Деревянные каркасы. Классификация и основные несущие конструкции

Введение
Актуальность. Каркасный дом - это строение, основой которого является несущий пустотный каркас, выполненный из цельно скрепленных между собой деревянных или металлических профилей. Данные профиля образуют единый прочный конструктив, заполненный внутри утеплительными материалами и обшитый прочными стеновыми материалами.
Каркас является скелетом строения и формирует теплый контур. Монтаж каркаса выполняется разными способами. Некоторые из них регламентированы сводом правил, альбомами технических решений и инструкциями. Более современными являются наработки производителей стройматериалов. Например, такие компании как Технониколь и КНАУФ создали свои наборы документов, в том числе по каркасному строительству, основываясь на зарубежное и отечественное домостроение.
Каркасная технология из дерева зарождалась с использованием деревянных досок и бруса. Изначально появилась технология Фахверк и технология Тимберфрейм. Постепенно данные технологии развивались и в настоящее время существует достаточно много вариантов деревянных каркасов.
В связи с вышесказанным можно с уверенностью утверждать, что изучение вопросов, касающихся деревянных каркасов, является в настоящее время весьма актуальным.
Цель данной работы заключается в изучении классификации и основных несущих конструкций деревянных каркасов. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- изучен имеющийся материал по тематике исследования;
- рассмотрена классификация и основные характеристики деревянных каркасов;
- изучены основные несущие конструкции деревянных каркасов.
В ходе выполнения данных задач применялись такие методы исследования, как анализ, синтез, описание и обобщение.
В качестве объекта исследования выступают деревянные каркасы, а предметом исследования являются классификация и основные несущие конструкции деревянных каркасов.
1 Классификация и основные характеристики деревянных каркасов
В общем случае, по типу строительного материала каркасы можно разделить на:
- деревянные;
- стальные;
- комбинированные каркасы.
При проектировании каркасного здания необходим комплексный учет технологических, технических, эстетических и экономических требований и условий.
Конструктивное решение каркаса должно отвечать монтажным требованиям - простоте, удобству, высокой скорости и безопасности монтажа, обеспечивая беспрепятственный подъем и установку в проектное положение, быструю выверку и закрепление монтажных элементов. Членение конструкций на монтажные элементы и блоки должно быть приспособлено к проектируемому методу монтажа и техническим возможностям монтажных механизмов.
Одним из основных технических требований к каркасному зданию является обеспечение его необходимой жесткости (геометрической неизменяемости). При недостаточной жесткости многоэтажного (высотного) каркаса может нарушаться целостность внутренних перегородок и отделочных покрытий, осложняться нормальная работа лифтов, колебания здания могут быть чувствительны для людей. Необходимая жесткость обеспечивается, если горизонтальное смещение верха высотного здания от нормативной ветровой нагрузки не превышает 1/500 высоты здания.
К элементам каркаса предъявляются следующие основные требования:
- высокая прочность материала элементов;
- технологичность индустриального производства изделий при их высокой тиражности;
- унификация элементов каркаса, позволяющая снизить трудоемкость изготовления и монтажа конструкций и стоимость строительства;
- универсальность узлов соединений конструктивных элементов;
- высокие технико-экономические показатели (по материалоемкости, стоимости, трудоемкости);
- высокие эстетические качества [1].
Деревянный каркас - это самый распространённый вид каркаса. Является основоположником и прародителем каркасного строительства. Весь каркас и конструктив  дома выполняется исключительно из пиломатериалов разной формации и видов (см. рисунок 1). На практике, в частности в странах с русско-язычным населением, вопреки требованиям технологии используется древесина разной влажности от камерной до естественной, что противоречит технологичным требованиям. Рекомендуется использовать дерево камерной сушки.
Рисунок 1 – Внешний вид деревянного каркаса [2]
Монтаж и сборка каркаса осуществляется как с использованием саморезов и шурупов по дереву в качестве основного крепежного элемента, так и путем гвоздевого крепления. Сборка выполняется  с соблюдением системы диагональных раскосов. Этот принцип делает конструкцию максимально прочной и устойчивой к сильному ветру и возможной сейсмической активности.
Деревянный каркас можно возводить на любом типе фундамента от свайного до железо-бетонного. Особая легкость дома не требует массивного и тяжелого основания, что значительно облегчает работу и снижает затраты на строительство. С практической точки зрения, желательно возводить деревянный каркас на прочном фундаменте, который не имеет амортизационных свойств, например деревянное основание на сваях.  Поскольку силовое воздействие на деревянное основание дома может вызывать вибрацию по всему строению. Что не будет создавать комфортные ощущения у жильцов дома.
Деревянный каркас стены состоит из строек, вписанных в раму из досок верхней и нижней обвязки стены. Обычно шаг строек располагают соосно балкам нижележащего перекрытия.
В конструкции легкой наружной стены из деревянного каркаса с горизонтальной наружной обшивкой из вагонки проёмы обрамляются горизонтальными связями (см. рисунок 2). В несущих стенах над проемами нужно монтировать перемычки-балки жёсткости, передающие нагрузку с верхней обвязки на стойки, расположены с обеих сторон проёма.
Существует так же конструкция с перекрёстным каркасом (см

. рисунок 3). В этом случае по несущему каркасу стены набивается обрешётка с шагом, адаптированным под ширину листов теплоизоляции или под выбранный тип обшивки. Тяжелая наружная стена из деревянного каркаса с кирпичной наружной облицовки.
Рисунок 2 - Легкая наружная стена из деревянного каркаса с горизонтальной наружной обшивкой из вагонки [3]
Рисунок 3 - Тяжелая наружная стена из деревянного каркаса с кирпичной наружной облицовки [3]
К числу главных достоинств деревянных конструкицй модно отнести следующее:
- строительство из дерева хорошо обеспечено материалами. Наша страна богата лесами, и древесины заготовляется достаточно для возведения нужного количества деревянных зданий и сооружений;
- химическая промышленность выпускает достаточно клеев для их склеивания;
- прочность всех видов деревянных конструкций вполне достаточна для выдерживания больших нагрузок, действующих на покрытия, мосты и эстакады;
- вес деревянных конструкций значительно меньше веса конструкций из железобетона и камня;
- они не нуждаются в массивных опорах и фундаментах;
- легкие сборные деревянные конструкции могут доставляться в самые отдаленные районы страны;
- при изготовлении различных видов деревянных конструкций не встречаются какие то затруднения и не требуется спец оборудования: деревянные элементы легко обрабатываются и отлично склеиваются;
- простые конструкции из дерева легко изготовить непосредственно на стройплощадке с помощью простейших ручных и электрических инструментов и простых соединений не болтах и гвоздях;
- легкие виды деревянных конструкций имеют малую теплопроводность и хорошо защищают помещения от наружной температуры (жары или холода), лучше сопротивляются разъедающему действию многих химических веществ, чем металл и бетон, и поэтому успешно используются в химическом строительстве;
- на повторяющиеся и динамические нагрузки деревянные конструкции тоже работают лучше других материалов и поэтому успешно служат в мостах и меньше страдают от землетрясений [4].
К основным недостаткам всех разновидностей деревянных конструкций относится:
- древесина при неправильном применении загнивает, превращается в рыхлую бурую массу и деревянные конструкции разрушаются;
- древесина - это органический материал, сгорающий при высокой температуре. Неправильно изготовленные и незащищенные деревянные конструкции загораются при пожаре и распространяют пламя;
- древесина из-за своей пористости содержит влагу, количество которой меняется. Поэтому меняются и параметры габаритов - размеров деревянных элементов; они коробятся и трескаются;
- жесткость и твердость древесины невысоки. Поэтому деревянные конструкции прогибаются под нагрузкой больше, чем металлические. Малая твердость древесины поперек волокон приводит к ее смятию в месте приложения нагрузки [4].
Все виды деревянных конструкций имеют и другие недостатки, но при правильном проектировании они не уменьшают надежности деревянных конструкций.
Все виды деревянных каркасов, которые применимы для возведения дома, в основном сводятся к пяти типам. Дополнительным ресурсом при возведении каркасного дома является правильное сочетание и совокупность элементов характерных для нескольких типов каркаса. Рассмотрим наиболее подробно данные типы деревянных каркасов.
1.1 Рамная конструкция с перекрытием
Эта конструкция в нашей стране известна, как канадская, поскольку она типична для домов, которые выстраиваются в Канаде и на севере США. В конструкции каркаса каждый слой являет собой как бы отдельный поддон или платформу. Причем каркас собирают снизу вверх. Сборку начинают с выполнения нижней обвязки на фундаменте (см. рисунок 4).
Рисунок 4 - Рамная конструкция с перекрытием [5]
На обвязку выкладываем балки и лаги перекрытий первого этажа. Все это при помощи фасадных и вспомогательных лаг собирается в единый поддон. Далее ставим каркасные стены.
Стойки каркаса дают возможность устроить вертикальные опорные элементы стен. Снизу их крепим к лагам, а заодно и к фасадным лагам. В верхней части оконного проема устраиваем опору под перекрытие второго этажа. Процесс выполняемых работ по возведению второго этажа, аналогичен способу возведения первого этажа.
1.2 Каркас с неразделенными стойками
Этот каркас хорошо известен скандинавским странам (Финляндия, Норвегия, Швеция). Индивидуальность этой постройки заключается в том, что вертикальные стойки проходят сквозь оба этажа каркасного строения. Опорный брус, используемый для крепления балок междуэтажного перекрытия, монтируется в стойки на высоте второго этажа. Стены каркасной конструкции стягиваются лагами перекрытия (см. рисунок 5).
Сложность данной конструкции заключается в соблюдении точного параллельного расположения вертикальных стоек. Это важный момент, так как к ним впоследствии будут крепиться балки междуэтажного перекрытия. В противном случае, при монтаже здания могут возникнуть некоторые затруднения.
Рисунок 5 – Каркас с неразделенными стойками [5]
1.3 Каркас из балок и стоек
Такой тип каркасных домов наиболее популярен при возведении фахверковых домов в Германии и Австрии. Балочно-стоечный каркас намного сложнее произвести, чем выше перечисленные конструкции, поскольку здесь используется большое количество шиповых соединений и всяких врубок (см. рисунок 6).
Рисунок 6 - Балочно-стоечный каркас [5]
Если для жилого дома ставится каркасная конструкция данного типа, то постройка будет более чем долговечной и прочной, так как обычно при ее возведении используются достаточно массивные брусья – 200 х 200 мм и 150 х 150 мм