Введение
Техника строительства
Каркасное строительство – это соединение элементов для придания конструкции прочности и формы. Материалы для каркаса обычно включают дерево, древесные материалы, полученные инженерным способом, или конструкционную сталь. Альтернативой каркасному строительству является, как правило, массивное строительство стен, при котором используются горизонтальные слои уложенных материалов, таких как сруб, каменная кладка, трамбованная земля, саман и т.п., без применения каркаса. Строительство зданий делится на две основные категории: тяжелый каркас (тяжелое каркасное строительство), если вертикальные опоры немногочисленны и массивны, например, при строительстве с использованием бруса, столбового каркаса или стального каркаса; или легкий каркас (легкое каркасное строительство), если опор больше и они меньше по размеру, например, при строительстве методом воздушного шара, платформы, легкого стального каркаса или даже сборного каркаса. Легкое каркасное строительство с использованием стандартизированной пиломатериалов стало доминирующим методом строительства в Северной Америке и Австралии благодаря экономичности метода; использование минимального количества конструкционных материалов позволяет строителям перекрывать большие площади с минимальными затратами, достигая при этом широкого разнообразия архитектурных стилей. Современные конструкции легкого каркаса обычно приобретают прочность за счет жестких панелей (фанера и другие композитные материалы, подобные фанере, такие как ориентированно-стружечная плита (OSB), используемые для формирования всей или части секций стен), но до недавнего времени плотники использовали различные виды диагональных связей для стабилизации стен. Диагональные связи остаются важной внутренней частью многих кровельных систем, а в стенах ветровые связи требуются строительными нормами во многих муниципалитетах или отдельными законами штатов в Соединенных Штатах. Специальные каркасные сдвиговые стены становятся все более распространенными, чтобы помочь зданиям соответствовать требованиям сейсмостойкого и ветрового проектирования.
История
В исторические времена люди соединяли деревянные брусья естественной формы, а затем стали использовать соединения для скрепления пиломатериалов – метод, который сегодня известен как традиционная деревянная каркасная конструкция или бревенчатый каркас. В Соединенных Штатах деревянные каркасы были вытеснены каркасом «воздушный шар» начиная с 1830-х годов. Каркас «воздушный шар» использует множество легких элементов стен, называемых стойками, вместо меньшего количества более тяжелых опор, называемых столбами; компоненты каркаса «воздушный шар» скрепляются гвоздями, а не собираются с помощью столярных соединений. Стойки в каркасе «воздушный шар» простираются на два этажа от нижней обвязки до верхней обвязки. Каркас с платформой вытеснил каркас «воздушный шар» и сегодня является стандартным методом деревянного каркаса. Название происходит от того, что каждый этаж формируется как отдельный блок или платформа. Использование заводских стен и полов стало более популярным благодаря экономии времени и средств. (Префабрикация) Стены обычно изготавливаются на предприятиях, а затем доставляются на различные строительные площадки. Этот процесс каркаса повысил скорость возведения каркаса непосредственно на объекте, ускорив строительство зданий. Каркасное строительство редко использовалось в Скандинавии до XX века из-за обилия древесины, избытка дешевой рабочей силы и превосходных теплоизоляционных свойств бревен; поэтому деревянные каркасы не получили распространения в первую очередь для неотапливаемых зданий, таких как фермерские постройки, хозяйственные постройки и летние виллы, а также для жилых домов до разработки эффективной теплоизоляции стен.
Стены
Стеновые каркасы в строительстве домов включают вертикальные и горизонтальные элементы наружных стен и внутренних перегородок, как несущих, так и ненесущих стен. Эти элементы, называемые стойками, обвязными досками и перемычками (иногда называемыми заголовками), служат основанием для крепления всех облицовочных материалов и поддерживают верхние перекрытия, которые обеспечивают поперечную прочность вдоль стены. Перекрытия могут представлять собой конструкцию потолка и крыши, или балки перекрытия потолка и пола вышележащего этажа. В строительстве эта техника известна как каркас из стоек, каркас на стойках и перекрытиях или каркас из стоек и коробки, поскольку стойки придают конструкции вертикальную поддержку, а секции пола в форме коробки с балками, заключенными в длинные стойки и перемычки (чаще называемые заголовками), поддерживают вес всего, что находится выше, включая следующую стену и крышу над верхним этажом. Перекрытие также обеспечивает поперечную поддержку против ветра и удерживает стенки из стоек ровными и прямыми. Любое нижнее перекрытие поддерживает вес перекрытий и стен выше уровня его составных перемычек и балок. В некоторых странах строительная древесина подлежит регулируемым стандартам, требующим наличия маркировки сорта и содержания влаги не более 19%. Существует четыре исторически распространенных метода каркасного строительства дома. Стоечно-балочная система, которая сейчас используется преимущественно при строительстве хозяйственных построек. Каркасная конструкция с укосами, также известная как полный каркас, полукаркас, каркас с укосами Новой Англии, комбинированный каркас – ранняя форма легкого каркаса, сохранившаяся до 1940-х годов на северо-востоке Соединенных Штатов, характеризующаяся непрерывным использованием обвязок, угловых стоек и укосов, чаще всего соединенных врубками, шипами и гвоздями. Каркас на перекрытиях часто формирует горизонтальные секции стен на полу до их установки, облегчая позиционирование стоек и повышая точность, снижая при этом потребность в рабочей силе. Верхняя и нижняя обвязки прибиваются к каждой стойке двумя гвоздями длиной не менее 16d (16 пенни). Стойки удваиваются (образуя стойки) в проемах, при этом промежуточная стойка обрезается для установки перемычек (заголовков), которые затем прибиваются к внешним стойкам.
Штыки для наружных стен
Каркас стен в строительстве домов включает вертикальные и горизонтальные элементы наружных стен и внутренних перегородок. Эти элементы, называемые стойками, обвязными досками и перемычками, служат основанием для всех облицовочных материалов и поддерживают верхние этажи, потолок и крышу. Они опираются на нижнюю обвязку или фундаментный порожник и, в свою очередь, поддерживают верхнюю обвязку. Стойки обычно состоят из досок размером 50x100 мм или 50x150 мм и обычно располагаются с шагом 400 мм. Этот шаг может быть изменен до 600 мм в зависимости от нагрузки и ограничений, налагаемых типом и толщиной используемого стенового покрытия. Для обеспечения большего пространства для утеплителя можно использовать более широкие стойки размером 89x140 мм. Утеплитель, который не помещается в пространство между стойками шириной 89 мм, также можно обеспечить другими способами, например, жестким или полужестким утеплителем или полосами утеплителя между горизонтальными нагелями размером 38x38 мм, или жестким или полужестким утеплителем, обшивающим стойки снаружи. Стойки крепятся к горизонтальным верхним и нижним обвязным доскам из досок размером 38 мм, которые имеют ту же ширину, что и стойки. Перегородки могут быть построены из стоек размером 50x100 мм или 50x150 мм с шагом 400 мм в зависимости от типа и толщины используемой отделки стен. Если в перегородке нет распашной двери, иногда используются стойки с шагом 600 мм, причем широкая сторона стойки параллельна стене. Обычно это делается только для перегородок, закрывающих шкафы или кладовки, чтобы сэкономить место. Поскольку перегородки не несут вертикальную нагрузку, в дверных проемах можно использовать одинарные стойки. Верхнюю часть проема можно перекрыть одной доской той же ширины, что и стойки. Эти элементы обеспечивают основание для крепления стеновой отделки, дверных коробок и плинтусов. После того как собранные секции выровнены по вертикали, они прибиваются вместе в углах и местах пересечения. Полоса полиэтилена часто укладывается между внутренними стенами и внешней стеной, а также над первой верхней обвязкой внутренних стен перед установкой второй верхней обвязки для обеспечения непрерывности воздушного барьера, если полиэтилен выполняет эту функцию. Еще в 1637 году в северо-восточных английских колониях в Северной Америке в деревянных каркасах использовались легкие стойки между более массивными углами. Норман Ишэм писал: "Иногда каркас покрывали вертикальной доской, прикрепленной к порожникам, обвязным доскам и распоркам без какого-либо промежуточного каркаса, но в большем количестве домов пространства между более массивными бревнами заполнялись более легкими вертикальными палками, называемыми стойками". Развитие производства гвоздей в начале XIX века ускорило сборку каркаса, а некоторые из первых машин были разработаны в конце 1700-х годов в Массачусетсе. Джейкоб Перкинс из Ньюберипорта, штат Массачусетс, изобрел машину, которая могла производить 10 000 гвоздей в день. Каркас для воздушного шара использует длинные непрерывные элементы каркаса (стойки стен), которые проходят от нижней обвязки до верхней обвязки, а промежуточные конструкции перекрытия вставляются и прибиваются к ним. Здесь высоты подоконников, перемычек и высоты следующего этажа отмечались на стойках с помощью отметчика. Когда-то популярный, когда было много длинной древесины, каркас для воздушного шара в значительной степени заменен платформенным каркасом. Неизвестно, кто впервые внедрил каркас для воздушного шара в Соединенных Штатах. Однако первым зданием, построенным с использованием каркаса для воздушного шара, возможно, был склад, построенный в 1832 году в Чикаго, штат Иллинойс, Джорджем Вашингтоном Сноу или Августином Деодатом Тейлором. В 1833 году Тейлор построил первую католическую церковь в Чикаго, Святой Марии, используя метод каркаса для воздушного шара; это здание несколько раз переносили и реконструировали, прежде чем оно сгорело во время Великого Чикагского пожара. В 1830-х годах житель штата Индиана Солон Робинсон опубликовал статьи о революционной новой системе каркасов, названной "каркасом для воздушного шара" более поздними строителями. Система Робинсона требовала стандартной доски 50x100 мм, скрепленной гвоздями для формирования прочного, легкого скелета. Строители неохотно принимали новую технологию; однако к 1880-м годам какая-то форма каркаса 50x100 мм стала стандартной. В качестве альтернативы, предшественник каркаса для воздушного шара мог быть использован французами в Миссури за 31 год до этого. Хотя в Америке XIX века было много древесины, квалифицированной рабочей силы было недостаточно. Появление дешевых гвоздей, изготовленных машинным способом, а также водяных пилорам в начале XIX века сделало каркас для воздушного шара очень привлекательным, поскольку он не требовал высококвалифицированных плотников, как это требовалось при строительстве с использованием врубок, шипов и пазов. Впервые любой фермер мог построить свои собственные здания без длительного обучения. Говорят, что каркас для воздушного шара заселил западные Соединенные Штаты и западные провинции Канады. Без него западные города-призраки, безусловно, не могли бы расцвести в одночасье. Вероятно также, что, радикально снизив стоимость строительства, каркас для воздушного шара улучшил жилищные условия для более бедных североамериканцев. Однако каркас для воздушного шара требовал очень длинных стоек, и когда к 1920-м годам высокие деревья были истощены, платформенный каркас стал преобладающим. Каркас для воздушного шара представляет собой проблемы при тушении пожаров, поскольку многие старые здания с каркасом для воздушного шара не имеют противопожарных перегородок или противопожарных преград в открытых полостях каркаса, и огонь может распространяться по вертикали за короткое время. Поскольку полости перекрытия и стен соединены, огонь может быстро распространяться по всей конструкции. Многие здания с каркасом для воздушного шара были построены до введения строительных норм, которые требуют противопожарных преград, и огонь может распространяться от подвала до чердака за считанные минуты. Основное различие между платформенным и каркасом для воздушного шара заключается в местах расположения перекрытий. Стойки стен каркаса для воздушного шара простираются от порожника первого этажа до верхней обвязки или конечной стропилы второго этажа. Платформенный каркас стен, с другой стороны, является независимым для каждого этажа.
Материалы
Материалами легкого каркаса чаще всего являются дерево или прямоугольная сталь – трубы или С-образные профили. Деревянные элементы обычно соединяются гвоздями, шурупами или саморезами; стальные элементы – винтами для каркаса с потайной головкой или гайками и болтами. Для линейных несущих элементов предпочтительны мягкие породы дерева, такие как ель, сосна и пихта. Размеры материалов легкого каркаса варьируются от, например, доски 5х10 см (два на четыре дюйма) до 5 см х 30 см (два на двенадцать дюймов) в поперечном сечении, а длина – от для стен до или более для балок перекрытия и стропил. В последнее время архитекторы начали экспериментировать с предварительно нарезанными модульными алюминиевыми каркасами для снижения затрат на строительство на месте. Стенные панели, собранные из стоек, прерываются участками, образующими проемы для дверей и окон. Проемы обычно перекрываются балкой или перемычкой, которая несет нагрузку от конструкции, расположенной над проемом. Балки обычно опираются на боковые стойки, также называемые подкосами. Область вокруг окон определяется подоконником под окном и укороченными стойками (криппами), которые соединяют нижнюю обвязку с подоконником, а иногда и верхнюю часть окна с балкой или балкой с верхней обвязкой. Диагональные распорки из дерева или стали обеспечивают устойчивость к сдвигу (горизонтальную прочность), как и панели обшивки, прибитые к стойкам, подоконникам и балкам. Стенные секции обычно включают в себя нижнюю обвязку, которая крепится к конструкции пола, и одну или, чаще, две верхние обвязки, которые соединяют стены вместе и служат опорой для конструкции, расположенной над стеной. Деревянные или стальные перекрытия обычно включают в себя обводной пояс по периметру системы лаг перекрытия и часто содержат распорные элементы вблизи середины пролета для предотвращения боковой потери устойчивости несущих элементов. В двухэтажном строительстве в перекрытии оставляются проемы для лестничного марша, в котором ступени обычно крепятся к наклонным нарезным сторонам наклонных лестничных тетив. Внутренняя отделка стен в конструкциях легкого каркаса обычно включает в себя гипсокартон, штукатурку по решетке или декоративную деревянную облицовку. Наружная отделка стен и потолков часто включает в себя фанеру или композитную обшивку, облицовку из кирпича или камня, а также различные виды штукатурки. Пространства между стойками, обычно расположенными на расстоянии друг от друга, обычно заполняются изоляционными материалами, такими как минеральная вата или целлюлозное волокно, иногда изготовленное из переработанной газетной бумаги, обработанной боратами для предотвращения возгорания и защиты от вредителей. В натуральном строительстве для наружных и внутренних стен могут использоваться соломенные блоки, саман и глинобитные конструкции. Элемент конструкции здания, расположенный по диагонали в стене, называется Т-образной распоркой. Он предотвращает обрушение стен при сильном ветре. Дерево, обработанное под давлением (антисептированное дерево), – это тип древесины, который используется, когда нижняя обвязка подвергается воздействию внешней влаги, даже при контакте с бетоном.
Крыши
Крыши обычно строятся с наклонной поверхностью, предназначенной для отвода дождя или снега, с уклонами от 1:15 (менее одного дюйма на линейный фут горизонтального пролета) до крутых уклонов более 2:1. Легкая каркасная конструкция, возводимая преимущественно внутри наклонных стен, которые одновременно служат крышей, называется А-образной фермой. В Северной Америке крыши часто покрывают черепицей из асфальта, стекловолокна и мелкой гравийной посыпки, но используется широкий спектр материалов. Для гидроизоляции плоских крыш часто применяют расплавленный битум, однако современные материалы включают резину и синтетические материалы. Стальные панели – популярное кровельное покрытие в некоторых регионах, ценимое за долговечность. Сланцевые или черепичные крыши предлагают более традиционные покрытия для легких каркасных конструкций. Легкие каркасные методы позволяют легко возводить уникальные конструкции крыш; например, вальмовые крыши имеют уклон к стенам со всех сторон и соединяются стропилами, идущими от углов к коньку. Долины образуются, когда две наклонные плоскости крыши сходятся друг к другу. Мансардные окна – это небольшие участки, где вертикальные стены прерывают линию крыши и завершаются скатами, обычно под прямым углом к основной части крыши. Фронтоны образуются, когда продольный участок наклонной крыши заканчивается треугольной стенкой. Клерстории формируются за счет разрыва в уклоне крыши, где короткая вертикальная стена соединяет ее с другим участком крыши. Плоские крыши, которые обычно имеют хотя бы минимальный уклон для отвода воды, часто окружены парапетными стенами с отверстиями (называемыми водостоками), для обеспечения стока воды. На крышах устанавливают дефлекторы (крыльцовые сверчки) для отвода воды от зон с плохим дренажем, например, от дымохода в нижней части наклонного участка.
Структура
Легкие каркасные здания в районах с небольшой или отсутствующей глубиной промерзания грунта часто возводятся на монолитных бетонных плитных фундаментах, которые одновременно служат полом и опорой для конструкции. Другие легкие каркасные здания строятся над подпольем или подвалом, с использованием деревянных или стальных балок, перекрывающих пространство между фундаментными стенами, обычно выполненными из монолитного бетона или бетонных блоков. Для формирования конструкций пола, потолка и крыши вместо цельной древесины часто применяются сборные элементы. I-образные балки (фермы с закрытым полотном) часто изготавливаются из клееного дерева, чаще всего из щеповидного тополя, в виде панелей толщиной до , склеенных между горизонтально слоистыми элементами размером менее 4 см x 4 см (два на два), для перекрытия пролетов до . Фермы и стропила с открытым полотном часто формируются из деревянных элементов размером 4 см x 9 см (два на четыре) для обеспечения поддержки полов, кровельных систем и потолочных покрытий. Традиционно платформа каркаса ограничивалась четырьмя этажами, но в некоторых юрисдикциях строительные нормы были изменены, чтобы разрешить строительство до шести этажей с усиленной противопожарной защитой.