Каркасные дома
Фа́хверк (нем. Fachwerk — каркасная конструкция, фахверковая конструкция) — тип строительной конструкции, при котором несущей основой служит пространственная секция из наклонных (под различным углом) балок.
Основу фахверковой постройки составляют каркасные стены, которые состоят из вертикальных стоек, горизонтальных ригелей, которые для повышения жесткости и прочности конструкции укрепляются раскосами. Элементы каркаса выполняются из древесины. Для нижнего этажа в основном используются дубовые или лиственничные брусья, обладающие высокой биостойкостью. Для верхних этажей, балок перекрытий и кровельных конструкций преимущественно используется древесина хвойных пород (ель, сосна).
Каркас дома держит на себе все, что выше фундамента, его несущая способность рассчитывается с учетом статических и динамических нагрузок, возникающих внутри и снаружи здания.
Элементы каркаса сегодня получают на современных лесопильных линиях, обрабатывают на станках с числовым программным управлением. Все это в совокупности с современными механическими связями делают сборку каркасов делом простым и высокопроизводительным, не требующим высокого мастерства плотников, как это было ранее. Но принципиальных изменений в конструкции и методах сборки каркасов домов за последние века не произошло.
Прочность и долговечность каркасного дома
Прочность и долговечность каркаса обеспечивается прочностью и долговечностью материалов, из которых он выполнен, конструктивной схемой – т.е. тем, как его элементы скомпонованы между собой, и тем, насколько надежно они защищены от воздействия неблагоприятных факторов. На прочность каркаса влияет также способ соединения его элементов между собой. Конструктивная схема каркаса варьируется в зависимости от конкретной технологии. Как и прежде, в общем виде она представляет собой жесткую сотовую структуру, состоящую из вертикальных стоек, горизонтальных лежней (ригелей) и раскосов, увеличивающих жесткость конструкции.
Проектирование и расчет каркаса представляет собой достаточно сложную инженерную задачу. Поэтому для разработки проектов современных каркасных домов в последнее время появились достаточно эффективные средства на основе IT-технологий, позволяющие оптимитизировать подготовку проектно-сметной и технологической документации, на основе которой и осуществляется производство и монтаж дома.
Защита каркаса
В отличие от наружных деревянных конструкций, постоянно подвергающихся воздействию неблагоприятных факторов, каркасная конструкция спрятана внутри стены и защищена от попадания влаги изнутри и снаружи гидро- и пароизоляционными барьерами. Тем не менее обработка деревянных элементов составами, повышающими их огнестойкость (антипиренами) и антисептирование древесины являются необходимым условием долговечности деревянной каркасной конструкции. Дополнительной защитой деревянного каркаса от огня может служить, например, внутренняя обшивка стен гипсокартонными плитами, так как огнестойкость гипсокартона существенно выше, чем у хвойных пиломатериалов.
Выбор породы
древесины каркаса
Каркас современного дома, как правило, не виден, поэтому для его изготовления можно выбирать наиболее экономичные обрезные пиломатериалы — брус, обрезную доску. Сечение бруса выбирается в соответствии с проектом, в зависимости от нагрузки на каждый конкретный элемент. Помимо цельных брусьев и досок для балок перекрытий большой длины может применяться клееный брус.
Дерево при усушке теряет от 5% до 7% своих размеров по ширине и толщине и всего до 1% по длине. Так как основную несущую функцию в каркасных домах выполняют вертикальные стойки, каркасные конструкции практически не подвержены усадке и могут возводиться в любое время года. По этой же причине отделку дома можно выполнять почти сразу же после того, как собран каркас (около недели ему все-таки нужно дать отстояться). Это не значит, что для каркаса можно брать пиломатериалы любого качества. Они должны иметь нормальную влажность (10–15%) по вполне понятным причинам. Изготовление каркаса из клееной древесины увеличивает его прочность и стабильность, устойчивость к биологическим воздействиям, но приводит к серьезному удорожанию конструкции. Если часть фасада дома имеет модное ныне сплошное остекление или если каркасные конструкции являются архитектурным элементом фасада, как это делалось в традиционных западноевропейских фахверках, то видимую часть каркаса можно выполнить из клееного или профилированного бруса, оцилиндрованного бревна и других материалов с улучшенной эстетикой. Однако за любые изыски придется платить намного дороже, чем за стандартный набор. Прочность и жесткость каркасной конструкции зависят не только от прочности материала, но и от качества соединений.
Соединение элементов каркаса деревянного дома
Существует мнение, что построенные в Средние века в Западной Европе фахверковые дома благополучно дожили до наших дней во многом благодаря тому, что крепление каркаса выполнялось средневековыми плотниками без применения металлических соединительных элементов. И хотя главной причиной ограниченного применения гвоздей в средневековом строительстве, скорее всего, являлась их очень высокая стоимость, необходимо признать, что соединение «дерево-дерево» более долговечно, чем «дерево-металл».
Несмотря на ряд весьма успешных мер по снижению влияния коррозии на металлические механические связи, а также влияния на древесину конденсата, образующегося на этих креплениях, доля традиционных плотницких соединений элементов каркаса остается достаточно большой. Только теперь они выполняются на специальных высокопроизводительных станках в автоматическом режиме в соответствии с конкретным конструктивным и архитектурным решением возводимого дома.
Новые материалы для каркасного домостроения
О достоинствах древесины как строительного материала сказано достаточно много, впрочем, о ее недостатках не меньше. Современные технологии позволяют частично избавиться от этих недостатков, тем не менее они существуют и доставляют немало забот и строителям, и тем кто живет в деревянных домах.
EWP - Engineering Wood Products
В США и Канаде, где деревянное и, в частности, каркасное домостроение развито достаточно широко, в последнее несколько десятилетий активно предпринимаются попытки свести негативные свойства древесины к минимуму.Для этой цели там разработан ряд композиционных материалов на основе древесины, получивших общее название EWP - Engineering Wood Products, и предназначенных для строительства зданий и сооружений.
Эти материалы обладают более высокой биостойкостью и огнестойкостью по сравнению с натуральной древесиной. При изменении температурно-влажностного режима окружающей среды они проявляют высокую стабильность формы и размеров, не склонны к растрескиванию и короблению. Кроме того, их прочностные характеристики не уступают аналогичным показателям не только хвойных, но и твердолиственных пород.
Еще один плюс. В производстве EWP используется древесина ранее не востребованных в строительстве пород (например, тополь и осина), а в ряде случаев, даже неделовая ее часть.Один из таких материалов производится и на территории России, но, к сожалению, используется пока крайне мало.
LVL плиты
Речь идет об LVL (Laminated veneer lumber) — материале, который получается по технологии схожей с технологией производства фанеры. Отличия технологии LVL, о которых здесь нет смысла упоминать, позволяют получать плиты длиной до 20 м и толщиной до 90 мм. Из этих плит впоследствии выкраивают детали необходимых размеров (по длине и ширине), которые в основном используются в качестве ригелей и балок перекрытия в зданиях и сооружениях различного назначения.
Плиты OSB
Еще один материал — плиты OSB у нас не производится, но уже достаточно хорошо известен, как материал для обшивки каркасных конструкций и для ряда других целей.
Кроме обшивки OSB используется для производства SIP-панелей, речь о которых пойдет ниже, а также для двутавровых балок (I-joist или I-beam). Полки этих балок изготавливаются из массива древесины или из LVL, а стойки — из фанеры или OSB. Балки I-joist широко используются в Канаде и США в конструкциях перекрытий, в качестве стоек и ригелей каркасаи при устройстве крыш.
SIP панели
Это - Laminated Strand Lumber (LSL) и Parallel strand lumber (PSL).
Оба этих материала производятся из длинной стружки, получаемой из шпона мягколиственных пород с использованием водостойких связующих.
Применение новых композиционных материалов позволяет повысить прочность и долговечность каркасных и каркасно-панельных домов, при сокращении себестоимости и трудоемкости строительства. Не следует забывать и о том, что эти материалы способствуют более рациональному использованию лесных ресурсов, в частности, за счет вовлечения древесины, которая ранее считалась непригодной для строительства.
Современные тенденции
каркасных домов
Преимущества и недостатки
Сравнивать каркасную и каркасно-панельную технологию не вполне корректно. Каждая из них занимает свою нишу на рынке деревянных домов. Однако, некоторые соображения высказать можно.
В условиях стабильно растущего платежеспособного спроса на деревянные дома массовое строительство жилья по типовым проектам с использованием каркасно-панельной технологии, безусловно, является более эффективным. Но это предусматривает необходимость организации крупных предприятий полного цикла (от получения и подготовки пиломатериалов до окончательной сборки панелей), оснащенных высокопроизводительным оборудованием и, соответственно, требующих больших капитальных вложений. В условия неустойчивого спроса выжить такому предприятию достаточно сложно. Зарубежный опыт показывает, что для предприятий небольшой производительности нет особого смысла доводить элементы дома до высокой заводской готовности. Несмотря на то, что сторонники этой технологии утверждают, что возможности по реализации различных архитектурных решений практически не ограничены, на практике дело обстоит иначе. Высокая степень автоматизации и производительности оборудования накладывают определенные ограничения на конструктивные решения отдельных элементов дома. Сборку панелей при всей кажущейся простоте нельзя назвать неквалифицированной работой и чем сложнее конструкция дома, тем менее ощутима разница между каркасным и какасно-панельным домостроением.
Каркасная технология предусматривает большую гибкость в отношении общей конструкции дома. На современном оборудовании (существенно менее капиталоемком) удается добиться высокой точности изготовления любых элементов каркаса, что практически полностью исключает подгоночные операции на строительной площадке. Управление этим оборудованием осуществляется тоже с помощью специального программного обеспечения, связанного с современными САПР. Безусловно, объемы строительно-монтажных работ значительно больше, и выполнение их требует более высокой квалификации рабочих, но с другой стороны техническое оснащение строительных бригад не требует наличия тяжелой техники. Это особенно четко просматривается в случае применения современных материалов, о которых речь шла выше. Например, балка I-joist длиной 8 м и высотой 240 мм весит всего 23 кг. Кроме того, заметно снижается риск ошибок при проектировании и прокладке инженерных коммуникаций, повреждения и деформации элементов дома при транспортировке. Наконец контроль качества строительства со стороны заказчика существенно проще и эффективнее.
Иначе говоря, обе рассмотренные технологии являются жизнеспособными и перспективными, а выбор одной из них зависит от возможностей инвестора и экономического анализа ситуации на рынке жилищного строительства и рабочей силы.
Каркасно-панельные деревянные дома
Определенным этапом в развитии индустриального деревянного домостроения стала технология производства и строительства каркасно-панельных домов. Сразу следует подчеркнуть, что принципиальной разницы между каркасными и каркасно-панельными домами нет. Различие заключается в степени заводской готовности элементов дома, доставляемых на строительную площадку.
В случае каркасных домов к месту строительства поступают готовые к сборке элементы каркаса, перекрытий и кровельных конструкций, материалы, раскроенные по размеру, для обшивки каркаса, теплоизоляционные материалы, крепежные и соединительные элементы, столярно-строительные изделия и т.д.
На месте, на готовом фундаменте собирается каркас, включая перекрытия и стропильные конструкции. Затем монтируется кровля и каркас обшивается снаружи фанерой, OSB или другим материалом. После этого укладываются инженерные коммуникации, утеплитель и каркас обшивается изнутри.
Каркасно-панельная технология предусматривает проведение значительно большего объема работ в заводских условиях. В состав этих линий входит оборудование для раскроя плитных материалов, элементов каркаса и сборочные конвейеры для производства стеновых панелей с установкой оконных, дверных блоков и прокладки необходимых коммуникаций. Значительная часть операций осуществляется в автоматическом режиме с использованием мощных портальных обрабатывающих центров с числовым программным управлением. В результате на выход заводского конвейера поступают стеновые панели, элементы перекрытий и кровельных конструкций полностью готовые к монтажу, включая проложенные инженерные коммуникации и установленные оконные и дверные блоки. Т.е. на строительной площадке выполняется лишь сборка этих панелей и окончательная наружная и внутренняя отделка. В России действуют несколько предприятий различной мощности и степени автоматизации, оснащенные оборудованием немецких фирм WEINMANN и LISSMAC.
Элементы каркаса представляют собой строганные пиломатериалы хвойных пород. В случае необходимости используется клееный брус.
Конструкция каркаса стеновых панелей отличается лишь тем, что в ней предусматриваются меры, обеспечивающие жесткость панели (отсутствие деформаций) в процессе транспортировки и монтажа.
Еще одна особенность. В процессе проектирования тщательно прорабатываются все места сопряжения панелей между собой, с перекрытиями и кровельными конструкциями во избежание появления так называемых «мостиков холода». Еще одно «узкое» место: непродуманная прокладка коммуникаций внутри панелей приводит к нарушению теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций или образованию конденсата.
Существует и еще одна «родственная» технология: объемно-модульная. Здесь заводская готовность еще выше. На строительную площадку доставляются готовые модули здания, смонтированные из панелей. Развитие каркасного и каркасно-панельного домостроения в нашей стране долгое время сдерживалось отсутствием современной нормативно-правой базы. В настоящее время в России действует СП «Проектирование и строительство энергоэффективных жилых домов с деревянным каркасом», разработанному на основе Национальных норм по жилищному строительству Канады c учетом условий строительства на территории РФ и действующих российских документов.
Каркасно-панельный или панельный?
Начиная с 90-х годов прошлого века отмечается бурный рост малоэтажного жилого строительства с применением структурных теплоизоляционных панелей (SIP — Structural Insulated Panel). Сэндвич-панель SIP (СИП) представляет собой прочную монолитную трехслойную конструкцию, состоящую из двух водостойких плит OSB, между которыми находится слой теплоизоляционного материала (плотного пенополистирола).
Часто для соединения SIP панелей в единую конструкцию используют деревянные бруски, образующие жесткий каркас панели. Он как и в рассмотренных выше случаях способен нести все нагрузку, воздействующую на здание. В этом случае эту технологию следует считать каркасно-панельной. От рассмотренной ранее она отличается только технологией сборки и применяемым теплоизоляционным материалом.
Однако, в ряде случаев несущая способность самой панели оказывается достаточной, для того, чтобы обеспечить необходимый запас прочности здания. Т.е. Для SIP панели наличие внутреннего или наружного каркаса не является обязательным. В этом случае эту технологию относят к бескаркасным или панельным. Для соединения панелей здесь используют специальные шпонки из OSB или с помощью «сплайнов» (термовставок), нарезаемых из панеле меньшей толщины.
Практика показала, что строительство домов из SIP панелей на сегодня наименее затратный способ строительства. Это вызвано тем, что оборудование для производства таких панелей достаточно простое, также как и приспособления для сборки. Существует и ряд других преимуществ.
Тем не менее, существуют и недостатки. Первое, о чем следует сказать, что доступность технологии привлекла к ней внимание в том числе и недобросовестных строителей. И если в США и Канаде существуют детально проработанные и утвержденные строительные нормы и правила, регламентирующие процессы проектирования производство и строительство зданий и сооружений с использованием SIP панелей, то у нас они отсутствуют. Соответственно, нет базы для проведения сертификационных испытаний (в отличие от традиционного каркасного и каркасно-панельного домостроения). Да и проводить их некому.
О зарубежных нормативах знают и у нас, но ориентируются на них только добросовестные предприниматели.