, зависит от проблемы. Если мы хотим сохранить полную точность цифровых вычислений, минимальный обнаруживаемый сигнал должен быть пропорционален току через один резистор, I o . С другой стороны, во многих вычислениях нам нужно знать только конечный результат с некоторой точностью.Минимальный обнаруживаемый сигнал для положительных входов / весов будет пропорционален N × I o . Это означает, что мы отбрасываем лишнюю информацию и больше не хотим обнаруживать изменение в одном входе, I o . Фактически, мы имеем потерю сигнала α, равную N , относительно цифрового сигнала.

Во многих ситуациях нам нужны отрицательные веса или отрицательные входные данные. В этом случае средний сигнал может быть нулевым.Тем не менее, мощность сигнала, который мы хотим обнаружить, будет определяться стандартным отклонением сигнала. Рассмотрим входные данные, у которых есть некоторое распределение с центром на нуле, например гауссово, и дисперсия которых пропорциональна Io2. Дисперсия входных данных N будет пропорциональна N × Io2. Сила сигнала, который мы обнаруживаем, будет равна N × Io, а потери относительно цифрового сигнала — N. В целом, мощность сигнала, которую мы хотим обнаружить, составляет α × I o , где α находится между 1 и N .

Энергия для чтения резисторов определяется выражением:

Энергия = Мощность на резистор × N резисторов × время = V2Go × N × 1Δf (1)

G o — это проводимость каждого резистора, а В, — это напряжение, используемое для считывания показаний резисторов. Скорость работы, Δ f , определяется тепловым шумом и силой сигнала. Нам нужно интегрировать ток достаточно долго, чтобы получить нужный нам SNR . Тепловой шум в резисторах N составляет:

Шум = 〈ΔI2〉 = N × (4kbT × Go × Δf) (2)

SNR — это мощность сигнала, разделенная на шум:

SNR2 = (αIo) 2 〈ΔI2〉 = α2 × Io24kbT × N × Go × Δf (3)

Ток в одиночном резисторе определяется формулой I o = V × G o .Используя это и вычисляя время, получаем:

1Δf = SNR2 × 4kbT × N × Go α2Io2 = SNR2 × Nα24kbTV2Go (4)

Подставляя это обратно в уравнение (1), получаем:

Энергия = V2Go × N × SNR2 × Nα2 × 4kbTV2Go = 4kbT × N2α2 × SNR2 (5)

Для цифровой точности α = 1, а энергия векторного скалярного произведения составляет O ( N 2 ) и O ( N 3 ) для полной перекладины.

Для конечной выходной точности с положительными входами / весами α = N , поэтому энергия векторного скалярного произведения составляет O (1) и O ( N ) для полной перекладины. Таким образом, общая ограниченная шумом энергия скалярного произведения одинакова независимо от размера поперечины. По мере увеличения количества резисторов и, следовательно, уровня сигнала, мы можем измерять каждое устройство быстрее и с меньшей точностью и потреблением энергии на устройство, чтобы получить такую ​​же точность на выходе. Это обобщено в таблице 1.

Таблица 1. Энергетическая шкала для различных требований к точности .

Ограниченная емкость, чтение

Предыдущий анализ действителен только в том случае, если энергия чтения ограничена шумом, а не емкостью.В частности, для фиксированной выходной точности с положительными входами / весами (α = N ) это происходит, когда уравнение (5) больше, чем энергия для зарядки резистивной памяти и емкости провода:

4kbT × SNR2> N × Cper RRAMV2 (6)

Если предположить, что у нас есть перекладина 1000 × 1000, нам нужно SNR , равное 100, и емкость с преобладающей резистивной памятью 18 aF (площадь 20 × 20 нм, конденсатор толщиной 5 нм с относительной диэлектрической проницаемостью, ε r , из 25) нам потребуется выполнить считывание при 100 мВ или менее, чтобы ограничить шум.Если требуется более высокое напряжение из-за устройств доступа или используется большая перемычка, энергия вместо этого будет ограничена по емкости.

Для энергии чтения с ограниченной емкостью перекладина будет в O ( N ) раз более энергоэффективной, чем память SRAM. Преимущество масштабирования возникает из-за того, что в обычной памяти SRAM каждая строка или словарная строка должны считываться или записываться по одной за раз. Это означает, что столбцы / битовые линии и связанные с ними схемы необходимо будет заряжать N раз для N строк.В аналоговой матрице все может выполняться параллельно, поэтому столбцы / битовые линии и связанные схемы заряжаются только один раз. Таким образом, перекладина в O ( N ) раз энергоэффективнее.

Наиболее энергоэффективный способ организации цифровой памяти для выполнения векторно-матричного умножения — хранить матрицу в массиве SRAM (или даже в цифровой резистивной памяти). Энергия увеличивается на порядки, если веса хранятся вне кристалла. Типичный кэш SRAM показан на рисунке 2.Чтобы выполнить векторно-матричное умножение, в лучшем случае мы можем считывать одну строку / словарную строку за раз. Для массива N × N будет N ячеек памяти вдоль каждой строки / словарной строки. Чтобы прочитать каждую ячейку памяти в строке, нам нужно зарядить каждую битовую линию / столбец и запустить электронику чтения / считывающий усилитель для каждой ячейки. Таким образом, общая энергия:

Энергия = N строк × N ячеек в строке × Цифровая битовая строка = N2 × Цифровая битовая строка = O (N3) (7)

Рис. 2. Типичный массив SRAM .Доступ к каждой строке / словарной строке должен осуществляться последовательно.

Энергия для зарядки каждой битовой линии, E цифровая битовая линия , пропорциональна емкости и, следовательно, длине битовой линии: Edigitalbitline = NCcellV2, где C ячейка — это емкость линии через одну резистивную ячейку памяти. Таким образом, энергия масштабируется как N 3 .

В аналоговой матрице резистивной памяти все строки заряжаются параллельно, поэтому общая энергия является суммой энергии для управления N строк и N столбцов:

Энергия = N строк × строка Eanalog + N столбцов × столбец Eanalog = N × (строка Eanalog + столбец Eanalog) = O (N2) (8)

Энергия для зарядки каждой линии также масштабируется как длина каждой линии и, следовательно, составляет N .Таким образом, общая энергия для перекладины масштабируется как N 2 и, следовательно, в O ( N ) раз более энергоэффективна, чем память SRAM.

При проектировании систем памяти существует ряд уловок, которые можно использовать, чтобы попытаться достичь пределов масштабирования. Если внутрикристальная оптическая связь станет возможной, весь компромисс масштабирования будет намного лучше, поскольку энергия связи фактически станет независимой от энергии. К сожалению, затраты энергии и площади при преобразовании из электрического в оптический в настоящее время на несколько порядков слишком велики (Miller, 2009).3D-накопители также будут лучше масштабироваться. В этом случае этот анализ будет применяться к одному слою трехмерной стековой памяти. Цифровую память можно разбить на более мелкие подмассивы с блоком обработки рядом с каждым подмассивом. Это принцип обработки в архитектурах памяти. Тем не менее, даже минимальный логический блок умножителя и сумматора занимает значительную площадь, ограничивая минимальный размер массива памяти, необходимый для амортизации логических затрат. Если логические блоки не размещены рядом с каждым подмассивом, емкость шины для каждого подмассива вызовет одинаковые пределы масштабирования.Адиабатические вычисления могут использоваться для компромисса между скоростью и энергией, ограниченной емкостью, как для цифрового, так и для аналогового подходов.

Энергия параллельной записи

Масштаб энергии для записи ячейки SRAM будет идентичен энергии для чтения ячейки, уравнение (7). N строк должны быть записаны по одной, и каждая строка содержит N ячеек. При записи каждой ячейки энергия для зарядки битовой линии будет пропорциональна N . Следовательно, энергия для записи массива будет масштабироваться как O ( N 3 ).

На аналоговой матрице мы можем выполнить «параллельную запись» или обновление ранга-1, где каждый вес программируется на основе внешнего произведения входных значений строки и столбца. Пример параллельной записи показан на рисунке 3. Цель состоит в том, чтобы отрегулировать вес, W ij , на произведение входных данных в строке x i и столбца , y j , веса:

Wij ′ = Wij + xi × yj (9)

Рисунок 3.Параллельная запись показана . Вес W ij обновляется на x i × y j . Для достижения мультипликативного эффекта x i кодируются по времени, а y i кодируются по высоте импульса напряжения. Резистивная память будет обучаться только тогда, когда x i не равно нулю. Высота y i определяет силу тренировки, когда x i не равно нулю.

Аналоговое значение для входов строк, x i , может быть закодировано длиной импульса. Чем дольше пульс, тем больше изменится вес. Аналоговые входы столбцов, y j , могут быть закодированы по высоте импульса для достижения мультипликативного эффекта. Чем больше напряжение, тем больше будет изменяться вес для данной длительности импульса. Точные напряжения записи необходимо будет отрегулировать с учетом любых нелинейностей в устройстве.Параллельная запись также может выполняться полностью во времени (Kadetotad et al., 2015).

Если при записи энергия ограничена емкостью линий, формула энергии будет такой же, как и в случае чтения, и будет дана уравнением (8). Он масштабируется как O ( N 2 ) и, следовательно, в O ( N ) раз более энергоэффективен, чем память SRAM. Однако для программирования каждой резистивной памяти обычно требуется фиксированный ток.Если энергия ограничена током программы, общая энергия будет дана как количество резистивных запоминающих устройств, умноженное на энергию для программирования:

Ewrite = N2IwriteVwriteτwrite (10)

I запись и V запись — это ток и напряжение, соответственно, необходимые для записи в резистивную память. τ запись — время, необходимое для записи в резистивную память. В этом случае энергия по-прежнему масштабируется как O ( N 2 ), и поэтому она по-прежнему в O ( N ) раз более энергоэффективна, чем память SRAM.

Если ток или время записи слишком велики, возможно, что будет большой постоянный коэффициент, который сделает масштабирование энергии несущественным. К счастью, была продемонстрирована энергия для полной записи резистивной ячейки памяти до 6 фДж (Cheng et al., 2010). Кроме того, поскольку мы работаем с резистивной памятью как с многоуровневой аналоговой памятью, мы не хотим полностью записывать ячейку. Скорее, мы хотим изменить состояние только на 1% или меньше, что приведет к соответствующему снижению энергии записи на резистивную память.В этом случае энергия резистивной памяти будет того же порядка величины, что и энергия для зарядки проводов. (1% от 6 фДж составляет 60 аДж. Емкость провода на резистивную память в масштабируемом технологическом узле, вероятно, будет порядка десятков аттофарад [Международная дорожная карта технологий для полупроводников (ITRS, 2013)]. При 1 В это соответствует до десятков аттоджоулей).

Энергозатраты на точность

До сих пор мы игнорировали затраты энергии на вычисления с высокой точностью.Аналоговые поперечины лучше всего подходят для точности от низкой до средней, как показано ниже. Есть три значения, каждое из которых может иметь разный уровень точности. Пусть входы x i имеют точность в битах b в , выходные данные имеют точность b из , а весовые коэффициенты имеют точность b Вт . Учитывайте ограниченную шумом энергию параллельного чтения. Энергия на столбец определяется уравнением (5) и пропорциональна SNR 2 выходного сигнала.Если мы хотим, чтобы на выходе было 2 порядка, SNR должно увеличиться на 2 порядка. Это означает, что для создания выходных данных N с точностью b на выходе бит энергия поперечной полосы будет порядка O ( N × 22bout). Если перекладина ограничена емкостью, вычисление уже будет иметь достаточную точность, и поэтому энергия чтения / записи все равно будет O ( N 2 ).

Ограниченная тепловым шумом энергия для обработки выходного сигнала перекладины в аналоговом виде с определенной точностью также будет масштабироваться как квадрат отношения сигнала напряжения к шуму и, следовательно, квадрата числа выходных уровней: 22bout (Enz and Vittoz, 1996).Если выходной сигнал преобразован из аналогового в цифровой, цифро-аналоговая энергия обычно масштабируется как количество уровней, 2bout (Murmann and Boser, 2007). Точно так же для преобразования цифрового входа в аналоговый будет масштабироваться как количество входных уровней: 2bin. Таким образом, мы видим, что в режиме ограничения емкости полная энергия для считывания перекладины составляет порядка:

Аналоговая емкость с ограниченной энергией = O (N × (N + 22bout + 2bin)) (11)

или в режиме ограничения шума при положительных входах и весах:

Ограниченная энергия аналогового шума = O (N × (22bout + 22bout + 2bin)) = O (N × (22bout + 2bin)) (12)

Если мы используем цифровую память, нам нужно будет хранить b w бит для каждого веса.Следовательно, нам нужно будет умножить энергию на b w : E ~ O ( N 3 b w ). Нам также нужно будет умножить каждый вес на его входные данные, а затем просуммировать результат. Предполагая, что b w > b в , единичное умножение масштабируется хуже, чем O ( b w × log ( b w) (9020 Für , 2009), и поэтому вся поперечная балка с массой N 2 составляет не менее O ( N 2 × b w × log ( b w ) ).Операция суммирования будет масштабироваться медленнее. Предполагая, что b out < b w × log ( b w ), любые операции нейрона также будут масштабироваться медленнее, чем операции умножения. Таким образом, цифровая энергия составляет:

Цифровая энергия = O (N2 × bw × (N + log (bw))) (13)

Мы видим, что для конечной точности аналоговый лучше, но если требуется высокая точность с плавающей запятой, то, вероятно, лучше будет цифровой.

Энергия связи

До сих пор мы рассматривали энергию выполнения отдельных операций с резистивной перекладиной памяти.Если мы рассмотрим создание полной системы из нескольких поперечин, энергия для связи между поперечинами также может быть значительным компонентом общей энергии. Рассмотрим систему, показанную на рисунке 4. Каждая матрица (или память SRAM Merolla et al., 2014) является частью нейронного ядра, и каждое ядро ​​обменивается данными с другими через коммуникационную шину. Энергия для связи между сердечниками будет определяться энергией для зарядки емкости провода, соединяющего два сердечника. Следовательно, энергия будет пропорциональна емкости и, следовательно, длине проводов.Предположим, что каждое ядро ​​в среднем будет связываться с ядром, которое находится на расстоянии фиксированного числа ядер. Размер каждой жилы будет определяться размером перекладины, поэтому для перекладины N × N длина края сердечника будет O ( N ). Точно так же длина провода для выхода фиксированного числа жил составляет O ( N ), и, таким образом, энергия составляет O ( N ).

Рисунок 4.Система может состоять из отдельных ядер на основе кроссбруса, которые связываются друг с другом через коммуникационную шину и систему маршрутизации .

Ключевые ядра, рассмотренные до сих пор, предполагают, что одна операция управляет матрицей N × N с N входами и имеет N выходов. Это означает, что каждая операция будет иметь O ( N ) событий связи, называемых всплесками. Таким образом, у нас есть O ( N ) шипов и O ( N ) затрат энергии на один всплеск, что дает общую стоимость энергии O ( N 2 ).Энергия для управления памятью на основе SRAM составляет O ( N 3 ), поэтому затраты на связь не будут иметь значения для большого массива. Действительно, именно так обстоит дело с архитектурой IBM TrueNorth (Merolla et al., 2014). IBM прогнозирует, что для системы на основе SRAM с ядром 256 × 256 по 10-нм технологии энергия для связи на расстоянии пяти ядер в 30 раз ниже, чем энергия для записи в массив. С другой стороны, если мы воспользуемся преимуществом аналоговой линейки резистивной памяти, и энергия для ее чтения или записи, и энергия для связи будут масштабироваться с O ( N 2 ).В этом случае в зависимости от архитектуры системы преобладает энергия перекладины или энергия связи.

Для алгоритмов, которым для связи требуются ядра, которые находятся далеко друг от друга, постоянный коэффициент энергии связи (среднее расстояние связи) может быть довольно большим и вызывать преобладание энергии связи. В этом случае резистивная память по-прежнему может обеспечить значительное постоянное снижение энергии связи. Резистивная память потенциально позволяет интегрировать терабайты памяти в микросхему, в то время как микросхема, использующая SRAM, не может вместить более 100 МБ.Это означает, что резистивная память может быть на> 10,000 X плотнее, чем SRAM. Следовательно, длина кромки сердечника может быть уменьшена на 10,000 = 100 X . Это уменьшит длину провода и, следовательно, энергию связи на 100 X или более. Это верно независимо от того, используется ли резистивная память как цифровая или аналоговая.

Алгоритмы разреженной связи

До сих пор мы рассматривали только ядра, которые одновременно работают со всем ядром N × N .Некоторые алгоритмы работают только с 1 строкой или даже с 1 элементом за раз. В этих случаях шкала энергии сильно отличается.

Сначала рассмотрим алгоритм, который работает с одной строкой за раз. Предположим, что на данном этапе ядро ​​получает ввод, считывает и записывает одну строку, а затем отправляет один импульс связи другому ядру. Мы предполагаем, что в среднем количество входных пиков совпадает с количеством выходных пиков, чтобы система оставалась стабильной (пики не исчезают со временем и не взрываются, так что все всплески постоянно).В этом случае и цифровая, и аналоговая энергия для чтения / записи поперечной шкалы как O ( N 2 ). Это связано с тем, что N битовых линий необходимо заряжать для одной строки, а энергия на битовую линию масштабируется как O ( N ). Что лучше — цифровая или аналоговая реализация, будет зависеть от постоянных факторов и точной конструкции системы. В обоих случаях использование резистивной памяти для памяти уменьшает длину проводов и, следовательно, мощность. Энергия связи будет масштабироваться как O ( N ) для одиночного выброса / выхода, поскольку длина края сердечника масштабируется как O ( N ).Это означает, что энергия чтения / записи будет преобладать, поскольку она масштабируется как O ( N 2 ), а коммуникация масштабируется как O ( N ).

Затем рассмотрим алгоритм, который работает только с одним элементом. На заданном этапе ядро ​​получает ввод, считывает один элемент памяти и отправляет единственный вывод. Как в аналоговом, так и в цифровом случаях мы будем заряжать одну битовую строку и одну словарную строку, поэтому энергия будет пропорциональна длине строки и составит O ( N ).Энергия связи для одиночного шипа также будет масштабироваться как O ( N ), пропорционально длине края сердечника. Энергия связи и основная энергия должны быть одновременно оптимизированы, поскольку они оба масштабируются как O ( N ).

Прямоугольный Vs. Квадратные массивы памяти

До сих пор мы предполагали, что все наши массивы памяти являются квадратными массивами N × N . Давайте рассмотрим массив N × M с N строк и M столбцов.Для аналоговой резистивной памяти энергия чтения / записи с ограниченной емкостью будет по-прежнему масштабироваться, если длина каждого столбца умножена на количество столбцов, O ( N × M ).

Для цифровой памяти каждая строка должна быть доступна последовательно, поэтому энергия будет масштабироваться как количество строк, умноженное на длину каждого столбца, умноженное на количество столбцов: O ( N 2 × M ). Если N << M , цифровой прямоугольный массив может быть более эффективным, чем цифровой квадратный массив.Тем не менее, это верно только для чтения, если нам нужны выходные данные только по столбцам M ; т.е. мы выполняем только следующее умножение ,ixiwij, где i представляет собой строки. Если нам также необходимо вывести данные по строкам, то есть выполнить операцию транспонирования: ∑jwijxj, энергия для этой операции будет масштабироваться как O ( N × M 2 ), что будет хуже, чем квадратная матрица.

В обоих случаях мы предположили, что данные имеют ту же форму, N × M , что и память.Это позволяет нам выполнять операцию суммирования на краю каждого массива и минимизировать перемещение данных. Если данные не той же формы, что и массив, энергия будет хуже. Рассмотрим ситуацию, показанную на рисунке 5. Когда данные не той же формы, что и массив, нам нужно будет переместить данные в вычислительное устройство в одном месте. Средняя длина провода, идущего к этому блоку (включая провода в массиве и вне его), будет O [макс. ( N , M )].Следовательно, энергия будет масштабироваться как количество битов ( N × M), умноженное на общую длину провода O [max ( N , M )], что составляет: O [( N × M ) × макс. ( N , M )]. В этом случае квадратный массив с длиной ребра sqrt ( N × M ) будет наиболее эффективным с эффективностью O ( N 3∕2 × M 3∕2 ). Такое же масштабирование энергии применяется к операции записи: значение, которое должно быть записано в массив, зависит от входных данных как строки, так и столбца, поэтому оно должно быть вычислено в одном месте, а затем передано битовым линиям / столбцам в массиве.

Рис. 5. Если данные не той же формы, что и массив, входные данные будут поступать от одного маршрутизатора, а выходные данные должны поступить в один вычислительный блок . В лучшем случае дополнительная длина провода для подключения устройств ввода / вывода плюс длина провода строки / столбца составит O [макс. ( N , M )].

Разреженное кодирование с использованием массива резистивной памяти

Энергоэффективность массива резистивной памяти может напрямую влиять на повышение энергоэффективности алгоритма.Рассмотрим проблему разреженного кодирования. Разреженное кодирование находит такой набор базисных векторов, что линейная комбинация нескольких из этих векторов достаточна для объяснения каждого наблюдения. В частности, разреженное кодирование находит матрицу A , которая минимизирует следующую целевую функцию (Olshausen, 1996; Lee et al., 2008):

∑k = 1p‖yk − Axk‖2 + ∑k = 1pS (xk) (14)

, где A — это матрица M на N , M << N , базисных векторов, p — количество наблюдений, y k , (размера M ) — наблюдение k , x k (размером N ) — разреженное представление y k , а S — это стоимость разреженности, например L 1 норм.

Эта задача невыпуклая, но приближенное решение с гарантированными пределами погрешности может быть эффективно получено с помощью недавнего алгоритма Arora et al. (2015), который расширяет метод семенного градиентного спуска Olshausen и Field (1997). В частности, мы запускаем t итераций или пакетов, где мы рисуем p образцов и решаем следующее для каждого образца k :

xk = порог C (A (t) Tyk) (15)

, где A (t) — это разреженная матрица кодирования на итерации t . порог C (

Стоковые векторы, Роялти-Фри Изображения перекладины

, Стоковые векторные изображения, Роялти-фри Иллюстрации перекладины | Depositphotos® Тренировки и фитнес-мотивация ConceptMan подъема штанги в тренажерном зале векторные иллюстрацииЖенщина, поднимающая штангу векторные иллюстрации.Значки линии оборудования тренажерного зала в кругахЦирк сильный mag поднять гирюНабор силуэтов детей трицепс, изолированные на белом фоне для веб-дизайна и мобильных приложений, логотип концепт-бара трицепса. Векторный набор жира Санта-Клауса в различных действиях. Старик бородатый занимается спортом. Физическая активность. Мультипликационный персонаж, тропические птицы, орхидеи и пальмовые листья бесшовный фон. Vector.Woman подъема штанги векторные иллюстрации. Бесшовный фон с тропическими птицами, орхидеями и пальмовыми листьями. Вектор. Тропические птицы и пальмовые листья бесшовный фон. Вектор.Бесшовный фон с тропическими птицами, орхидеями и пальмовыми листьями. Vector.Sport, фитнес, школа набор 100 черных простых иконок. Еда, ферма, садоводство дизайн иконок для веб- и мобильных устройств. Вектор хранитель цели Бесшовный фон с тропическими птицами и пальмовыми листьями. Vector.Set пяти видов спорта векторные иллюстрации Штраф футбольного клуба Эквадора на стадионеVector абстрактный логотип для Water PoloMan подъема штанги векторные иллюстрации. Мультяшные иконки тренажерный залМарокко футбольный клуб штраф на стадионе Мужчина со штангой.Набор спортивных значков, знаков и символов. Набор спортивных значков, знаков и символов. Штраф футбольного клуба Сербии на стадионе. Штраф футбольного клуба США на стадионе. Штраф футбольного клуба Португалии на стадионе. Вратарь играет в футбол. Спорт, фитнес, школа набор 100 черных простых иконок. Еда, ферма, дизайн иконок для садоводства для веб- и мобильных устройств. Концепция мотивации для тренировок и фитнеса. Концепция дизайна логотипа фитнес-клуба со штангой.Наказание футбольного клуба Южной Кореи на стадионеПенальти футбольного клуба Парагвая на стадионеНаказание футбольного клуба Хорватии на стадионеУругвайский футбольный клуб Наказание на стадионеКот д’Ивуар Наказание футбольного клуба на стадионеПенальти футбольного клуба Ирана на стадионеСтадион футбольного клуба Англии на стадионеВинтажная цветочная открытка с цветами. Ретро рамка для сохранения даты, винтажная цветочная открытка с цветами, мультяшные иконки тренажерный зал, иллюстрация штанги, женщина, поднимающая штангу. Вектор веб и шаблон мобильного интерфейса. Дизайн туристического корпоративного сайта.Человек со штангой.Hfnd обращается тренажерный зал иконкиМультипликационный культуристЧеловек со штангой.Плоские значки большой набор путешествия маркетинг битник наука образование бизнес деньги торговые объекты доставка здоровьяМужчина и женщина делают упражнения с гантелями и штангой Спорт, фитнес, школа набор 100 черных простых иконок Еда, ферма, дизайн иконок для садоводства для Интернета и мобильных устройств. Человек со штангой. Концепция мотивации тренировки и фитнеса. Набор спортивных значков, знаков и символов. Штраф футбольного клуба Ганы на стадионе. Штраф футбольного клуба Южной Африки на стадионе. Штраф футбольного клуба Украины на стадионе. Футбол Бельгии. Штрафы клуба на стадионе Штраф футбольного клуба Северной Ирландии на стадионе Штраф футбольного клуба Шотландии на стадионе Бесшовные фон тренажерного залаВекторные шаблоны плакатов с брызгами акварельной краски.Концепция мотивации тренировки и фитнесаВектор плоский стиль велосипед внутри круглого зеленого значкаКонцепция мотивации тренировки и фитнесаКонцепция мотивации тренировки и фитнеса

линий, перекладин и полос ошибок

Различные способы представления вертикального интервала, определяемого размером x , ymin и ymax . В каждом случае рисуется отдельный графический объект.

 geom_crossbar (
  отображение = NULL,
  данные = NULL,
  stat = "личность",
  position = "личность",
  ...,
  жир = 2,5,
  na.rm = ЛОЖЬ,
  ориентация = NA,
  show.legend = NA,
  inherit.aes = ИСТИНА
)

geom_errorbar (
  отображение = NULL,
  данные = NULL,
  stat = "личность",
  position = "личность",
  ...,
  na.rm = ЛОЖЬ,
  ориентация = NA,
  show.legend = NA,
  inherit.aes = ИСТИНА
)

geom_linerange (
  отображение = NULL,
  данные = NULL,
  stat = "личность",
  position = "личность",
  ...,
  na.rm = ЛОЖЬ,
  ориентация = NA,
  show.legend = NA,
  inherit.aes = ИСТИНА
)

geom_pointrange (
  отображение = NULL,
  данные = NULL,
  stat = "личность",
  position = "личность",
  ...,
  fatten = 4,
  na.rm = ЛОЖЬ,
  ориентация = NA,
  show.legend = NA,
  inherit.aes = ИСТИНА
) 

Аргументы

отображение

Набор эстетических сопоставлений, созданных aes () или aes_ () . Если указано и inherit.aes = ИСТИНА ( default), он сочетается с отображением по умолчанию на верхнем уровне сюжет. Вы должны предоставить отображение , если отображение графика отсутствует.

данные

Данные, которые будут отображаться в этом слое. Есть три варианты:

Если NULL , значение по умолчанию, данные наследуются от графика data, как указано в вызове ggplot () .

data.frame или другой объект переопределит график данные. Все объекты будут укреплены для создания фрейма данных. Видеть fortify () , для которого будут созданы переменные.

Функция будет вызываться с одним аргументом, данные сюжета.Возвращаемое значение должно быть data.frame и будет использоваться как данные слоя. Может быть создана функция из формулы (например, ~ head (.x, 10) ).

стат

Статистическое преобразование данных для этого слой, как нить.

позиция

Регулировка положения, либо в виде строки, либо в результате вызов функции настройки положения.

Другие аргументы, переданные в layer () . Эти часто эстетика, используемая для установки фиксированного значения эстетики, например цвет = "красный" или размер = 3 . Они также могут быть параметрами к парному geom / stat.

откормить

Мультипликативный коэффициент, используемый для увеличения размера средняя полоса в geom_crossbar () и средняя точка в geom_pointrange () .

нар

Если ЛОЖЬ , по умолчанию отсутствующие значения удаляются с помощью предупреждение. Если ИСТИНА , отсутствующие значения автоматически удаляются.

ориентация

Ориентация слоя. По умолчанию ( NA ) автоматически определяет ориентацию по эстетическому картированию. в Редкий случай, когда это не удается, можно указать явно, установив ориентацию на "x" или "y" .См. Более подробную информацию в разделе Ориентация .

показать. Легенда

логический. Следует ли включить этот слой в легенды? NA , по умолчанию, включает, если отображается какая-либо эстетика. FALSE никогда не включает, а TRUE всегда включает. Это также может быть именованный логический вектор для точного выбора эстетики для дисплей.

наследство aes

Если ЛОЖЬ , отменяет эстетику по умолчанию, а не в сочетании с ними.Это наиболее полезно для вспомогательных функций. которые определяют как данные, так и эстетику и не должны наследовать поведение от спецификация графика по умолчанию, например границы () .

Ориентация

Эта геометрия обрабатывает каждую ось по-разному и, таким образом, может иметь две ориентации. Часто ориентацию легко вывести из комбинации данных сопоставлений и типов используемых позиционных шкал. Таким образом, ggplot2 по умолчанию пытается угадать, какую ориентацию должен иметь слой.В редких случаях ориентация бывает неоднозначной, и догадки могут не удастся. В этом случае ориентацию можно указать напрямую с помощью параметра ориентация , который может иметь значение «x» или «y» . Значение указывает ось, по которой должна проходить геометрия, "x" — это ориентация по умолчанию, которую вы ожидаете для геометрии.

Эстетика

geom_linerange () понимает следующую эстетику (требуемая эстетика выделена жирным шрифтом):

  • x или y

  • ymin или xmin

  • ymax или xmax

  • альфа

  • цвет

  • группа

  • Тип линии

  • размер

Подробнее об установке эстетики в виньетке ("ggplot2-specs") .

См. Также

Примеры

 # Создайте простой пример набора данных
df <- data.frame (
  trt = коэффициент (c (1, 1, 2, 2)),
  resp = 

Поперечный переключатель | Статья о перекладине от The Free Dictionary

Отказы коммутаторов происходят независимо в сети с частотой отказов [лямбда] для перекрестных переключателей 2x2 (разумная оценка [лямбда] составляет около [10-6] в час). Эта система ccNUMA DSM имеет узлы (называемые гиперузлами) состоящий из SMP с 16 процессорами (180 МГц PA-8000) и до 4 ГБ памяти с микросхемами 16 ГБ. Внутри гиперузла процессоры и память подключаются через неблокирующий перекрестный переключатель на 8 3 8-дюймовых панелей, в котором каждое соединение может отправлять и получите 960 МБ / сек в каждом направлении.Задержка управления потоком включает в себя задержку блоков управления потоком, задержку переключающей панели и задержку контроллера виртуального канала. Каждый из этих вычислительных механизмов находится на разных плечах переключающей панели. Следовательно, прикладное программное обеспечение может разбить свою рабочую нагрузку на задачи и назначить каждую из них соответствующему элементу обработки - графической подсистеме, ЦП или сжатию видео - для параллельного выполнения. NanoBridge создает хорошо масштабируемый кросс-переключатель 4x4 без использования выбора схемы транзисторы, используемые в обычных переключателях.Если кросс-переключатель обеспечивает 3,5 МГц, выходной сигнал микшера будет 30,5 МГц, что при делении на 10 равно 3,05 МГц. Между этими разделами через внутренний кросс-переключатель AS / 400 существуют высокоскоростные соединения. В будущих выпусках OS / 400, вероятно, OS / 400 V4R5 с серверами Pulsar, которые должны появиться в начале 2000 г., будет возможно динамическое перераспределение ресурсов, но сейчас разделы настраиваются с помощью программного обеспечения и для вступления в силу требуется перезагрузка компьютера. -1000 для Unix и Windows NT оснащен новым микропроцессором Alpha 21264, поддерживаемым системной архитектурой, построенной на перекрестном переключателе Tsunami.Это сочетание самого популярного в мире чипа с надежным механизмом перемещения данных должно сделать XP-1000 самой быстрой однопроцессорной системой на рынке и привлекательной для технических специалистов, выполняющих требовательные к вычислениям приложения, такие как моделирование больших сборок САПР и анализ методом конечных элементов. Полностью неблокирующая матрица коммутационных панелей сводит к минимуму задержку в коммутаторе до менее одной микросекунды. Система GLX4000 288 размещена в компактном шасси высотой 8U и предлагает гибкие, расширяемые характеристики коммутационной панели.По словам Illunminata, его перекрестный переключатель HyperPlane на основе Convex и новый чип PA 8500 с частотой 440 МГц, который по производительности равен 600 МГц Alpha 21264 от Compaq, дают ему дополнительные преимущества, говорит Illunminata: он может обрабатывать максимум 56 входящих соединительных линий. и 60 позиций агентов с использованием стандартного переключателя. 2B ACD был представлен в 1973 году.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.