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 =)

Стык стропил и коньковой балки

    Как я уже упомянул, стропила в своей коньковой части опираются на коньковую балку. Тут важно подчеркнуть, что именно Опираются, а не Упираются, т.е. действуют на конёк только вертикально - это одно из основных отличий наслонного типа стропил от висячего. Для Опоры стропил на коньковой балке сделан выступ вдоль всей балки  шириной 50 мм. Но это не единственная точка опоры - она скорее "монтажная", значительно облегчающая монтаж. Основной крепёж стропил, это "затяжки" - по две доски сечением 50х100, установленные поперёк конька в заранее проделанные отверстия в балке, на каждую пару стропил (корректнее назвать их Ригелем, но так сложилось, что в тексте я употребляю термин Затяжка, но исправлять мне лень) Эти доски прикручиваются с двух сторон к усиленным в месте крепежа стенкам двутавров тремя резьбовыми шпильками М10. В результате получается крайне жёсткая конструкция, одновременно удерживающая балки стропил и саму коньковую балку в вертикальном положении. 
      На стадии монтажа стропила прикручиваются к коньку 4 саморезами 6х140 (по два в каждую полку). 

Коньковая балка

    Суть наслонного типа стропил я изложил выше, а теперь займёмся балкой, которая должна воспринимать нагрузку от стропил. Коньковая балка в этом проекте разрывается участком трубы от печи на два куска. Первый всего около 2 метров (его можно увидеть на фотках с уже установленными стропилами), а второй - 13,25 метров. Причём этот второй кусок опирается всего на три опоры.  Вот так выглядит сечение дома вдоль этой балки.

Конечно, проще разбить эту 13-метровую балку ещё на две, но в зале пролёт 8,5 метров собирает нагрузку с площади крыши 58 м², и кусок балки в 4,3 метра после колонны служит совсем не лишним противовесом! По расчёту снеговая нагрузка у нас вместе со всеми коэффициентами запаса 110 кгс/м² + собственный вес конструкции = 150 кгс/м², что составляет 8700 кг со всей площади крыши над залом. Грубо половина нагрузки воспринимается стенами, а вторая половина - коньковой балкой - 4350 кг.
   Расчёт я делал исходя из худших условий, а именно - нагрузка 4350 кг и балка разрезана на две части (две шарнирные опоры). При размере балки 570 х 70 мм без армирования получаем прогиб 30 мм (1/286) и положительный расчёт по прочности.

    Но в проекте есть ряд моментов, которые всё-же необходимо учитывать. Во первых, стропила на западной части более чем наполовину свисают за стену, образуя навес над террасой, так что нагрузку по факту они оказывают скорее отрицательную (стремятся приподнять коньковую балку, балансируя на мауэрлате стены)!  Во-вторых, балку решено делать неразрывной, так что часть нагрузки будет компенсирована вторым плечом балки.

    Расчёт опорных реакций таков: левая опора (южная) Q = 18.4 кН (1880 кг); центральная опора Q = 46,8 кН (4770 кг); правая опора (северная) Q = 3.4 кН (347 кг).  Максимальный момент в большом пролёте М = 32,7 кН*м; над центральной опорой М = -37,2 кН*м; во втором пролёте М = 1,1 кН*м. Всё это нам говорит, что наиболее напряжённым участком балки будет верхняя доска над центральной колонной. При расчетном сопротивлении сосны 1 сорта (конечно, я отобрал для балки лучшие доски!) Rи = 14 МПа требуемый для обеспечения прочности момент сопротивления составит:

W = bh²/6 = M/Rи = 37,2 нК*м / 14000 кПа = 0,0027 м³.

При ширине балки 50 мм высота её составит:

 h = √(6W/b) = √(6*0.0027 / 0.05) = √0.324 = 0.57 м.

Вот на этой высоте я и остановился - высота коньковой балки 570 мм. Ширина в основной части - 50 мм, в нижней части (там закреплены планки для опоры стропил) - 145 мм.

  Расчётный прогиб балки в результате всех уточнений составляет около 10 мм (1/850), что более, чем удовлетворительно! Кроме того, я решил сделать балку с так называемым "строительным подъёмом" на эту величину. Т.е. балка заведомо выгнута на 1 см в противоположную сторону, что после монтажа и некоторого срока эксплуатации должно выровняться, а мы получим идеально ровный потолок.

     Балка выполнена из досок разной высоты: первый (верхний) ряд - 190мм; второй ряд - 145 мм; третий ряд - 190 мм, в этом же ряду бруски опоры стропил - две штуки по 47х70 мм; четвёрный (нижний) ряд - 45 мм (доска плашмя 145х45 мм). Конечно, доски срощены по длине вразбежку и с учётом эпюры изгибающих моментов. Шипорезного станка у меня нету, поэтому сращивание по длине я сделал на вклеенные на эпоксидный клей штыри стеклопластиковой арматуры диаметром 8 мм (фото внизу), и для общей страховки растянутой зоны - между нижними двумя рядами балки по всей длине вклеены три прута этой же арматуры. 
    Пазы в балке нужны для установки "затяжек" стропил. Это доски 50х100х1500, вставляемые в отверстия балки поперёк и прикручиваемые к стропилам по обе стороны конька резьбовыми шпильками М10. Заодно эти же затяжки выполняют функцию пластинчатых нагелей в балке, дополнительно удерживая два растягиваемых ряда досок балки от продольного смещения.

    Расчётный вес балки 480 кг, длина 13,257 м. Балка занимает практически всю длину нашего "цеха". Как мы будем её вытаскивать, транспортировать и поднимать на высоту 7 метров - вопрос, конечно, интересный! В ближайшую неделю я попытаюсь её установить...

    Установил! Пришлось разработать целый техпроцесс, с созданием дополнительных средств и механизмов, но зато 97% операции по транспортированию и подъёму балки я выполнил в одиночку.

Водосточная система

    В этом проекте применено "нестандартное" решение - у крыши нет свесов. Совсем, ни сантиметра! Понятно, что просто водосточный желоб по периметру дома пустить нельзя. Это ставит перед нами задачу со скрытым водоотведением. Но так-же проект предполагает внешнюю отделку дома вертикальным планкеном, что требует двойной обрешётки под него, а это даёт нам 10 сантиметров пространства между непосредственно мембраной стены и внешней отделкой, куда и планируется спрятать всю водосточку. 

     Однако, у этого решения есть и "подводные камни". При проектировании обнаружилось, что водосточный желоб, смонтированный вплотную к стене, перекрывает вентиляционный зазор на крыше (тут удобно использовать прямоугольные желоба). Поэтому на ребре крыша-стена пришлось сделать небольшой "отступ" контура утепления для создания непрерывного вентзазора. Схема этого узла выглядит вот так: 

Вентзазор.jpg

Жёлтыми стрелками обозначен поток воздуха в вентзазоре.

  • Под фальцем мы используем подкладочный ковёр ANDEREP PROF, обозначен синим цветом на схеме.

  • Мембрана на крыше - трёхслойная супердиффузионная DACH DECKER eXXtra плотностью 150 г/м²; паропропускаемость: 3200 г/м²·24ч (Sd: 0.02 м), нарисована голубым цветом на схеме.

  • Мембрана на стене - трёхслойная супердиффузионная DACH DECKER 135 плотностью, соответственно, 135 г/м²; паропропускаемость: 3200 г/м²·24ч (Sd: 0.02 м), нарисована салатовым цветом на схеме.

  • Дублирующая мембрана на стене - двухслойная влаго-ветрозащитная DACH DECKER WIND плотностью 95 г/м²; паропропускаемость: 4500 г/м²·24ч (Sd: 0.005 м), нарисована бирюзовым цветом на схеме. 

Наверняка у вас возникнет вопрос: Зачем нужна дублирующая мембрана на стене​?! 
    Действительно, одной мембраны вполне достаточно. Но, в качестве наружной отделки у нас вертикальный планкен, который монтируется с небольшим зазором, 3 - 5 мм между планкенинами. Известно, что мембрана под действием ультрафиолета разрушается довольно быстро. Производитель даёт гарантию на стойкость к UV 10 недель в среднем в год. И на практике я много раз убеждался - ультрафиолет за 3 - 4 месяца разрушает "фильм" мембраны в пыль, хотя наружные защитные слои, в общем-то, выдерживают гораздо дольше. Дублирующий слой мембраны выполнен из недорогой двухслойной мембраны без центрального слоя, того самого "фильма", что снижает её влагозащитные свойства до класса W2, однако позволяет не сильно "париться" по поводу её устойчивости к UV. На практике я натянул её на южной стороне гаража 5 лет назад, и до сих пор она не имеет заметных глазу и на ощупь дефектов. За 5 лет на солнце она не отличима от новой мембраны! В то же время трёхслойные мембраны начинают заметно трескаться и крошиться при продавливании пальцем через пару месяцев на солнце. В общем, дешёвый двухслойный WIND нужен для защиты более дорогой трёхслойной мембраны от UV, и заодно, от любых других внешних неблагоприятных воздействий: снега, града, дождей, пыли, резких порывов ветра, насекомых и прочего. Это решение обошлось около 130$ на весь дом - сумма крайне незначительная, учитывая все положительные эффекты. Небольшой процент площади, на который падают прямые солнечные лучи через щели в планкене и постоянное перемещение этих лучей в течение дня позволяют снизить UV нагрузку на эту мембрану, что даёт нам наглость думать, что мембрана прослужит не один десяток лет, сохранив основную мембрану на весь срок эксплуатации дома (производитель утверждает, что срок службы мембран более 50 лет, при правильной их эксплуатации, естественно).

Защита от грызунов

    Мышки-полёвки в нашем поле живут припеваючи! Вокруг регулярно засаживают поля кукурузой, так что еды им хватает на весь год. Летом их в помещениях практически и не видно, а вот на зиму они ищут укрытие потеплее. А тут каркасники на их поле появились - конечно, они попытаются их обжить! Сами мышки - очень маленькие, около 3 сантиметров длиной, если без хвостика. 

  Мне удалось поймать парочку мышек в добром здравии и на них я проверил сетку, которую планирую использовать в качестве  мышезащиты. Сетка сварная из оцинкованной проволоки диаметром 0,5 мм с квадратной ячейкой 7х7 мм - единственный подходящий вариант, который удалось найти в местных супермаркетах по относительно небольшой цене (20$ за 15 м², или 1,3$ за 1 м.п.). В результате испытаний мышки даже "под дулом пистолета" не смогли преодолеть ограждение из этой сетки.
     Защищать сеткой я планирую весь низ дома: черновой пол из ОСП-3 и доступ в вентзазоры.

  •     По периметру дома сетка была уложена заранее, ещё перед монтажом перекрытия первого этажа, ибо потом туда будет проблематично залезть и качественно там всё сделать.

  •    Сетка по площади перекрытия будет делаться вместе с укладкой чернового пола: вырезаю лист ОСП, оббиваю его сеткой на степплер и укладываю на полки двутавров перекрытия.

  • Сетка для вентзазора монтируется после мембраны. Чтобы сетка хорошо держалась, проволока не повреждала мембрану и крепёж этой сетки не создавал лишних отверстий в мембране я нарезал тонкие деревянные рейки. К рейкам на степплер прибил сетку, проклеил уплотнительной лентой и прикрутил этот пирог к стене, дополнительно прижимая мембрану. После монтажа контр-обрешётки сетка снизу скобами прибъётся к нижнему бруску. Таким образом вентзазор будет закрыт от мышей, птиц и крупных насекомых.

Спасибо всем, кто помогает проекту! Любая ваша помощь значима!

Российский руб.

© 2015 «Project - House».  

Сайт Дмитрия Петрова