Соединения в каркасном доме из двутавров

    Описание проекта здесь, расчёты и всяческие особенности деревянных двутавровых балок находятся тут, описание фундамента тут и технологии ТИСЭ в общем - тут.

       Узлы и соединения в обычном каркаснике всем давно и хорошо известны, они подробно описаны во многих книгах и, конечно, имеются официальные своды правил, где написано как собирать, куда и сколько бить гвоздей, как всё это рассчитывать и т.п. Например: ТКП EN 1995-1-1-2009 "Проектирование деревянных конструкций", СП 64.13330 "Деревянные конструкции" и, конечно же, СП 31-105-2002 "Проектирование и строительство жилых домов с деревянным каркасом". Но, нигде нет никаких инструкций по сборке дома из двутавров.  Тут каждый сам себе закон, сам себе указ. Однако, ознакомиться с вышеобозначенными документами всё же следует - многое из них можно использовать и в нашей конструкции.

     Здесь я подробно покажу устройство узлов и примыканий двутавровых конструкций, используемых конкретно на этом объекте. Не претендую на абсолютную истинность и верность моих решений, но, возможно, вы увидите мои ошибки и сделаете лучше =)

Наружные углы дома

      В традиционных каркасах используется угол из двух или трёх досок. Это стандартное решение, прописанное в СП 31-105-2002 (п. 7.2.11). Причём в соединении на трех стойках дополнительная стойка, устанавливаемая длинной стороной сечения параллельно стене, предназначается для крепления внутренних обшивок стен. Соединение на трёх стойках прочнее, однако есть небольшой недостаток - соединяемые доски двух стен всегда будут иметь сквозные щели. Недостаток решается установкой различных уплотнителей, будь то джут, лён, конопля, вспененный полиэтилен или просто полиуретановая пена.
      Кроме прочности и щелей есть ещё теплотехнический аргумент. В каркасном доме доска по отношению к утеплителю является мостиком холода. Т.е. чем больше доски в углу, тем он холоднее. Этот печальный факт усиливается самой теплофизикой углов. В углах площадь наружной поверхности стены значительно превосходит площадь внутренней, что означает, что угол теряет тепло гораздо лучше плоской стены и не прогревается теплом из помещения. Это приводит к смещению изотерм внутрь помещения и промерзанию углов. Углы в доме всегда будут холоднее, чем сама стена, причём в любой конструкции. 

      Для двутавров оба варианта подходят, мягко говоря, не очень.

Рисунок выше - Термограмма наружного угла, распределение температурных полей в горизонтальной плоскости угла однородной стены и, собственно, крайний случай такого промерзания - плесень.

Рисунок ниже - Распределение температурных полей в углах каркасного дома для стандартных вариантов конструкции при αi = 23 Вт/(м² ·К), αe = 5,8 Вт/(м² ·К): δут = 200 мм, λут = 0,045 Вт/(м·К);
δосп = 10 мм, λосп = 0,15 Вт/(м·К); λд = 0,18 Вт/(м·К); δст = 220 мм, tвн = 20°С, tн = -39°С

      При толщине каркаса 200 мм и наружной температуре -39°С угол промерзает в первом варианте до 11,5°С; во втором варианте - до 10,7°С (источник - конференция "евразийское научное объединение" [PDF]).

        Взяв за основу более "тёплый" вариант классического каркаса, мы получили вот такой угол из двутавров:

    А вот что получается в реальности. Стойка П -образного сечения ещё не везде установлена, её установим попозже. Легко можно заметить соединительный брусок 50х50 и торчащий из под него уплотнитель. Конечно, можно обойтись без соединительного бруска и прикручивать один двутавр к другому напрямую, предварительно закрепив уплотнительную ленту, но это усложняет процесс сборки и подъёма стен на стройплощадке, да и вбивать гвоздь изнутри двутавра в полку шириной 3 см - совсем "не эргономичный" процесс. Угол утепляется снаружи, перед установкой ветрозащитной мембраны. В углу минимизированы мостики холода и при этом есть хорошие плоскости для монтажа внутренней обшивки и брусков вентзазора. Кроме того, угол получается очень жёстким и прочным.

Примыкание внутренних стен (Т-образный стык)

    Т-образный стык весьма похож на угол, за исключением того, что вместо П-стойки устанавливается двутавровая стойка, так-же крепящаяся через соединительный брусок 50х50. Этот узел так-же утепляется снаружи.

Опирание на фундамент

      Конструкция нашего дома относится к так называемому "платформенному" типу каркасов - когда стойки стен не превышают высоту одного этажа и разрываются конструкцией перекрытий. В этом типе каркасов стены опираются на перекрытие, а не наоборот (бывает вариант, когда стойки могут быть высотой в два этажа, а перекрытие крепится к стойкам с помощью специальных крепёжных элементов). Таким образом, для возведения стен сначала делается перекрытие первого этажа - потом стены первого этажа - затем перекрытие второго этажа - дальше стены второго этажа, и т.д. 

      Итак, узел опирания перекрытия на фундамент и опирания стены на перекрытие выглядит вот так:

Выглядит страшно и непонятно, но на деле всё не так страшно, здесь большинство линий - контуры двутавров. Фотографии должны многое прояснить:

   Как и в обычных каркасниках, всё опирается на опорную доску (лежень). Лежни представляют собой доску 50х150, которая прикручена к фундаменту анкерами М12 с шагом около 1,5 метра (по СП 31-105-2002 не более 2,4 м) через гидроизол. На этом сходство заканчивается.

      Вес дома вместе со всевозможными нагрузками за вычетом фундамента - 104 тонны. Эту нагрузку необходимо передать на фундамент чем-то покрепче, чем ОСП в стенках двутавров перекрытия. Для этого есть два решения. Стены каркаса дома имеют ширину 245 мм и состоят из вертикальных двутавров сбитых снизу и сверху П-образными балками (два бруска 50х70, прибитых и проклеенных на полосу ОСП шириной 245 мм).  Т.е. основные точки приложения нагрузки - это самый край балки перекрытия и на расстоянии 225 мм от этого края.

1. На торцах двутавров перекрытия вы можете видеть прибитые и проклеенные вертикальные бруски сечением 30х50 мм (№21 на схеме). Они воспринимают одну часть нагрузки от стен. Всего у нас 28 балок перекрытия, 56 концов которых должны воспринять 104 тонны. На каждом конце "условно" по 4 бруска 30х50. Получается 104т/56/4 = 465 кг или 0,3 Н/мм. Доска 2-го сорта должна выдерживать 13 Н/мм на сжатие вдоль волокон - так что, хоть они и выглядят как-то не очень основательно, запас прочности у них сорокократный! Так-же эти брусочки понадобятся для крепления листов ОСП снаружи (№2 на схеме).

2. На фото выше вы можете видеть поперечные коротенькие двутавры, вклеенные между основными двутаврами перекрытия на расстоянии 225 мм от его края - они выполняют двойную функцию:

  • удерживают балки перекрытия в вертикальном положении, обеспечивая жёсткую фиксацию;

  • вертикальные бруски в месте соединения воспринимают вторую часть нагрузки от стен, снимая её со стенок двутавров перекрытия из относительно непрочной ОСП.

    Ещё один нюанс, вы могли заметить ОСП _под _ двутаврами перекрытия, а не между ними. На всём остальном перекрытии утеплитель будет лежать между двутаврами, а подшивка будет просто опираться на нижнюю полку двутавра. Это легко, удобно и быстро, однако, уменьшает возможную толщину утеплителя на 50 мм. В зоне опирания стен ОСП заранее смонтирована ПОД двутавр, что позволяет сделать толщину утеплителя в этом месте 300 мм (в остальной части перекрытия 250 мм). Таким образом мы принимаем все возможные меры по качественному утеплению углов, проблема которых была уже описана в начале статьи.

Верхняя обвязка стен. Ригель

      По СП 31-105-2002 верхнюю часть обвязки рекомендуется делать из двух досок толщиной не менее 38 мм. Здесь мы выполняем это требование тоже, но немного специфически. Вместо нижней доски верхней обвязки мы используем ригель сечением 50х200, который опирается на внутреннюю "полку" стоек из двутавров (заранее подрезанных). А к ригелю сверху прибивается П-образный профиль из двух досок 50х70. Конечно, тоже с уплотнительной лентой. Таким образом мы можем опирать стойки второго этажа и стропила в произвольных местах, без боязни попасть куда-то между стойками на первом этаже. Вся нагрузка от крыши максимально равномерно распределяется между стойками благодаря мощным ригелям в стенах. 

     Ригели, кроме распределения нагрузок, намертво удерживают двутавровые стойки в расчётном положении, поскольку в них сделаны врубки на 20 мм в местах опирания на стойки. На фото хорошо видно, о чём я говорю:

Нижняя обвязка стен

     Стойки вверху стены врублены в ригель и прибиты четырмя ершёными гвоздями 100 мм вкосую, по два гвоздя в каждую "полку" двутавра. Внизу стойки так-же прибиты четырьмя ершёными гвоздями вкосую к П-образной балке нижней обвязки из двух досок 50х70, и дополнительно враспор установлены бруски 30х50, прибитые по два гвоздя 70мм (№11 на схеме выше). Потом все стойки по наружной пласти будут связаны с перекрытием бруском вентзазора (№7 на схеме), а по внутренней пласти - связаны с обвязочной П-образной балкой внизу и ригелем вверху (№12) плитой ОСП-3 12 мм (№3). Таким образом мы получаем жёстко зафиксированную стойку даже на случай, если вообще не вбить ни одного гвоздя =) Дополнительно это позволяет выправить "винты" на некоторых двутаврах. Хоть двутавры заведомо достаточно ровные, иногда всё-же их скручивает немного - дока таки "живая".

Стык стен и стропил

    Здесь я решил использовать достаточно нестандартный вариант - нагели (они же шканты, чопики, бобышки и др.)

Стропила сделаны по "наслонной" схеме, т.е. опираются на конёк и стены и не имеют затяжки. Эта схема высвобождает пространство под крышей от любых дополнительных элементов, но требует мощной коньковой балки, способной выдержать нагрузку от крыши.

    Вторая распространённая схема - "висячие стропила" - заключается в том, что стропила опираются на стены в нижней своей части и упираются друг в друга, в зоне конька. Но эта схема требует хорошей затяжки внизу стропил.  Стропила при этом работают на сжатие с изгибом, и чем более пологие скаты крыши, тем мощнее нужна затяжка, работающая на растяжение. Ширина дома у нас 7120 мм, и цельную доску для затяжки такой длины найти проблематично. Угол скатов 26°. На картинке ниже изображены эти две схемы:

  Конечно, висячие стропила могут избавить от необходимости устройства мощного конька, но такой вариант обычно используют на небольших крышах (расстояние между стен до 6 метров), где затяжка одновременно может являться полом чердака или элементом перекрытия. Но в нашем варианте затяжек быть не должно - потолок в зале, это крыша, и этот потолок хотелось бы иметь без каких-то дополнительных балок, досок и прочих элементов. Потому была выбрана схема наслонных стропил. 

   Наслонные стропила - одни из самых простых в расчёте. Они работают только на изгиб, без сжатий и растяжений. Длина стропил - 5045 мм. Для них я изготовил двутавры высотой 400 мм. При такой толщине крыши в неё легко встроить небольшой ригель, который будет надёжно удерживать стропильные ноги на коньке, а подкладки с нагелями на стенах будут удерживать их от любых смещений и расползаний, даже если "усиленные" саморезы, которыми закреплены стропила, вдруг все одновременно лопнут. В общем, крепёж в этой конструкции не является "несущим". Нагели сделаны из черенков из лиственных пород для метёлок диаметром 22 мм, купленных в  первом попавшемся хоз.магазине =)