Деревянный каркасный дом

Каркасные и щитовые дома как особо массовый тип — плод конвейерного производства и строительства. Разработаны они были более 100 лет назад в Детройте Фордом для рабочих автомобилестроительного комплекса. Эти посёлки сохранились и до настоящего времени. Строительство домов каркасной конструкции менее трудоёмко, чем рубленых. Стены таких домов состоят из несущих стоек, обвязок, утеплителя и отделочных слоев. Срок службы каркасных домов составляет 30 лет и более, а при хорошей биологической защите его можно увеличить в два раза. Строительство таких домов менее трудоёмко, при этом каркасные конструкции более экономичны по сравнению с рублеными, так как для их изготовления требуется в 1,5 — 2 раза меньше древесины, а по своим теплотехническим характеристикам они не уступают, а в некоторых случаях даже превосходят стены сруба. К примеру, если у нас часто сооружают каменные коттеджи в стиле старофранцузских мини-замков, то в соседней Скандинавии повсеместно предпочитают традиционную архитектуру сруба, хотя и в усложнённой тектонике. Поскольку скандинавы уже давно строят по новым теплотехническим технологиям (с увеличенным до 7 раз теплосопротивлением), их срубы только внешне выглядят таковыми. На самом деле это не что иное, как весьма искусная имитация: каркасно-щитовые дома заводского изготовления с мощным слоем минераловатной изоляции. После сборки такие дома обшивают с фасада шпунтованными пластинами со скругленными кромками, которые и создают вид рубленой конструкции. По углам таких зданий примонтированы столбчатые «клети», из бревенчатых коротышей с внутренними анкерными тяжами под напрягающими гайками, которые не только завершают образ бревенчатого дома, но и являются надёжной опорой для легких слоистых стен.

Традиционная конструкция каркасного дома
Рис. 1. Традиционная конструкция каркасного дома1 — нижняя обвязка; 2 — стойка; 3 — подкос; 4 — верхняя обвязка; 5 — лаги; 6 — балка чердачного перекрытия; 7 — стропильная нога; 8 — обрешётка.
Схема типового каркасного домика с высокой крышей
Рис. 2. Схема типового каркасного домика с высокой крышей1 — нижняя обвязка; 2 — деревянная обшивка; 3 — стойки каркаса; 4 — верхняя обвязка; 5 — ограждение лоджии; 6 — лобовая доска; 7 — стропильная нога; 8 — обрешетка; 9 — подкос.

Типичные традиционные конструкции дома с каркасными конструкциями представлены на рис. 1 и 2. Несущие стойки каркаса, обвязки и раскосы выполняют из брусков сечением 50x100 и 100x100 мм, которые устанавливают на расстоянии от 0,5 до 1,5 м друг от друга, привязывая их к дверным и оконным проемам. Стойки каркаса устанавливают на нижнюю обвязку, служащую его основанием (рис. 3). Обвязка изготавливается из бревен, брусьев или досок и опирается либо на балки цокольного перекрытия, либо непосредственно на цоколь по слою гидроизоляции. Углы нижней обвязки выполняют так, как показано на рис. 56 или, в более упрощенном варианте — на рис. 4. Соединение — гвоздями, скобами, в идеальном варианте — шипами. Расстояние между несущими стойками каркаса выбирают из условий жёсткости и размеров обшивочного материала, используемого при строительстве дома.

Формирование каркаса на нижней обвязке Вариант нижней обвязки
Рис. 4. Вариант нижней обвязки: 1 — гнездо для угловой стойки; 2 — гнёзда для промежуточных стоек; 3 — усиливающие доски.
Вариант заполнения каркаса
Рис. 3. Формирование каркаса на нижней обвязке: 1 — фиксация промежуточных стоек; 2 — сборка усиленного гнезда для угловой стойки; 3 — фиксация угловой стойки.  Рис. 6. Вариант заполнения каркаса: а — камышитом; б — засыпкой; 1, 4— камышит; 2 — стойки; 3 — штукатурка; 5 — плотная бумага, пергамин; 6 — обшивка; 7 — засыпка. 

При этом расстояние между балками цокольного и чердачного перекрытия должно соответствовать расстоянию между стойками каркаса, что позволяет получить конструктивную схему с чёткой передачей нагрузок по несущим элементам стен и перекрытий (рис. 5). Для придания каркасу большей жёсткости всегда между стойками с двух их сторон ставят дощатые подкосы, врезая их заподлицо с обвязом сковороднем или полусковороднем. На стойки устанавливают верхнюю обвязку (желательно на прямых шипах), а в нее врубают потолочные балки, на которые крепятся стропила. В местах расположения окон и дверей между стойками врезают дополнительные бруски, на которые будут опираться оконные или дверные рамы. Для внутренних перегородок предусматривают установку стоек, чтобы можно было выполнить перегородки с использованием брусков нижней обвязки.

Каркасная конструкция с прямой передачей нагрузок по несущим элементам
Рис. 5. Каркасная конструкция с прямой передачей нагрузок по несущим элементам1 — стенка; 2 — столб фундамента; 3 — нижняя обвязка; 4 — стойка; 5 — обрешетка; 6 — балка чердачного перекрытия; 7 — стропильная нога; 8 — верхняя обвязка; 9 — раскос.

Наружная обшивка должна быть атмосферостойкой и хорошо защищать внутреннее пространство каркаса от увлажнения и продувания. Вид наружной отделки каркасных стен выбирают из архитектурных соображений, наличия материалов и т.д. Возможен вариант выполнения наружной обшивки в два этапа. Сначала наружные стены обшивают черновыми досками, а после этого устраивают декоративную облицовку. Это может быть гонт, вагонка, кирпич или один из видов облицовочных панелей, которые в большом изобилии появились на строительном рынке. Обшивают стены с наружной стороны сосновыми, еловыми досками, которые располагают горизонтально для придания строению необходимой жесткости. Можно применять различные сочленения досок: встык, в шпунт (в четверть), внахлёстку и т.д. Следует отдавать предпочтение сочленению в шпунт и внахлестку, так как такие стены менее проницаемы для ветра. При такой обшивке между досками и облицовкой размещают влагонепроницаемую строительную бумагу, что дополнительно защитит древесину от атмосферных воздействий. Лучшим решением считается устройство наружной обшивки в виде экрана, расположенного от поверхности стены на расстоянии 3 — 5 см с образованием полости для вентиляции. В этом случае каркас с наружной стороны сначала обшивают твёрдыми древесноволокнистыми плитами толщиной 3 — 4 мм, затем сверху набивают вертикальные рейки или бруски, а по ним крепят наружную обшивку. Такое решение хотя и требует дополнительного расхода материалов, однако обеспечивает более надёжную защиту утеплителя от увлажнения, а древесину от биологического разрушения.

В качестве утеплителя могут быть использованы органические и неорганические материалы. Применяя тот или иной утеплитель, следует обеспечить его эффективность в процессе длительной эксплуатации дома. Поэтому нельзя допускать уплотнения и осадки сухих засыпок, а также намокания и загнивания органических утеплителей. Утеплители, применяемые для каркасного домостроения должны обладать плотностью не более 500 — 600 кг/м3. Наиболее часто используемые для этой цели утеплители и их характеристики отражены в таблицах.

Плитные утеплители

Плиты Размер, мм Площадь, м2 Масса, 1 м2, кг
высота длина толщина
Несгораемые полужесткие 600 600 50 0,36 2,25
Стекловатные 600 300 50 0,21 1,35
Несгораемые минераловатные 600 600 50 0,36 2,25
Полужесткие теплоизоляционные на синтетической связке 600 300 50 0,21 1,35

Характеристики утеплителей

Материал Плотность, кг/м3 Прочность на сжатие, МПа Минимальная толщина при температуре наружного воздуха, °С
-20 -30 -40
Шлак котельный 600-900 - 16-18 20-24 26-30
Керамзит 400-600 - 14-16 18-22 24-28
Опилкобетон 250-400 - 10-12 14-16 18-20
Минеральная вата 100-250 - 8-10 12-14 16-18
Пенопласт 20-60 - 3-5 5-8 8-12

Как видно из таблицы самыми эффективными являются минераловатные плиты и пенопласты. При этом пенопласты имеют единственный недостаток — плохую огнестойкость. Другие утеплители из-за относительно высокой теплопроводности можно применять лишь в районах с расчетной температурой до -25°С. Варианты засыпки полостей каркаса показаны на рис. 6.

Органические утеплители перед засыпкой нужно антисептировать, смешивать с минеральными вяжущими (цемент, известь, гипс) и во влажном состоянии укладывать с лёгким трамбованием. Основной недостаток сухих засыпок заключается в их осадках, вследствие чего могут образоваться пустоты. Поэтому при их использовании стены поднимают на 200 — 300 мм выше потолочных балок. Через некоторое время засыпку добавляют. Для этого же устраивают выдвижные подоконники или под окнами применяют только плитные или волокнистые материалы. Плитные утеплители крепят к стойкам каркаса двумя прижимными брусками сечением 20x30 мм. Их прибивают по всей длине стоек так, чтобы они образовали пазы, в которые плотно без зазоров можно было вставлять вырезанные в плите гребни. Углы строения, а также коробки дверей и окон с внешней и внутренней сторон обшивают досками и наличниками. Для предохранения от гниения наружную сторону стен покрывают олифой и окрашивают.

Для защиты засыпки от паров воздуха, движущегося зимой со стороны помещения, необходимо укладывать с внутренней стороны изоляционный слой из пергамина или другого изоляционного материала. Внутренние стены можно оштукатурить по дранке или оклеить обоями по обшивке из гипсокартонных плит или других листовых материалов. При этом нужно учитывать, что некоторые виды древесностружечных плит имеют высокую токсичность и запрещены для использования в жилых помещениях. Тонкие древесноволокнистые плиты при изменении влажности воздуха могут коробиться. Для предотвращения этого явления их склеивают попарно, используя любой медленно сохнущий клей. 

Врезки и врубки соединительных узлов

Существует множество способов сплачивания деталей из дерева. Начиная от простых гвоздей и заканчивая хитроумными соединениями на шипах и различными плотничьими врубками сплачивают между собой деревянные детали с высокой надежностью и жёсткостью. От качественного и прочного соединений узлов и деталей деревянного каркаса зависит его прочность, устойчивость, а в большинстве случаев — и внешний вид.

Шиповые соединения
Рис. 1. Шиповые соединения: А — «гнездо-шип»; Б — глухое открытое шиповое соединение; В — зубчатый шип; Г — двойной шип; Д — многократный шип; Е — одинарный шип; Ж — круглый шип; З — одинарный сквозной шип с расклинкой; И — двусторонний «ласточкин хвост»; К — односторонний «ласточкин хвост»; 1 — плоский шип; 2 — гнёзда (проушина); 3 — расклинка. 
Элементы шиповых соединений
Рис. 2. Элементы шиповых соединений: 1 — шпунт; 2 — гребень; 3 — шип круглый; 4 — шипы плоские; 5 — проушина; 6 — гнездо плоского шипа; 7 — гнездо круглого шипа. 

Шиповые соединения элементов деревянного каркаса считаются наиболее эстетичными, но их исполнение требует высокой квалификации (рис. 1). Шиповое соединение состоит из двух элементов — шипа и гнезда, или проушины. Шипом называют выступ, находящийся на конце одной детали и входящий в гнездо или проушину другой детали (рис. 2). Подгонка гнёзд и шипов должна быть такой, чтобы шипы плотно входили в гнёзда, не разрушая волокна древесины. При очень тугой посадке промежутки между шипами или гнездами могут отслаиваться, а при свободной посадке — соединение будет непрочным.

Для изготовления шипа рейсмусом размечают его высоту и глубину гнёзд на концах заготовки. После этого при помощи малки или специального шаблона размечают расположение шипов и гнёзд на боковых и торцевых сторонах обеих заготовок и приступают к пропиливанию контуров вдоль волокон древесины, пользуясь мелкозубой ножовкой. При этом пропилы не должны выходить за линию высоты шипов. Лишняя древесина из гнёзд удаляется долотом или стамеской вдоль линии, проведённой рейсмусом.

Гнёзда выбирают без предварительного пропила только с помощью долота или стамески. Эта работа более трудоёмка, но она дает возможность скрыть шиповое соединение с лицевой стороны каркаса. Долбление гнёзд и проушин долотом требует большого внимания и аккуратности. В случае сквозного гнезда заготовку размечают с обеих сторон, а в случае несквозного — с одной стороны. При долблении следует придерживаться следующих правил:

  • ширина долота должна соответствовать ширине гнезда. Работать можно только хорошо заточенным инструментом, так как тупое волокно не рубит, а сминает волокна;
  • рубить необходимо только поперек волокон. Рубка вдоль волокон может привести к расколу заготовки;
  • долото или стамеску ставят фаской внутрь, то есть в сторону, которая будет выбираться в процессе долбления. Это позволит избежать сминания волокон древесины на оставшейся части заготовки;
  • нельзя устанавливать лезвие долота на линии разметки, а необходимо отступать от нее на 1 мм в сторону, которая выбирается. При ударе киянкой или молотком по ручке долото подвинется к фаске;
  • удары молотка или киянки должны приходиться строго по центру инструмента, чтобы не отклонить траекторию движения режущей части. Во время удара долото должно быть перпендикулярно плоскости заготовки.

Долото ставят поперёк волокон и ударом киянки перерезают волокна. После этого долото ставят внутрь гнезда и отделяют стружку вторым ударом. Для этого после первого удара отступают долотом на 2—3 мм в сторону долбления и ударом молотка или киянки вырубают стружку. Затем вторым ударом углубляют долото и вновь вырубают стружку. Так повторяют до тех пор, пока не выдолбят больше половины длины гнезда. Стружку подрезают обязательно на всю глубину гнезда, иначе оно получится с неровными краями. После того, как половина гнезда будет продолблена, долото разворачивают в другую сторону и долбят от противоположной линии. В заключение делают окончательную выборку дна и зачистку сторон гнезда. При долблении проушин, когда боковые стороны гнезда подпилены, выполняют поднутривание, то есть подрезают углы проушины под последующее чистовое долбление.

Плотничные замки используют с давних времен, придавая местам соединения деревянных элементов прочность, а всей конструкции каркаса необходимую жесткость. В каркасах зданий чаще всего используют замки внакладку и замки в сковородень.

Замки угловые внакладку
Рис. 3. Замки угловые внакладку: А — первого рода; Б — второго рода; В — третьего рода
Угловые замки в сковородень
Рис. 4. Угловые замки в сковородень: А — простой сковородень; Б — простой сковородень с прирезкой.

Замок угловой внакладку может быть первого, второго и третьего рода (рис. 3). Это самый простой вид замка, когда в каждой детали делается прямоугольная выборка на половину толщины заготовки. Отсюда и название замков (вполдерева), которое часто используется в обиходе. Замок первого рода (позиция А) применяется тогда, когда заготовки соединяют концами под прямым углом друг к другу. Для изготовлений такого замка отступают от торца заготовки на ширину торца другой заготовки и делают вырубку до половины толщины древесины. Точно также поступают и с концом другой заготовки. Детали соединяют между собой и скрепляют на клею, гвоздями или нагелями в зависимости от эксплуатационных нагрузок, в которых будет находиться сопрягаемое место.

Замок второго рода (позиция Б) используется при сопряжении деталей между собой под прямым углом, образуя Т-образное соединение. Соответственно замок третьего рода (позиция В) образует крестообразное соединение деталей под прямым углом друг к другу.

Замки угловые в сковородень (рис. 4) более сложны в исполнении, однако они способны нести большую эксплуатационную нагрузку. Простой сковородень (позиция А) применяется для угловых соединений деталей одинаковой толщины. Для этого на торце одной заготовки вырезают трапецию, а на второй — вырубают гнездо той же формы и размеров. Простой сковородень с прирезкой (позиция Б) применяют, когда соединяемые детали имеют разную толщину. В этом случае на конце одной детали вырезают трапецию, а на второй — вырубают гнездо, глубина которого равна толщине первой детали.

Стропильные врубки применяют при сооружении элементов крыши. В связи с тем, что стропила всегда располагаются под углом к балкам перекрытия, методика таких врубок имеет свои отличительные особенности. Наибольшее применение в узлах брусчатых ферм, используемых для крыши, получили лобовые врубки и упоры (рис. 5). Соединения на лобовых врубках не требуют специального оборудования, они просты в изготовлении и надежны в эксплуатации. Для передачи монтажных нагрузок в лобовых врубках часто используют вспомогательные металлические крепления: скобы, болты, штыри и т.п.

Лобовые врубки и упоры
Рис. 5. Лобовые врубки и упоры: А, Б, В — лобовые упоры; Г — лобовая врубка; 1 — штырь; 2 — скоба; 3 — плотная приторцовка; 4 — стяжные болты; 5 — опорная подушка; 6 — подбалка; 7 — аварийный болт.
Стропильные врубки
Рис. 6. Стропильные врубки: А — шиповая стропильная; Б — шиповая стропильная с зубьями; В — шиповая стропильная с двойным шипом; Г — стропильный замок с двойным шипом. 

Стропильная нога, врубленная в балку (затяжку), под действием внешних сил давит на конец затяжки, что может вызвать откол крайнего верхнего куска древесины. Чтобы этого не случилось, стропильную ногу врубают зубом, шипом или одновременно и тем, и другим (рис. 6). Концы затяжки не скалывают, если врубка выполняется на расстоянии не менее 250—300 мм от края. Для получения шипового стропильного замка нижний конец стропильной ноги причерчивают к затяжному брусу или к балке по уклону и прирубают с боков по 1/3 ширине бруса, а оставшаяся средняя часть будет составлять основу шипа, острый конец которого обрубается по наугольнику. Соответственно шипу для него вырубают гнездо в балке. Двойной шип получают точно так же, с той лишь разницей, что вместо одного шипа рубят два, а иногда и три. Узел врубки необходимо обязательно стянуть болтом, устанавливаемым перпендикулярно верхнему поясу, либо скобами с двух сторон. Болт называется аварийным. Он должен воспринимать усилие верхнего пояса. Кроме того, плоскость соприкосновения должна быть расположена так, чтобы ось примыкающего сжатого элемента проходила через середину плоскости смятия. Глубина врубок должна быть не менее 2 см, а длина плоскости скалывания не должна быть менее 1,5 ширины бруска.

Усиление конькового крепления накладками и косынками
Рис. 7. Усиление конькового крепления накладками и косынками: 1 — коньковые накладки; 2 — косынки

В коньке стропильные ноги сращивают между собой вполдерева. Часто для усиления этого крепления используют деревянные или металлические треугольные косынки (накладки) (рис. 7). При этом косынки могут быть как накладными, так и врубаться в стропила в виде вставного шипа.

Заполнение каркаса утеплителем

Каркасная схема сооружения домов применяется с давних времен. Традиционно к стойкам каркаса прибивали черепные бруски, образуя своеобразные пазы. В пазы между черепными брусками забивали короткие бруски, обмотанные валками из соломы и глины. Таким образом получалась комбинация деревянного и глинобитного строения. Дома такой конструкции и по сей день можно встретить во многих регионах страны. Для того, чтобы стены были ровными, по периметру дома устанавливали деревянную опалубку, которую поднимали по мере заполнения каркаса.

В традиционной конструкции каркасных домов стены утепляли камышитом, шлаком, опилками, лузгой подсолнечника и другими природными утеплителями, пропитанными известковым молоком. Для этого каркас обшивали с внутренней и наружной сторон досками, толщиной 25 мм, прибивая их к стойкам гвоздями. Вместо досок нередко для наружной обшивки использовали плоские асбоцементные плиты и другие стойкие к атмосферным воздействиям материалы. Главный враг каркасных стен — влага во внутренней полости каркаса. Влага проникнуть может через щели и неплотности во время дождей и снежных заносов. Кроме того, влага может конденсироваться в холодное время года из поступающих со стороны внутренних помещений водяных паров. Для защиты каркаса и утеплителя от увлажнения со стороны внутренних помещений здания устраивают пароизоляцию — слой пергамина, рубероида или полиэтиленовой пленки, укладываемый между утеплителем и внутренней обшивкой.

 Варианты традиционного заполнения каркаса
Рис. 1. Варианты традиционного заполнения каркаса: А — камышитом; Б — засыпкой; 1 — камышит; 2 — стойки; 3 — штукатурка; 4 — плотная бумага-пергамин; 5 — обшивка; 6 — засыпка. 
Конструкция стены каркасного дома
Рис. 2. Конструкция стены каркасного дома (размеры в мм): А — наружная стена; Б — внутренняя стена; 1 — гипсокартонные листы; 2, 6 — фибролитовые плиты; 3 — обвязка; 4 — цементный раствор; 5 — два слоя бумаги строительной или мягкая древесно-волокнистая плита; 7 — мокрая штукатурка; 8 — стойка каркаса; 9 — крепежный брус.  

Варианты традиционного заполнения каркаса показаны на рис. 1. И чем легче материал утеплителя, тем ниже его теплопроводность. Все органические материалы перед засыпкой антисептируют и сушат. Удельный вес местных материалов, которые часто используют в качестве утеплителя, приведен в таблице №1.

Таблица 1. Удельный вес местных строительных материалов

Наименование материала Удельный вес, кг/м3
Котельный шлак 1000
Гранулированный доменный шлак 700
Трепел 600
Пемза 500
Стружка древесная 300
Опилки древесные 250
Торф сухой 150
Мох сухой 135
Соломенная сечка 120

Перед засыпкой эти материалы смешивают с известью-пушенкой, которой должно быть не менее 10% от объема материала для засыпки. Известь-пушенка предохраняет засыпку от разведения в ней грызунов. Смесь тщательно смешивают до полной однородности состава. Для более равномерного перемешивания органических материалов с известью-пушенкой все компоненты насыпают на деревянный или металлический щит и переворачивают лопатами до полного перемешивания. Приготовленную массу закладывают в пустоты слоями по 200—300 мм и тщательно уплотняют.

Используя для заполнения каркаса местные материалы, следует обращать внимание на их токсичность. Это особенно касается доменных и котельных шлаков, которые очень часто применяют в качестве утеплителя.

Если эти материалы не проверить на токсичность, то может получиться, что хозяин дома, сам того не подозревая, закладывает в стены своего жилища экологическую бомбу, которая впоследствии может сказаться на здоровье членов семьи. Для того, чтобы этого не произошло, лучше всего пользоваться проверенными утеплительными материалами, качество и безопасность которых гарантируется соответствующими сертификатами.

Недостаток сухих засыпок состоит в том, что они дают осадку с образованием пустот. Поэтому, если каркас заполняют сухой засыпкой, стены поднимают на 200—300 мм выше потолочных балок и полностью заполняют засыпкой. Постепенно оседая, засыпка уплотняется и заполняет пустоты. Пространство каркаса под окнами лучше заполнять плитными или волокнистыми материалами. Если по какой-либо причине возникает необходимость заполнения каркаса под окнами сухими засыпками, то следует установить выдвижные подоконники, через которые добавляют засыпку по мере ее уплотнения.

Недостатки сыпучести утепляющей засыпки устраняют добавками, превращающими смесь в твердый заполнитель. К примеру, если 85% опилок смешать с 10% извести-пушенки и 5% гипса, то смесь превратится в твердый заполнитель, который называется термолитом. Для этого опилки и другие органические материалы применяют слегка влажными, без специальной сушки. Сначала опилки перемешивают с пушенкой, а затем с гипсом и быстро укладывают в стену. В связи с тем, что время схватывания гипса сравнительно невелико, готовят смесь небольшими порциями, чтобы процесс твердения не произошел до укладки. Масса, образовавшаяся в результате твердения смеси, имеет пористую структуру, обладающую хорошими теплоизоляционными свойствами. И в то же время такой утеплитель не дает усадки, что очень важно для сохранения теплоизоляционных качеств ограждающей конструкции. Если вместо извести-пушенки используют известковое тесто, то его берут в два раза больше, а количество воды при этом уменьшают.

Готовят увлажненные засыпки так. На металлический лист или деревянный щит насыпают органический утеплитель и вяжущее вещество, все тщательно перемешивают, а затем смачивают водой и перемешивают до получения однородной смеси. Засыпка, уложенная с легким уплотнением, высыхает в конструкции стены за 3—5 недель, в зависимости от температуры наружного воздуха. В деревянных каркасных домах с увлажненными засыпками не следует устанавливать паро-изоляционные слои, которые препятствуют испарению влаги и могут привести к образованию грибковых заболеваний древесины.

Плитные утеплители более технологичны, а их укладка не требует использования мокрых процессов, что позволяет избежать опасности образования грибковых заболеваний древесины. Кроме того, отсутствие мокрых процессов сокращает сроки строительства, так как не тратится время на сушку утепляющего слоя. Плитные утеплители крепят к стойкам каркаса двумя прижимными брусками сечением 20х30 мм. Их прибивают по всей длине стоек так, чтобы они образовали пазы, в которые плотно без зазоров можно было вставлять вырезанные в плите гребни. Наиболее часто используемые для этой цели утеплители и их характеристики отражены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2. Плитные утеплители

Плиты Размер, мм Площадь, м2 Масса, м2
высота длина толщина
Несгораемые полужесткие 600 600 50 0,36 2,25
Стекловатные 600 300 500 0,21 1,35
Несгораемые минераловатные 600 600 500 0,36 2,25
Полужесткие теплоизоляционные на синтетической связке 600 300 50 0,21 1,35

Таблица 3. Характеристики утеплителей

Материал Плотность, кг/м3 Минимальная толщина при температуре наружного воздуха, °C
-20 -30 -40
Шлак котельный 600-900 16-18 20-24 26-30
Керамзит 400-600 14-16 18-22 24-28
Опилкобетон 250-400 10-12 14-16 18-20
Минеральная вата 100-250 8-10 12-14 16-18
Пенопласт 20-60 3-5 5-8 8-12

Как видно из таблицы 3, минераловатные плиты и пенопласты являются самыми эффективными. При этом пенопласты имеют единственный недостаток — плохую огнестойкость. Другие утеплители из-за относительно высокой теплопроводности могут применяться лишь в районах с расчетной температурой до -25°С. Наиболее эффективным утеплителем считается минеральная вата с объемной массой до 500 кг/м3. Плиты из минеральной ваты легки, огнестойки, не гниют и не разрушаются грызунами. Применение плитных утеплителей следует учитывать еще на стадии формирования каркаса. Чтобы избежать их резки или стыковки, расстояние между стойками каркаса должно соответствовать размеру плит. Плиты утеплителя укладывают с обязательным перекрытием стыков. Другие минеральные утеплители (топливные и металлургические шлаки, керамзит, трепел) значительно уступают минеральной вате по теплопроводности, поэтому их применение в районах с расчетной температурой наружного воздуха ниже -25°С нецелесообразно. При использовании в качестве утеплителя пенопласта щели между плитами желательно задуть монтажной пеной, что повысит эффективность утепляющей системы. Хорошо зарекомендовавшие себя конструкции внешней и внутренней каркасных стен показаны на рис. 2.

Каркасные стены из бруса

Каркасные стены из брёвен представляют собой смесь каркасной конструкции и традиционного сруба (рис. 1). Такой технологический приём снижает стоимость строительства, так как для этой цели можно использовать брёвна-коротыши, стоимость которых намного меньше длинномерных бревен. Кроме того, в конструкции каркасных стен из бревён отпадает необходимость выполнения врубок по углам здания, что до определенной степени снижает трудоёмкость строительства. По эксплуатационным свойствам такие стены не уступают обычным срубам. В доме такой конструкции более интенсивно происходит обмен воздуха, в том числе непосредственно через поры самой древесины: деревянные дома «дышат». С точки зрения здоровья — это немаловажный фактор.

Каркас стены делается из бревён, обтесанных на четыре канта, или из брусьев сечением не менее 200х200 мм, в которых выбирают пазы шириной и глубиной 5—6 см. Для этого подбирают брёвна хвойных пород, так как они отличаются ровной и плотной внутренней структурой, а также высокой воздухопроницаемостью. При этом теплопроводность такой древесины близка к нулю; а значит, дом всегда будет хранить тепло. На концах брёвен забирки выполняют гребни, которые вставляют в эти пазы. Брёвна забирки вставляют гребнями сверху и уплотняют паклей. После установки всех брёвен насаживают верхнюю обвязку, наколачивая ее деревянным молотком на верхние шипы стоек. Для брёвен забирки следует подбирать сухой материал, чтобы не пришлось конопатить несколько раз. Стойки каркаса соединяют с обвязками потайным шипом и скрепляют металлическими скобами.

Стены из горизонтальных бревен дают осадку, что является одним из самых больших недостатков данного конструктивного решения. Зазор, образующийся в результате осадки брёвен между верхней частью стены и верхней обвязкой каркаса убирают досками и паклей и закрывают обшивкой карниза. Общий вид участка стены каркасной конструкции с заполнением брусьями представлен на рис. 2.

Каркасная стена из брусьев Каркасная стена из горизонтальных брусьев

Рис. 1. Каркасная стена из брусьев (бревен): 1 — нижняя обвязка; 2 — гребни брусьев (бревен); 3 — верхняя обвязка; 4 — балка перекрытия; 5 — угловой брус (бревно); 6 — фиксация углового бруса в нижней обвязке; 7 — временная фиксация верхней кромки сруба. 

Рис. 2. Каркасная стена из горизонтальных брусьев: 1 — нижняя обвязка; 2 — верхняя обвязка; 3 — пазы нижней обвязки; 4 — пазы верхней обвязки; 5 — брусья; 6 — нагели (костыли); 7 — гидроизоляция; 8 — цоколь; 9 — врубка (перегородка); 10 — соединения «паз-гребень». 

Каркасные конструкции во многом избавляют бревенчатые и брусовые стены от одного самого главного недостатка — от осадки в первые годы эксплуатации. Чтобы не допустить возможного смещения бревен в любой плоскости, их скрепляют между собой шкантами. Снижение продуваемости стен обеспечивают профилированием брусьев (брёвен), сплачиванием элементов в шпунт или в паз с последующей конопаткой швов (рис. 3). Заканчивается стена верхней обвязкой, которая представляет собой зеркальное отражение нижней обвязки.

Обеспечение непродуваемости брусовых (бревенчатых) стен каркасных домов
Рис. 3. Обеспечение непродуваемости брусовых (бревенчатых) стен каркасных домов: А — профилированием брусьев; Б — сплачиванием в рейку; В — соединением «паз-гребень». 

Для конопатки стен используют мох, пеньку, паклю, войлок и т.п. Уплотнительные материалы желательно смочить в формальдегиде, гипсе или в извести-пушёнке, которые являются хорошим антимолевым средством. Но самое главное, пропитка уменьшит осадку венцов и увеличит плотность прилегания их друг к другу. Мох должен быть сухим, но одновременно достаточно гибким, так как сухой мох крошится при конопатке, а от сырого — появляются гнилостные процессы в древесине. К услугам современных строителей продается специальное джутовое или льняное полотно, работать с которым удобно и легко. 

Конструирование деревянного каркаса

Каркасные стены просты в изготовлении и экономичны в эксплуатации. Каркас любого здания состоит из нижней обвязки, стен, верхней обвязки, подкосов жесткости и таких вспомогательных элементов как промежуточные стойки и ригели, между которыми располагают оконные и дверные проемы.

Вариант нижней обвязки Формирование усиленных гнезд в нижней обвязке
Рис. 1. Вариант нижней обвязки: 1 — гнездо для угловой стойки; 2 — гнезда для промежуточных стоек; 3 — усиливающие доски.
Фиксация врубок каркасной стены скобами
Рис. 3. Фиксация врубок каркасной стены скобами: 1 — скобы фиксации элементов каркаса; 2 — нижняя обвязка; 3 — стойка; 4 — подкос; 5 — верхняя обвязка; 6 — формирование оконного проема; 7 — пол. 

Рис. 2. Формирование усиленных гнезд в нижней обвязке: 1 — фиксация промежуточных стоек; 2 — сборка усиленного гнезда для угловой стойки; 3 — фиксация угловой стойки. 

Нижнюю обвязку, которая служит основанием каркаса, собирают из брусьев, брёвен или толстых досок (рис. 1). Между деревянными конструкциями нижней обвязки и фундаментами устанавливают гидроизоляцию из толя или рубероида в 2—3 слоя. Для защиты нижней обвязки под ее бруски желательно подложить просмоленные или обработанные антисептиком прокладки. При значительных нагрузках формируют усиленные гнёзда угловых стоек (рис. 2). Если балки пола врубают в обвязку, то последнюю составляют из двух венцов. Врубку балок пола обычно выполняют при помощи углового замка внакладку 1-го и 2-го рода или в простой сковородень с прирезкой. Эти балки входят в систему горизонтальных связей конструкции дома, придавая ей необходимую жесткость. Для снижения уровня звуковых колебаний, которые передаются стенам от перекрытия, балки целесообразно укладывать на звукоизолирующие прокладки, в качестве которых может служить пропитанный антисептиком войлок или резина. Все врубки желательно фиксировать металлическими скобами, которые придают местам соединения необходимую прочность и жесткость (рис. 3). Скобы необходимо забивать так, чтобы они впоследствии не мешали обшивке каркаса. Выбор балок является ответственным моментом, потому что просчеты при определении сечения несущих деревянных элементов приведут к нежелательным прогибам пола. При выборе сечения балок нужно учитывать, что высота балки должна быть не менее 1/16 ширины расчетного пролета, а ее ширина — 1/3—1/2 этой же величины. Для выбора балок можно воспользоваться таблицей, разработанной И.Стояновым.

Подбор деревянных балок

Нагрузки, кг/пог. м Сечение балок при длине пролета, м
3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
150 5*14 5*16 6*18 8*18 8*20 10*20 10*22
200 5*16 5*18 7*18 7*20 10*20 12*22 14*22
250 6*16 6*18 7*20 10*20 12*20 14*22 16*22
350 7*16 7*18 8*20 10*22 12*22 16*22 20*22

В зависимости от несущей способности балок, длины их пролета и величины эксплуатационных нагрузок расстояние между балками выбирают в пределах 0,5—1 м. Нужно учитывать, что проемы между балками тоже подвергаются нагрузкам, поэтому в любом случае увеличивать их более, чем на 1 м не следует. При этом расстояние между балками цокольного и чердачного перекрытия должно соответствовать расстоянию между стойками каркаса, что позволяет получить конструктивную схему с чёткой передачей нагрузок по несущим элементам стен и перекрытий. Наиболее экономичными по расходу древесины считаются балки толщиной 5 и высотой 15—18 см при расстоянии между ними 40—60 см. Балки не должны иметь пороков, влияющих на их прочностные характеристики (большое число сучков, косослой, свилеватость и т.д.). Балки подвергают обязательному антисептированию и противопожарной пропитке.

Обеспечение вертикальности стоек каркаса при помощи металлических анкеров Нижняя обвязка в собранном виде
Рис. 4. Обеспечение вертикальности стоек каркаса при помощи металлических анкеров: 1 — стойка; 2 — анкер из полосовой стали; 3 — болт с гайкой; 4 — гидроизоляционный отступ; 5 — бетонная опора; 6 — фундаментная бутобетонная опора.  Рис. 5. Нижняя обвязка в собранном виде. 

Для предотвращения бокового сдвига каркаса бруски нижней обвязки крепят к фундаменту анкерами, металлическими хомутами или каким-либо другим доступным способом. Для этого при монтаже фундамента предусматривают специальные анкеры или металлические закладные (рис. 4). Углы должны быть прямыми. Их формируют при помощи строительного угольника или теодолита. Для проверки горизонтальности брусков обвяза пользуются нивелиром или строительным уровнем. В собранном виде нижняя обвязка будет выглядеть так, как показано на рис. 5.

Установка стоек каркаса Металлические соединители
Рис. 6. Установка стоек каркаса: 1 — стойки угловые; 2 — стойки промежуточные; 3 — стеновые панели; 4 — перекрытие; 5 — ригели.  Рис. 7. Металлические соединители: А — пластина; Б — угольник; В — соединитель сложной геометрии; Г — формирование просечной пластины: 1 — пластина; 2 — выштампованный шип; 3 — насечка шипа. 

Стойки каркаса устанавливают по углам здания, а промежуточные — на расстоянии одна от другой в соответствии с размерами заполнителя (рис. 6). Оптимальным расстоянием между стойками каркаса считается 50—70 см, но в любом случае оно не должно быть более 1 м. Эти размеры обеспечивают прочность и устойчивость каркаса и позволяют применять для внутренней и наружной обшивки любой погонажный или листовой материал. В местах установки дверных и оконных блоков расстояние между стойками каркаса должно соответствовать наружным размерам коробок. Если это условие не соблюдается, то возникает необходимость в установке дополнительных стоек, предназначенных для закрепления коробок. Для стоек используют древесину без дефектов и только 1-го сорта. Сечение стоек должно обеспечивать восприятие всех нагрузок от перекрытия и крыши здания. Толщина стен дома каркасной конструкции зависит от расчетной наружной температуры в холодное время года и от эффективности утеплителя. Но в любом случае она не должна быть меньше 100 мм. Это значит, что при толщине брусков 50 мм их минимальная ширина должна быть 100 мм. В I и II климатических зонах толщина стен обычно составляет не менее 150 мм.

В габаритных зданиях (12x8 м) для стоек каркаса нужно брать бруски сечением 150x150 мм, для более компактных домов можно использовать брусья 100x150 мм. В данном случае ширина брусков регламентируется не только прочностными параметрами древесины, но и толщиной слоя утеплителя, а также его теплоизоляционными свойствами. С верхней и нижней обвязкой стойки соединяют шипами 5x5x5 см и крепят с каждого конца скобами с противоположных сторон. При установке стоек необходимо располагать их боковые стороны в одной плоскости в пределах стены. Это в последующем облегчит задачу как внутренней, так и наружной обшивки.

После установки стоек проверяют их вертикальность строительным уровнем или отвесом, после чего каждую стойку закрепляют временными связями. Временные связи можно снимать только после того, как каркасу по мере установки постоянных подкосов будет придана необходимая жесткость. Стойки пристроенных элементов (веранды, тамбура, эркера и т.п.) следует связывать с основной силовой схемой дома, что придаст каркасу дополнительную жесткость.

Шиповое соединение стоек с брусками обвяза является далеко не единственным вариантом. Современные строительные технологии имеют на вооружении большую гамму металлических соединителей в виде пластин, угольников и т.п., применение которых намного упрощает строительство (рис. 7). Все дело в том, что от качества шиповых соединений зависит жесткость каркаса, а правильно их изготовить сможет далеко не каждый. Установка же металлических соединителей не требует высокого мастерства, а прочность соединений намного увеличивается, так как конструкция не ослабляется врубками. И в этом случае отпадает необходимость усиления соединения скобами, так как металлические соединители усиливают узлы каркаса.

Каркасные дома бывают не только в одноэтажном исполнении, но и двухэтажными. Двухэтажные дома строят по нескольким методикам. Первая из них заключается в том, что каркас второго этажа устанавливается непосредственно на каркасе первого этажа. Таким образом получают как бы два отдельных дома, один из которых установлен на другом. Во втором случае несущие вертикальные стойки каркаса делают по длине на два этажа, получая при этом единую каркасно-щитовую конструкцию. Пример деревянного каркаса двухэтажного дома (с применением металлических соединителей) приведен на рис. 8.

Типовая конструкция двухэтажного каркасного дома с использованием металлических соединителей Подкосы в силовой схеме каркаса
Рис. 8. Типовая конструкция двухэтажного каркасного дома с использованием металлических соединителей: 1 — металлические соединители; 2 — нижняя обвязка 1-го этажа; 3 — верхняя обвязка 1-го этажа; 4 — нижняя обвязка 2-го этажа; 5 — верхняя обвязка 2-го этажа; 6 — дверной проем; 7 — оконный проём.  Рис. 9. Подкосы в силовой схеме каркаса: 1 — подкосы

На стойки устанавливают бруски верхней обвязки и только после этого приступают к усилению каркаса подкосами и раскосами. Подкосы и раскосы придают каркасу необходимую пространственную жесткость (рис. 9). Подкосы врубают в стойки и бруски обвязки лобовой врубкой, а раскосы — врубкой полусковороднем или прикрепляют гвоздями и болтами. Количество подкосов и места их установки определяют из условий жесткости силовой схемы каркаса, но в любом случае подкосов должно быть не менее двух в пределах одной стены Окончательную жесткость каркасу придадут внутренние перегородки, перекрытие, внутренняя и наружная обшивка. Горизонтальные ригели устанавливают над дверными и оконными коробками, ограничивая в этом месте высоту каркаса. Помимо своей основной функции ригели являются дополнительными усилительными элементами в силовой схеме каркаса. Их устанавливают между промежуточными стойками каркаса по два ригеля для оконного проема (рис. 10) и по одному ригелю для дверного проема (рис. 11).

Оформление оконного проема Оформление дверного проема
Рис. 10. Оформление оконного проема: 1 — ригели оконного проема; 2 — оконный проем; 3 — нижняя обвязка; 4 — верхняя обвязка; 5 — стойки.  Рис. 11. Оформление дверного проема: 1 — ригель дверного проема; 2 — стойки; 3 — нижняя обвязка; 4 — верхняя обвязка; 5 — обшивка каркаса.  

Профилирование деревянных элементов

Применение конструктивных элементов сплошного сечения значительно увеличивает материалоёмкость строительства и приводит к увеличению материальных затрат. Поэтому в строительстве все чаще и чаще стали применять прокатные профили, которые не только снижают материалоёмкость работ, но и увеличивают несущую способность строительных конструкций. Поэтому в настоящее время практически невозможно встретить сколько-нибудь солидную металлическую конструкцию со стойками и балками сплошного квадратного или круглого сечения. На смену им пришли швеллеры, двутавры, уголки и другие профили, которые облегают конструкцию с увеличением ее несущей способности.

Идея профилирования признана приемлемой и при возведении деревянных построек. Оказалось, что деревянные профили, выполненные из обрезных досок, с успехом заменяют балки и брёвна, не снижая несущей способности конструкции, а в большинстве случаев и увеличивают ее. Профилирование оказалось настолько плодотворным и эффективным, что стало повсеместно применяться при строительстве деревянных зданий практически любого назначения. При этом качественно меняется сам процесс строительства, так как отпадает необходимость выполнения сложных врубок и врезок, для которых требуется высокая квалификация и мастерство. Собирать деревянные элементы можно таким образом, чтобы они уже содержали необходимые пазы, гребни, шипы и т.п. Конечно, нужна при этом определенная аккуратность в работе, но при каком строительстве она не нужна. Взяв на вооружение эту технологию, застройщик может развить её в той или иной степени, используя простые доски как конструктор, из элементов которого каждый волен созидать в меру своих возможностей и фантазии.

Деревянные профили
Рис. 1. Деревянные профили: А — швеллер-двутавр; Б — швеллер-тавр; В — швеллер-уголок; Г — тавр-двутавр; Д — уголок-двутавр; Е — уголок-тавр; Ж — варианты формирования конфигураций профилей. 

Преимущества профилирования деревянных конструкций перед металлическими профилями состоят в широком выборе вариантов, так как профили создаются непосредственно на строительной площадке, и мастер сам выбирает тот или иной вид профиля или комбинацию из нескольких вариантов. Отдельные варианты деревянных профилей приведены на рис. 1. При помощи элементарных плотничьих приёмов из простых досок можно создать конструкции, которые обладают несущей способностью, в несколько раз превышающую суммарную несущую способность взятых для этой цели досок. Деревянные профили можно собирать из совершенно разных сочетаний досок различной толщины, что неимоверно расширяет гамму полученных в итоге строительных элементов. А собирать деревянные элементы можно таким образом, чтобы они уже содержали необходимые пазы, гребни, шипы и прочие составляющие узлов соединения. Примеры использования деревянных профилей в силовой схеме каркаса здания приведены на рис. 2.

Профилированные конструкции в силовой схеме каркаса Боковые стойки каркаса из необрезных досок
Рис. 2. Профилированные конструкции в силовой схеме каркаса: 1 — нижняя обвязка; 2 — стойка; 3 — закладной элемент; 4 — угловая стойка; 5 — стойки в общей конструкции; 6 — лага.  Рис. 3. Боковые стойки каркаса из необрезных досок. 

Важной составляющей деревянных профилей является подбор досок по своим геометрическим параметрам. Такие элементы каркаса как угловые стойки, стропильные стяжки, которые чаще всего являются потолочным перекрытием, требуют применения обрезных досок с ровными кромками и плоскостями. В элементах, где ровность граней не отражается на качестве ограждающих конструкций, можно использовать и необрезные доски без ущерба для качества строительных работ. Примером таких элементов могут служить боковые стойки каркаса, формирование которых из необрезных досок не сказывается на конечном результате (рис. 3). И даже это правило можно принимать с некоторыми оговорками. К примеру, для угловых стоек каркаса только одна грань, образующая угол здания, должна быть ровной. Вторая грань, которая обращена внутрь здания, может быть обзолистой и на качестве работ это не отразится. Таким образом, из вышеприведенного можно сделать вывод, что внимательно определяя место в силовой схеме каркаса той или иной дефектной доски, можно максимально использовать некондиционный материал, сводя к минимуму естественные отходы древесины. 

Расчётные характеристики деревянных элементов каркаса

          Сминание древесины поперек волокон
Сминание древесины поперек волокон: А — по всей поверхности; Б — по участку длины; В — на ограниченной площади. 

В процессе эксплуатации дома к деревянным элементам каркаса прикладываются нагрузки, направление которых зависит от действия тех или иных природных факторов. Это могут быть силы растягивания, сжатия, изгиба, сминания, скалывания и т.д. Древесина, как и любой другой строительный материал, обладает способностью до определенного момента сопротивляться приложенным нагрузкам, не допуская разрушения ее волокон. Величина критического сопротивления (R), после которого происходит разрушение волокон древесины, зависит от вида древесины и поперечного сечения конструктивного элемента в месте максимального приложения суммарной составляющей всех действующих сил.

В связи с тем, что деревянные элементы каркаса дома работают в условиях, которые отличаются от идеальных, при определении расчётного сопротивления следует учитывать эти параметры. Для этого полученное расчетное сопротивление умножают на поправочные коэффициенты. Расчет центрально-растянутых элементов для каркасных домов обычно не делается. Это связано с тем, что и без того малый предел прочности древесины при растяжении значительно снижается из-за наличия сучков и пороков. При растяжении деревянные конструкции разрушаются почти мгновенно, поэтому такие напряжения в каркасе домов допускать нельзя. При наличии центрально растянутых нагрузок деревянные элементы каркаса, подвергающиеся таким нагрузкам, следует заменять на металлические конструкции.

Сминание древесины происходит от сжимающих сил, которые действуют перпендикулярно поверхности. В большинстве случаев такие силы вызывают равномерное напряжение смятия, которое может быть общим и местным.

Общим называют смятие, которое возникает при действии сжимающей силы на всю поверхность элемента. Если же сила действует на часть поверхности, то при этом возникает местное сминание в пределах площади, на которую действует сила. Способность древесины сопротивляться силам сминания во много зависит от угла сминания (а), под которым понимают угол между направлениями действия сжимающей силы и волокон древесины. При а=0, то есть когда сминание происходит вдоль волокон, стенки клетки работают в наиболее благоприятной обстановке, а древесина имеет наибольшую прочность и деформативность. Расчётное сопротивление древесины сминанию (RCM) в этом случае в зависимости от сорта древесины находится в пределах 8,5—16 МПа.

В неблагоприятных условиях стенки клеток древесины находятся при сминании поперёк волокон, то есть когда угол сминания равняется 90°. Под действием сминающих сил стенки клеток сплющиваются за счет внутренних пустот, что приводит к деформациям древесины. Возможны три варианта сминания древесины поперек волокон:

  • когда силы сминания прикладываются ко всей поверхности элемента (рис. 1, А) происходят наибольшие деформации клеток;
  • когда силы сминания приложены к части деревянного элемента по всей его ширине (рис. 1, Б);
  • когда силы сминания приложены к небольшому участку по длине и ширине элемента (рис. 1, В).

Пороки древесины в большинстве случаев не снижают её прочности при сминании и в расчетах не учитываются.

Скалывание древесины вдоль ее волокон происходит в продольных сечениях элементов. Прочность древесины при скалывании очень мала, поэтому расчетное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон не должно превышать 2,4 МПа. При больших усилиях волокна, которые имеют сравнительно слабые связи между собой, разрушаются практически мгновенно. В местах приложения сил скалывания не допускаются трещины в конструктивных элементах деревянного каркаса.

Поперечный изгиб деревянных конструкций может возникать как под действием сил, направленных перпендикулярно продольной оси элемента, так и под углом. Предельные прогибы конструктивных элементов деревянного каркаса приведены в таблице.

Составные балки отличаются от целых тем, что они собираются из нескольких цельных элементов, соединенных между собой разного вида податливыми связями, обеспечивающими их совместную работу. К таким составным балкам относятся в первую очередь конструкции, состоящие из нескольких брусьев или досок. Расчёт составных элементов на изгиб может быть сведен к расчету элементов цельного сечения с введением поправочных коэффициентов. В современных строительных конструкциях все больше и больше используются клееные конструкции, об особенностях которых мы расскажем ниже. 

Предельные прогибы элементов деревянного каркаса

Элементы конструкций Предельные изгибы в долях пролета, не более
Балки междуэтажных перекрытий 1/25
Балки чердачных перекрытий 1/200
Покрытия (кроме ендов):  
- прогоны, стропильные ноги 1/200
- балки консольные 1/150
- фермы, клееные балки (кроме консольных) 1/300
- плиты 1/250
- обрешетки, настилы 1/400
Несущие элементы ендов 1/400
Панели и элементы фахверка 1/250

Примечание: 1. При наличии штукатурки прогиб элементов перекрытий только от длительной временной нагрузки не должен превышать 1/350 пролета. 2. При наличии строительного подъема предельный прогиб клееных балок допускается увеличивать до 1/200.

Силовой каркас дома

Здание в целом и отдельные его элементы, подвергающиеся воздействию больших статических и динамических нагрузок, должны обладать:

  • прочностью, которая определяется способностью здания и его элементов противостоять действию нагрузок, не разрушаясь при этом;
  • устойчивостью — способностью здания сопротивляться силам опрокидывания при действии горизонтальных нагрузок;
  • пространственной жесткостью, которая характеризуется как способность здания в целом и его отдельных элементов сохранять первоначальную форму при действии приложенных сил.

В домах бескаркасной конструкции силовыми элементами дома служат стены. При этом несущими могут быть продольные или поперечные стены, или те и другие вместе. В домах, где силовыми являются только продольные или только поперечные стены (дома с неполным силовым каркасом), для монтажа самонесущих стен устанавливают ригели. В некоторых случаях в домах с неполным силовым каркасом прибегают к безригельной конструкции, когда самонесущие стены опираются непосредственно на фундамент здания.

Основные составляющие каркасной конструкции дома
Рис. 1. Основные составляющие каркасной конструкции дома1 — рама каркаса; 2 — обвязка рам; 3 — чердачное перекрытие; 4 — стропила; 5 — кровля; 6 — дымовая труба; 7 — обрешетка; 8 — стойка; 9 — подкос; 10 — отмостка; 11 — фундаментные столбики; 12 — цокольная перемычка; 13 — цоколь; 14 — цокольное перекрытие; 15 — доски для покрытия полов.
Типовая каркасная конструкция с прямой передачей нагрузок по несущим элементам
Рис. 2. Типовая каркасная конструкция с прямой передачей нагрузок по несущим элементам (размеры в мм): 1 — цоколь (фундамент); 2 — столб фундамента; 3 — нижняя обвязка; 4 — стойка; 5 — обрешетка; 6 — балка чердачного перекрытия; 7 — стропильная нога; 8 — верхняя обвязка; 9 — раскос
Обеспечение конструкционной жесткости каркасной конструкции дома
Рис. 3. Обеспечение конструкционной жесткости каркасной конструкции дома1 — колонна; 2 — раскос; 3, 4 — верхняя и нижняя балки обвязок; 5 — лаги; 6 — доски пола; 7 — ригель

Общая устойчивость и пространственная жесткость здания бескаркасной конструкции обеспечивается ограждающими конструкциями и междуэтажными перекрытиями. Каркасные силовые схемы зданий состоят из колонн (стоек), обвязок, балок, ригелей, раскосов и других элементов, которые вместе с перекрытиями воспринимают все нагрузки, действующие на здание (рис. 2). От воздействия внешней среды помещения защищаются наружными стенами, которые придают каркасу дополнительную жесткость. Каркасный тип здания целесообразен там, где требуются большая свободная площадь помещений, а также в условиях, когда здания воспринимают большие статические и динамические нагрузки. Типы каркасов различают по следующим признакам:

1. По материалам:

  • железобетонные каркасы (монолитные, сборные, сборно-монолитные);
  • металлические каркасы;
  • деревянные каркасы.

2. По устройству горизонтальных связей:

  • с продольным расположением ригелей;
  • с поперечным расположением ригелей;
  • с перекрестным расположением ригелей;
  • безригельное решение, когда перекрытия непосредственно опираются на колонны или стойки.

3. По характеру восприятия статических нагрузок:

  • рамные с жесткими соединениями элементов в узлах каркаса;
  • связевые со сварными соединениями, отличающиеся простотой конструктивного исполнения. Для обеспечения геометрической неизменяемости такие системы снабжаются связями жесткости, которые устанавливают между колоннами и ригелями каркаса.

В зданиях каркасной конструкции пространственная жесткость обеспечивается совместной работой колонн, ригелей и перекрытий, которые образуют геометрически неизменяемую схему (рис. 3). Для обеспечения жесткости в каркас здания могут вводиться дополнительные раскосы, подпорки и связи. Соединения в узлах конструктивно должны обеспечивать необходимую жесткость каркаса. 

Соединения деревянных конструкций

Создавая силовую схему деревянного каркаса здания, приходится в той или иной степени использовать способы соединения деревянных элементов, опыт выполнения которых формировался веками. При этом соединения деревянных элементов для увеличения поперечного сечения конструкции называют сплачиванием, а для увеличения их продольной длины — сращиванием. Кроме того, деревянные элементы каркаса могут соединяться в узлах конструкций под различными углами.

Искусство подгонки деревянных соединений шлифовалось столетиями. Раньше, когда промышленное изготовление металлических соединителей (гвоздей, шурупов и т.п.) не было налажено и их себестоимость была высока, научились так подгонять концы или края деревянных заготовок друг к другу, чтобы они выдерживали эксплуатационную нагрузку и сопротивлялись воздействию окружающей среды.

По способу передачи усилий соединения деревянных элементов разделяют на следующие виды:

  • соединения на механических связях (на болтах, гвоздях, шурупах, и т.п.);
  • соединения, в которых усилия передаются непосредственным упором контактных поверхностей соединяемых элементов (шипов, врубок, нагелей и т.п.);
  • соединения на клеях.
Гвозди, используемые в строительстве Гвоздевые соединения каркасных секций

Рис. 1. Гвозди, используемые в строительстве: А — круглый гвоздь; Б — с выпуклой шляпкой; В — напольный гвоздь; Г — овальный гвоздь; Д — гвоздь без шляпки; Е — панельный гвоздь; Ж — штукатурный гвоздь; 3 — настенный гвоздь. 

Рис. 2. Гвоздевые соединения каркасных секций. 

Соединения на механических связях обладают достаточно высокой прочностью и надёжностью. Передача сил в таких соединениях происходит от одного элемента к другому через отдельные точки и компенсируется силами трения между металлом и волокнами древесины (гвоздевое соединение) или упорами винтовой нарезки и прорезаемыми в древесине винтовыми желобками (соединение на шурупах). Гвоздевые соединения осуществляются при помощи гвоздей. Наиболее применимые из них даны на рис.1. Количество гвоздей определяют расчётным путём, а в некоторых случаях назначают конструктивно, например, при настилке полов, установке встроенного оборудования, обшивке потолков и перегородок и т.п. В гвоздевых соединениях конструкций, изготовляемых из древесины лиственницы и твердых лиственных пород, гвозди диаметром более 6 мм следует забивать в заранее просверленные отверстия (рис. 2). Причем, диаметр отверстий должен составлять 0,9 диаметра забиваемого гвоздя. В соединениях из досок мягких пород гвозди независимо от диаметра забивают без предварительного сверления. При забивке гвоздей следует придерживаться нескольких правил, которые повышают эффективность соединения и избавляют от нежелательных последствий:

  • чтобы древесина не раскололась во время забивания гвоздя, нужно притупить его кончик (или откусить его кусачками). Такой гвоздь будет сминать волокна древесины, а не раскалывать её;
  • нужно помнить, что гвоздь, забитый вдоль волокон, держится намного слабее, чем гвоздь, забитый поперек волокон;
  • несколько забитых гвоздей, расположенных близко друг к другу вдоль одного слоя древесины, могут ее расколоть. Древесина расколется и в том случае, когда толстый гвоздь забить близко от кромки. Чтобы избежать этого, гвозди лучше брать меньшего диаметра, увеличивая их количество. Забивать их лучше в шахматном порядке.
Виды гвоздевых соединений Шурупы и глухари
Рис. 3. Виды гвоздевых соединений: А — забивание под углом; Б — под углом во встречных направлениях; В — скрытность соединения подрубанием кромок; Г — два способа расположения режущих кромок на окончании гвоздя: в положении 1 режущие кромки расположены поперек волокон и не раскалывают заготовку; в положении 2 режущие кромик расположены вдоль и древесина может расколоться; Д — скрытность соединения при помощи пробки.  Рис. 4. Шурупы и глухари: А — глухарь; Б — утопленный шуруп; В — шуруп с высокой головкой; Г — самонарезающий шуруп; Д — шуруп с полукруглой головкой; Е — шуруп с удвоенной резьбой. 

Некоторые приёмы, которыми пользуются при забвении гвоздей показаны на рис. 3. Соединения на шурупах и глухарях (рис. 4) более надежны, так как для выдергивания шурупов потребуются достаточно большие усилия. Шурупы различаются размерами, формой шляпки и шагом резьбы. Как правило, часть поверхности стержня шурупа резьбы не имеет. Самыми крупными шурупами являются так называемые «глухари». Они имеют квадратную или шестигранную шляпку и закручиваются гаечными ключами. Некоторые из таких шурупов обладают прорезью на шляпке, что позволяет использовать отвёртку.

Расстановка шурупов и глухарей и размеры просверленных гнёзд должны обеспечивать плотный обжим стержня с древесиной, исключая ее раскалывание. Расстояния между осями винтов в продольном направлении должны быть не менее 10 диаметров стержня, а поперёк волокон — 5 диаметров. Диаметр прилегающей к шву части гнезда должен точно соответствовать диаметру ненарезной части глухаря. Диаметр заглубленной части шурупа или глухаря по всей длине нарезной части должен быть на 2—4 мм меньше полного его диаметра, что обеспечит надёжный упор винтовой нарезки.

В древесину шуруп завертывают отвёрткой или шуруповёртом, а не забивают. При забивании шурупа в древесину винтовое соединение получается непрочным, так как сминается нарезка и нарушается древесина в месте прохождения шурупа. При этом соединение теряет до 40% силы, удерживающей шуруп в древесине. Для прочного соединения шуруп необходимо заворачивать до отказа. При этом прочность соединения во многом зависит от плотности древесины, размеров и количества шурупов, глубины их завертывания. В древесину твёрдых пород шурупы заворачивают в заранее просверленные отверстия, диаметр которых должен составлять 0,9 от диаметра ненарезанной части шурупа. Во влажную древесину заворачивать шурупы не рекомендуется, так как они будут быстро корродировать и прочность соединения нарушится.

 Болты Соединения на нагелях
Рис. 5. Болты: А — болт с ограждением; Б — крепежный: В — машинный; Г — каретный.  Рис. 6. Соединения на нагелях: 1 — дубовый нагель; 2 — стальной нагель-болт; 3 — пустотелый нагель; 4 — стальной нагель без шляпки; 5 — нагель-гвоздь; 6 — пластинчатые нагели. 

Болтами (рис. 5) можно соединять как изогнутые, так и прямые детали. Крепёжный болт используется для крепления досок сечением 50x100 мм. Машинный и каретный болты применяют для установки деревянных деталей на стальных конструкциях. Параметры болта определяют заданным его диаметром и длиной от нижней плоскости шляпки до конца. Длина крепежного болта с плоской шляпкой измеряется от верхушки до конца.

Соединения на нагелях препятствуют взаимному сдвигу стыкуемых элементов, поэтому гвозди и шурупы в некоторой степени можно считать разновидностью нагелей. В нагельном соединении, находящемся под воздействием внешней нагрузки, сам нагель работает на изгиб, а древесина соединяемых элементов под нагелями подвергается смятию. Нагели бывают стальные, пластмассовые и деревянные, а по форме — цилиндрические и пластинчатые (рис. 6). В конструкциях, которые находятся в агрессивной среде, используют алюминиевые, пластмассовые и дубовые нагели.

Древесина для нагеля подбирается из твердых пород, а ее влажность должна быть на 3-5% ниже, чем влажность основной древесины. В этом случае при достижении баланса влажности нагель плотно заклинивается в гнезде, создавая прочное соединение. Если влажность нагеля и основной древесины будет одинаковой, то при высыхании древесины плотность посадки нагеля уменьшается и соединение может разрушиться. Выбор того или иного диаметра нагеля целиком и полностью зависит от толщины соединяемых деталей и от требований к прочности соединения. Расчетную несущую способность на один срез нагеля определяют исходя из трех условий:

  • изгиба металлического нагеля;
  • смятия древесины крайнего соединяемого, а также более тонкого элемента толщиной а;
  • смятия древесины среднего соединяемого, а также более толстого элемента толщиной с.

Различают две группы соединения на нагелях: симметричные и нессиметричные. Расчетную несущую способность цилиндрического нагеля на один шов сплачивания в соединениях сосны и ели принимают равному одному из значений, приведённых в таблице.

Методика определения несущей способности основных видов цилиндрических нагелей.

Схемы соединений Напряженное состояние соединения Расчетная несущая способность на один шов сплачивания (условный срез)
Гвоздя стального, алюминиевого, стеклопластикового нагеля Дубового нагеля
Симметричные соединения Смятие в средних элементах 0,5 cd 0,3 cd
Смятие в крайних элементах 0,8 ad 0,5 ad
Несимметричные соединения Смятие во всех элементах равной толщины, а также в более толстых элементах односрезных соединений 0,35 cd 0,2 cd
Смятие в более тонких средних элементах двусрезных соединений 0,8 ad 0,5 ad

Соединения на клеях — наиболее прогрессивный способ соединения древесины, отвечающий индустриальным методам изготовления. Этому во многом способствует наличие водостойких и биостойких строительных клеев (на основе синтетических смол), открывших широкие возможности использования клееных конструкций в индустриальном и гражданском строительстве. К достоинствам клееных конструкций относятся возможность компоновки крупноразмерных конструкций из мелкоразмерного сортамента, использование древесины низких сортов в менее напряженных зонах конструкций, отсутствие ослаблений врезками и врубками, надежная работа на сдвиг в швах и т.д. Недостатком клееных конструкций считается необходимость тщательного контроля в заводских условиях и сложность изготовления соединений при монтаже.

Технологический процесс склеивания состоит из нескольких операций, поэтому правильная подготовка поверхностей и подбор склеиваемых деталей по годичным слоям древесины играют не последнюю роль в прочности соединения. Если древесина неверно подобрана, то в процессе эксплуатации (при изменении температурно-влажностного режима) детали могут неравномерно разбухать, в результате клеевое соединение разрушится. Прочное и надежное соединение получится тогда, когда соблюдаются следующие условия:

  • влажность древесины при склеивании должна быть такой, как в и процессе эксплуатации. При этом обе склеиваемые детали должны иметь одинаковую влажность;
  • склеиваемые поверхности должны располагаться таким образом, чтобы годичные слои были направлены в противоположные стороны или под углом друг к другу;
  • сопрягаемые поверхности должны быть очищены от пыли, жировых включений и подогнаны друг к другу без зазоров;
  • соединяемые кромки лучше склеиваются, если они относятся к одной и той же части ствола (заболони или ядра);
  • тонкие заготовки лучше склеиваются, чем толстые.
Клеевые соединения Сечения дощатоклееных и клеенофанерных элементов

Рис. 7. Клеевые соединения: А — склеивание продольное; Б — склеивание впритык; В — склеивание «на ус»; Г — склеивание зубчатым шипом; Д — склеивание под углом. 

Рис. 8. Сечения дощатоклееных и клеенофанерных элементов: 1 — доски; 2 — фанера. 

В настоящее время для создания клееных конструкций используют доски и брусья хвойных пород влажностью не более 12% и толщиной не более 42 мм в прямолинейных элементах и 33 мм в криволинейных. Применяют дощатые клееные конструкции в сочетании со строительной фанерой, а также с фанерой и сталью. Склеивание производят под давлением 0,3— 0,5 МПа при длительности запрессовки 4—24 часа. Основные виды клеевого соединения конструкций приведены на рис. 7. Для склеивания шипы и все сопрягаемые поверхности деталей смазывают клеем, собирают и проверяют прямоугольность соединения. После этого склеенные элементы сжимают струбцинами или другими приспособлениями и оставляют до полного засыхания клея. Надёжность соединения будет зависеть от того, как правильно будет зафиксированы склеиваемые детали до полного высыхания клея.

Поперечные сечения клееных конструкций бывают прямоугольными, двутавровыми, коробчатыми и пр. (рис. 8). Клееные соединения применяют при изготовлении несущих и ограждающих конструкций, выполненных из досок или строительной фанеры. К числу таких конструкций относятся составные из досок балки, дощато-фанерные балки, гнутые арки, рамы, щиты ограждающих частей зданий, стропильные фермы и др.

Дощатоклееные балки в виде многослойного пакета обладают рядом преимуществ перед другими составными балками:

  • они работают как монолитные;
  • их можно изготовлять с поперечным сечением большой высоты;
  • в балках длиной более 6 м отдельные доски стыкуют по длине с помощью зубчатого шипа и, следовательно, балки не будут иметь стыка, ослабляющего сечение;
  • в дощатоклееных балках можно рационально размещать доски различного качества по высоте — в наиболее напряженных зонах доски 1-го сорта, в менее напряженных зонах доски 2-го и 3-го сортов.
Балки дощатоклееные Балки дощатоклееные
Рис. 9. Балки дощатоклееные: А — типы балок; Б — варианты сечений балок; В — распределение составных элементов по сортам (по качеству).  Рис. 10. Балки клеенофанерные с плоскими стенками и ребрами жесткости:
А — балка постоянной высоты; Б — двухскатная балка; В — балка с криволинейной геометрией верхнего пояса; Г — стык фанерной стенки с накладками; Д — стык фанерной стенки «на ус». 

В отечественном строительстве применяют дощатоклееные балки пролётом до 24 м. Сечения дощатоклееных балок принимаются в большинстве случаев не более 16,5 мм, что позволяет изготовлять их из цельных широких досок, склеенных между собой кромками, с расположением этих стыков вразбежку по высоте. Высота сечения балок определяется расчётом и находится в пределах от 1/10 до 1/15 пролета. Форма дощатоклееных балок может быть прямоугольной, односкатной, сегментной и двускатной, постоянной и переменной высоты (рис. 9). Высота балок переменного сечения на опорах должна быть не менее 0,4 высоты сечения в середине длины. Балки склеивают из досок не более 44 мм. Доски перед склеиванием фрезеруют по лопастям на 2,5—3,5 мм, а после склеивания кромки балок фрезеруют в среднем на 5 мм.

Клеенофанерные балки состоят из фанерных стенок и дощатых поясов (рис. 10). Поперечное сечение клеенофанерной балки может быть двутавровым и коробчатым. Так как при этом пояса балки удалены от нейтральной оси, то материал в таких балках используется более эффективно. При этом клеенофанерные балки могут быть постоянной высоты, двускатными, а также с криволинейным верхним поясом. Балки с плоской фанерной стенкой рекомендуется использовать для пролётов до 15 м. Их высоту назначают в пределах 1/18—1/12 длины пролёта. Толщина стенок должна быть не менее 8 мм. Доски поясов балки могут располагаться как горизонтально, так и вертикально. Пояса балки по плоскостям склеивания с фанерными стенками должны иметь прорези для того, чтобы ширина клеевых швов не превосходила 10 см. Это предотвратит появление перенапряжения швов при колебаниях температуры и влажности.

Придание жёсткости фанерной стенке обеспечивается установкой дощатых рёбер жесткости, которые располагают в коробчатых балках в полости между двумя фанерными стенками. В двутавровых балках ребра жесткости располагают по обе стороны стенки. По длине ребра жёсткости ставятся с шагом, равным 1/8—1/10 пролёта.