Как сделать расчет угла наклона крыши

При проектировании дома расчет угла наклона крыши — обязательный этап, поскольку от уклона ската зависят нагрузки на кровлю. И не только они. Но иногда нужно рассчитать уклон крыши и для уже построенного дома — например, если планируется реконструкция кровли, а проектная документация утеряна.

В этой статье мы расскажем и о том, как рассчитать наклон крыши существующего дома, и о вычислении и подборе оптимального уклона кровли для строящегося здания. Максимально подробно и с наглядными примерами.

Содержание

Расчет уклона крыши уже построенного дома

Обычно угол наклона скатов считают по факту. По двум причинам.

Во-первых, никто не даст гарантии, что строители точно выдержали все размеры. И в некоторых случаях разница может быть значительной.

Во-вторых, если дом деревянный, то он неизбежно усаживается в течение первых лет после постройки. И во время этой усадки угол наклона крыши тоже меняется, причем это изменение не поддается расчетам: усадка может быть и 1%, и 3%, и даже 5% и более.

Поэтому, если вам нужно знать уклон кровли, лучше не ориентируйтесь на документацию.

Зачем вообще нужно знать угол кровли

Угол наклона крыши нужен для расчета полной нагрузки на скаты кровли. Кроме того, от уклона зависит частота обрешетки, величина нахлестов, подход к устройству примыканий и ряд других тонкостей, вплоть до невозможности использования некоторых видов материалов на слишком крутых или, наоборот, чрезмерно пологих скатах.

Это значит, что расчет угла наклона кровли существующего дома необходим, если ваша цель:

1. Перекрытие кровли более тяжелым кровельным материалом. Разница в весе между разными видами кровельных покрытий достигает 45 кг/м², и это существенная дополнительная нагрузка на стропильную систему.
2. Утепление холодной кровли. Это тоже дополнительный вес, хотя обычно играет роль не сам утеплитель, а обрешетка для него.
3. Укрепление стропильной системы. Если такая необходимость в принципе возникла, значит, стропильная система уже не держит нагрузку. Следовательно, нужно заново сделать полный расчет стропильной системы, чтобы понять, что именно и как требуется исправить.
4. Установка на кровлю солнечных батарей. В зависимости от типа и исполнения солнечные панели весят от 10 до 15 кг на 1 м². Не каждая кровля выдержит такое увеличение статической нагрузки.

Проще говоря, для ремонта кровли почти всегда нужно знать угол ее наклона. Особенно если ремонт капитальный.

Еще угол наклона нужно рассчитывать, чтобы проверить работу строителей. Конечно, если вы не хотите пополнить армию владельцев домов, у которых в проекте одни цифры, а в реальности — совсем другие.

Как узнать угол наклона крыши существующего дома

Размеры существующих конструкций можно узнать двумя способами: измерить их или рассчитать, если нужного для измерения инструмента нет.

Инструментальные способы

Для измерения угла наклона кровли используют два вида инструментов:

• угломеры;
• уклономеры.

Угломеры — это инструменты, состоящие из двух планок, которые подвижно соединены с одной из сторон. Чтобы измерить уклон ската кровли, одну из планок прижимают к нижней поверхности стропил, а вторую — к коньку, на которую стропильная нога опирается, или к стойке. Это повторяют 7-8 раз с разными стропилами, так как рассчитать угол крыши по одному измерению не получится: ширина некалиброванных досок — а именно их чаще всего используют в качестве стропил — может спокойно отличаться на 10-15 мм. И это не между разными досками, а по длине одной.

Чтобы высчитать угол наклона крыши как можно точнее, измерения, которые дали самые большие и самые маленькие углы, не учитывают, а по остальным вычисляется среднее значение. Например, вы провели восемь замеров уклона ската и получили такие значения:

Номер замера	1	2	3	4	5	6	7	8
Значение угла	29,9°	30,5°	28,3°	30,1°	29,7°	30,0°	29,9°	28,8°

Результаты измерений №№2, 3 и 8 сильно выбиваются из ряда. Это значит, что либо стропила установлены неправильно и не выведены в плоскость, либо были какие-то отклонения во время измерений. Если вы только принимаете работы по монтажу стропильной системы, то первый вариант стоит проверить. Если же речь о готовой крыше, то эти измерения просто отбрасываются, а расчёт угла наклона крыши выполняется по оставшимся пяти замерам. В результате средний угол получается равным 29,92°.

Подход с отбрасыванием крайних значений и усреднением результата используется при любых измерениях. Независимо от используемого инструмента.

Угломеры бывают механическими и электронными. Хотя чистая механика встречается все реже — угол в ней определяется с помощью шкалы, поэтому для работы с таким угломером нужно хорошее освещение. А под кровлей со светом могут быть проблемы. В электронных угломерах установлен датчик, который определяет, насколько планки смещены друг относительно друга, при этом значение угла сразу же отображается на дисплее.

В отличие от угломеров, уклономеры бывают только электронными. В их основе лежат датчики-инклинометры, которые измеряют уклон относительно гравитационного поля Земли. Следовательно, уклономеры намного точнее, и пользоваться ими проще: нужно просто поставить прибор на стропило, чтобы получить угол его наклона. Если стропильная система уже закрыта кровельным покрытием, уклономер можно прижать к нижней части стропильной ноги, но точность измерений в этом случае будет ниже.

Расчетные методы

Если у вас есть угломер или уклономер, то проблем с измерением уклона скатов не будет. Но как вычислить угол наклона крыши, если этих инструментов под рукой нет? В этом случае на помощь приходит геометрия.

Кровлю любой сложности можно легко представить в виде комбинации прямоугольных треугольников, где:

• скат кровли — это гипотенуза треугольника;
• высота кровли — один из катетов;
• горизонтальное расстояние между коньком кровли и крайней точкой карниза ската — второй катет.

Следовательно, чтобы рассчитать наклон крыши, нужно обычной рулеткой измерить высоту кровли h до верхней точки конька и расстояние от конька до карнизного свеса l. Дальше уклон ската α считается по простой формуле:

α = (h/l)·100%

Так вы получите угол наклона ската в процентах. Например, если высота кровли 4 м, а расстояние между ним и карнизом — 10 м, то уклон будет равен 40%.

Знать уклон в процентах не всегда достаточно — во многих строительных стандартах значения указаны в градусах. Поэтому при расчете нужно сделать еще один шаг — перевести полученное значение в градусы. И вот для этой цели простой формулы нет: зависимость нелинейная. Зато есть простая схема:

На схеме показано, как узнать угол наклона крыши в градусах, если есть его величина в процентах. Для этого найдите нужное значение в процентах на вертикальной шкале и посмотрите, какому углу на транспортире оно соответствует.

Как рассчитать уклон крыши дома

С готовым домом разобрались. Теперь расскажем о том, как посчитать уклон кровли в градусах, если вы занимаетесь проектированием крыши. Точнее, даже не рассчитать, а подобрать, но об этом чуть позже.

Расчет постоянной нагрузки на скаты кровли

Итак, чтобы определить необходимый угол наклона ската крыши, нужно, в первую очередь, собрать постоянные нагрузки на кровлю. То есть получить суммарную нагрузку на 1 м² от самого кровельного пирога и элементов крыши. Учитывается вес:

• внутренней и внешней обрешетки;
• стропил;
• утеплителя;
• внутренней отделки;
• кровельного покрытия;
• мансардных окон и световых тоннелей с окладом;
• водостоков;
• молниезащиты;
• оборудования, опирающегося на стропильную систему: спутниковых и телевизионных антенн, солнечных панелей и коллекторов, аэраторов;
• элементов безопасности кровли: снегозадержателей, переходных мостиков, лестниц.

Вес гидроизоляции и паробарьера обычно не учитывают, поскольку он пренебрежимо мал по сравнению с массой остальных элементов.

Для всех составляющих кровли рассчитывается их вес на 1 м². Например, если обрешетка сделана из бруса 50×50 мм и закреплена с шагом 200 мм, то на 1 м² будет приходиться всего четыре метровых бруска. Затем вес отдельных элементов суммируются, чтобы получить постоянную нагрузку на кровлю.

Расчет переменных нагрузок

Дальше нужно рассчитать временные нагрузки по нормативу СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Для частных домов это обычно только снеговая и ветровая нагрузка (разделы 10 и 11 документа).

Снеговая нагрузка на крышу

Снеговая нагрузка рассчитывается по формуле:

S₀ =S_g·μ

где:

S_g — нормативный вес снегового покрова на горизонтальной поверхности. В зависимости от района строительства он равен:

Снеговые районы	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
Sg, кН/м2	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0

Сам район определяется по карте:

Если место строительства находится на границе двух снеговых районов, для него обычно берут бОльшую нормативную нагрузку, чтобы обеспечить кровле запас прочности на случай слишком снежной зимы.

Второй элемент формулы μ — это коэффициент, который зависит от формы крыши и ее уклона. Он позволяет перевести вес снегового покрова на горизонтальной плоскости в нагрузку на наклонном скате. Чем больше угол кровли, тем меньше μ, вплоть до 0.

Ветровая нагрузка на крышу

Ветровая нагрузка на крыши частных домов обычно существенно меньше снеговой. Но она все равно почти всегда превышает 10 кг/м² и также зависит от угла наклона кровли, поэтому ее нельзя не учитывать.

Считают ветровую нагрузку w_m по формуле:

w_m = w₀·k(z_e)·c

где:

w₀ — нормативная ветровая нагрузка. Как и снеговая, она зависит от места строительства:

Ветровые районы	Ia	I	II	III	IV	V	VI	VII
w0, кПа	0,17	0,23	0,3	0,38	0,48	0,6	0,73	0,85

Ветровой район определяют по карте:

Можно заметить, что единицы измерения ветровой нагрузки не в кН/м², как у снеговой, а кПа. Это не ошибка, а просто разные обозначения одной и той же величины: 1 кПа = 1 кН/м².

k(z_e) — коэффициент, который зависит от высоты здания и типа местности.

Всего в СП 20.13330.2016 три типа местности:

• А — открытая местность: степи, пустыни, полупустыни, поля, побережья рек, озер и морей без преград, города с неплотной застройкой и высотой зданий меньше 10 м;
• В — местность, которая равномерно покрыта препятствиями высотой более 10 м: городские районы, леса.
• С — города с плотной застройкой, в которых есть здания высотой более 25 м.

Значения коэффициентов k(z_e) для разной высоты приведены в таблице ниже:

Высота ze, м	Тип местности
	А	В	С
≤ 5	0,75	0,5	0,4
10	1,0	0,65	0,4
20	1,25	0,85	0,55
40	1,5	1,1	0,8
60	1,7	1,3	1,0
80	1,85	1,45	1,15
100	2,0	1,6	1,25
150	2,25	1,9	1,55
200	2,45	2,1	1,8
250	2,65	2,3	2,0
300	2,75	2,5	2,2

Последний параметр в формуле с — это аэродинамический коэффициент, который зависит от формы кровли и типа здания. Например, для обычных домов он считается по одной формуле, а для навесов — по другой.

Поскольку и снеговая, и ветровая нагрузка — переменные, при их сложении к меньшей нагрузке применяют коэффициент 0,9.

Теперь рассмотрим, как правильно рассчитать наклон крыши двух самых распространенных видов: односкатной и двухскатной.

Как рассчитать угол наклона крыши с одним скатом

Для односкатной крыши коэффициент μ равен:

• 1, если угол наклона ската кровли меньше 30°;
• 0, если этот угол больше 60°.

Промежуточные значения вычисляются по формуле:

μ = (60°−α)/(60°−30°)

где α — это уклон кровли.

Проще говоря, если крыша дома пологая (меньше 30°), то по строительным нормам на нее действует такая же снеговая нагрузка, как и на плоскую поверхность. Если же скаты крутые (больше 60°), то снеговую нагрузку можно вообще не учитывать в расчетах. Все значения углов между этими крайними точками оставляют маневр для подбора такого уклона ската, чтобы, с одной стороны, кровля не была слишком крутой, а с другой, чтобы скаты были наклонены достаточно для значимого уменьшения снеговой нагрузки.

Объясним на примере, как определить угол наклона крыши в градусах с учетом снеговой нагрузки. Возьмем такие исходные данные:

1. Регион строительства — пригород Казани, это четвертый снеговой район с S_g = 2,0 кН/м².
2. Суммарная постоянная нагрузка на кровлю — 50 кг/м².
3. Стропильная система может выдержать нагрузку в 250 кг/м².

Рассчитаем снеговую нагрузку при μ=1:

S₀ =2·1=2 кН/м²

Чтобы перевести кН/м² в кгс/м², нужно умножить на 101,97. Итого снеговая нагрузка будет равна 203,94 кг/м². Сложим с постоянной нагрузкой и получим 253,94 кг/м² и это больше, чем может выдержать стропильная система, даже без учета ветровой нагрузки. Следовательно, угол нужно увеличить, чтобы уменьшить нагрузку.

Как высчитать угол наклона крыши в этом случае? Из несущей способности стропильной системы вычитаем постоянную нагрузку и получаем 200 кг/м². Чтобы не пересчитывать минимальный уклон несколько раз, сразу учтем запас на ветровую нагрузку — 20 кг/м², итого — 180 кг/м².

Если заснеженную кровлю планируется чистить зимой, нужно сделать еще и запас на вес человека — 60 кг будет достаточно. Дело в том, что нормативный снеговой покров выпадает крайне редко — раз в несколько десятков лет. Поэтому, даже если человек будет весить больше, вреда крыше он не нанесет. Вес человека — эта точечная нагрузка, поэтому ее не распределяют по всей кровле, а учитывают в весе на 1 м² «как есть».

После всех вычетов наш результат 120 кг/м². Именно это — максимальная нагрузка, которую может давать снежная шапка на скате. Учитывая это, перед тем как рассчитать угол ската крыши, узнаем, каким должно быть μ:

2·101,97· μ =120 кгс/м² → μ = 0,59

Теперь подставим это значение в формулу и рассчитаем минимальный угол наклона ската:

0,59 = (60°−α)/(60°−30°) → α = 42,3°

Итого, чтобы вписаться в ограничение по несущей способности, уклон скатов крыши нужно сделать равными 42,3° или больше. Лучше 45°, чтобы был запас прочности. При уклоне 45° снеговая нагрузка будет равна:

S₀ =2·101,97·0,5=101,97 кН/м²

При расчете ветровой нагрузки для односкатной кровли коэффициент c зависит от преобладающего направления ветра.

Если ветер направлен в скат крыши, то коэффициент c берут из таблицы:

Угол ската α	F	G	H	I	J
0°	-1,8	-1,3	-0,7	-0,5	-0,5
15°	-0,9	-0,8	-0,3	-0,4	-1,0
	0,2	0,2	0,2
30°	-0,5	-0,5	-0,2	-0,4	-0,5
	0,7	0,7	0,4
45°	0,7	0,7	0,6	-0,2	-0,3
60°	0,7	0,7	0,7	-0,2	-0,3
75°	0,8	0,8	0,8	-0,2	-0,3

Если ветер дует во фронтон, то используют другую таблицу:

Угол ската α	F	H	G	I
0°	-1,8	-1,7	-0,7	-0,5
15°	-1,3	-1,3	-0,6	-0,5
30°	-1,1	-1,4	-0,8	-0,5
45°	-1,1	-1,4	-0,9	-0,5
60°	-1,1	-1,2	-0,8	-0,5
75°	-1,1	-1,2	-0,8	-0,5

Минусы перед коэффициентами означают, что ветер не давит на кровлю, а, наоборот, приподнимает ее. Поэтому, если дом построен в районе, где ветер почти всегда дует в одном направлении, выгодно развернуть его фронтоном к воздушному потоку. Это снизит общую переменную нагрузку на конструкции.

В обоих случаях F, G, H, I и J — это обозначения для разных участков кровли, которые показаны на схеме:

На схеме — двускатная крыша, но ее можно использовать и для односкатной, совместив конек со стеной. На первой схеме конек совмещают с подветренной стеной, а на второй — с любой, это не повлияет на расчеты.

Теоретически, для каждого участка кровли расчет ветровой нагрузки нужно делать отдельно. И для больших промышленных, коммерческих и общественных зданий так и делают. Но для частных домов это смысла не имеет, поэтому на практике из строчки таблицы с нужным углом берется наибольший коэффициент (или наименьший, если он с минусом) и нагрузка считается по нему.

Для нашего примера коэффициент c нужно взять равным 0,7, а k(z_e) — 0,65, поскольку дом строится в районе с неплотной и невысокой застройкой (тип местности В), а высота дома — больше 5 м, но меньше 10 м. Нормативная ветровая нагрузка — 0,3 кПа, поскольку Казань находится во втором ветровом районе. Следовательно, ветровая нагрузка будет равна:

w_m = 0,3·0,65·0,7·101,97=13,92 кгс/м²

До того как посчитать угол наклона крыши исходя из максимальной снеговой нагрузки, мы закладывали запас на ветровую, равный 20 кг/м². Поскольку расчетная нагрузка меньше этого запаса, пересчитывать наклон не нужно. Если на этом этапе ветровая нагрузка окажется больше, чем заложенное в расчеты значение, необходимо будет вернуться на несколько шагов назад и учесть уже расчетное число.

Как вычислить уклон кровли с двумя скатами

Уклон двускатной крыши рассчитывают почти так же, как и односкатной. Есть только несколько тонкостей при расчете снеговой нагрузки.

Поскольку у двускатной крыши есть конек, снег на ней часто распределяется неравномерно: ветер сдувает снег с одного ската, что уменьшает нагрузку на него, но сдутая часть оседает на втором скате и увеличивает нормативную толщину снегового покрова. В результате для одной крыши появляется сразу два коэффициента μ, как видно на схеме:

Этот эффект проявляется, если уклон крыши 15° ≤ α ≤ 40°. В этом случае коэффициент μ нужно просто умножить на 1,25. То есть, он будет равен либо 1,25, если уклон меньше 30°, либо формула для его расчета немного изменится:

μ = 1,25·(60°−α)/(60°−30°),

Для частных домов μ с коэффициентом 0,75 обычно не берут. Во-первых, для этого нужно, чтобы ветер всегда дул только с одной стороны и никогда не менял направление зимой. Во-вторых, у симметричных двускатных кровель и стропильная система тоже симметричная, поэтому даже если в вашем регионе работает первое условие, в проекте все равно придется закладывать повышенную снеговую нагрузку для всей кровли.

Вторая особенность расчета нагрузки на двускатную кровлю и ее уклона касается относительно пологих крыш, у которых по коньку установлены аэрационные устройства или переходные мостики. Это не очень хорошее решение, поскольку расчет снеговой нагрузки в этом случае выполняется по схеме:

То есть, по аналогии с предыдущим случаем, коэффициент μ придется брать равным 1,4. Либо делать кровлю, уклон которой не будет попадать в диапазон:  10° ≤ α ≤ 30° — именно в нем работает эта схема.

При расчете ветровой нагрузки никаких особенностей у двускатной крыши нет — для частных домов все считается так же, как и для односкатной.

Как рассчитать уклон кровли под конкретное кровельное покрытие

На допустимый угол кровли влияет не только расчетная нагрузка, но и кровельное покрытие. Большинство кровельных материалов нельзя укладывать на очень пологие кровли, у некоторых есть ограничения и по максимальному углу наклона.

Поэтому после расчета минимального угла по нагрузке, нужно проверить, можно ли на скат с таким уклоном монтировать выбранный вид кровельного покрытия. Эти значения для популярных материалов приведены в таблице:

Вид кровельного покрытия	Минимальный уклон ската кровли	Максимальный уклон ската кровли
Шифер	25°	45°
Ондулин	5°	нет
Битумная черепица	6°	нет
Фальцевая кровля	7°	нет
Керамическая черепица	22° (классика) и 30° (бобровый хвост)	60°
Металлочерепица	9°	нет
Профнастил	8-10°	нет
Цементно-песчаная черепица	22-30°	60°

Большинство кровельных материалов можно укладывать на скаты с меньшим уклоном, чем указано в таблице. Но это дорого: протечки в этом случае практически гарантированы, поэтому нужны большие нахлесты и дополнительная герметизация кровли. И это не просто больше герметика в стыках: под кровельным покрытием необходимо, фактически, сделать вторую кровлю из рулонных битумных материалов или качественной гидроизоляционной мембраны с проклеенными стыками.

Кроме того, у профнастила, как у самонесущего кровельного материала, тоже есть своя максимальная допустимая нагрузка в зависимости от марки и расстояния между брусками обрешетки. Это значит, что если планируется перекрытие кровли этим материалом, то при расчете снеговой и ветровой нагрузке нужно смотреть не только на несущую способность стропильной системы, но и учитывать, выдержит ли такой вес сам кровельный материал.

Подведем итоги

Если дом уже построен, то есть два способа, как вычислить угол ската крыши:

1. Инструментальный с помощью уклономеров и угломеров.
2. Расчетный, который опирается на базовую геометрию и измерение двух катетов прямоугольного треугольника.

Если дом только проектируется, то нужно знать, как правильно рассчитать уклон крыши в зависимости от нагрузки на скаты. Для этого нужно вычислить:

1. Постоянные нагрузки на кровлю (вес кровельного пирога, дополнительного оборудования, мансардных окон, внутренней отделки и т.д.). Они не зависят от угла наклона кровли.
2. Переменные нагрузки (снеговую и ветровую). Они прямо зависят от уклона ската крыши, поэтому по ним и вычисляют минимальный угол.

Кроме нагрузок при расчете уклона кровли нужно учитывать тип кровельного покрытия. У всех кровельных материалов есть ограничения по минимальному углу наклона, у некоторых ограничен и максимальный.

---