Конструктивные решения зданий и сооружений из древесины

Конструктивные решения зданий и сооружений из древесины

При применении современных материалов из древесины учитывают специально разработанные конструктивные решения  зданий.

По конструкции стен деревянные здания подразделяются на бревенчатые (рубленые), брусовые, каркаснообшивные, щитовые и панельные.

Бревенчатые стены собираются из горизонтальных рядов — венцов с прокладкой в швах мха, пакли, пенополистирольных лент или других изоляционных материалов. Для устойчивости через 1,5… 2 м венцы скрепляют между собой деревянными шипами (шкантами) или металлическими нагелями.

Вследствие усушки древесины стены  после одного года эксплуатации дают осадку, достигающую 1/20 их высоты. Поэтому  над шипами в гнездах, под балками, над оконными и дверными коробками  оставляют зазоры на осадку, а конопатку  швов выполняют через один год  после возведения стен.

Толщина наружных стен обычно принимается  в пределах 22… 26 см. Для внутренних стен можно использовать более тонкие бревна, а для сохранения одинаковой высоты венцов — уменьшать ширину припазовки. Первый ряд венцов (оклад) устанавливают из самых толстых бревен с врубкой на 1/2 или 1/4 дерева, остальные вышележащие венцы сопрягают в углах в чашку (в обло) или в лапу.

При устройстве стен из специально остроганных  под одинаковые размеры так называемых оцилиндрованных бревен венцы скрепляют деревянными шипами, углы стягивают специальными болтами, а в верхней или нижней части бревна иногда прорезают паз для образования организованной трещины.

Более индустриальными по сравнению  с бревенчатыми являются брусчатые  стены. Из бруса собирают стены отапливаемых одно- и двухэтажных зданий. В зависимости от климатических условий для наружных стен в основном применяют брус сечением 150х150 или 180х150 мм, а для внутренних в основном 100х150 мм. Если стены возводят на каменном ленточном фундаменте, под первый ряд брусьев укладывают гидроизоляцию из толя, рубероида или пропитанной битумом доски. Брусья кладут на пакле и крепят деревянными нагелями диаметром 25 мм и длиной 400 мм, которые располагают через 1,5 м в шахматном порядке по высоте стен. Уложив первые три ряда и установив нагели, укладывают следующие два ряда брусьев, просверливают отверстие на толщину трех рядов, т.е. захватывают верхний брус нижнего пакета и скрепляют их нагелями и т.д. Сопряжение брусьев в углах стен, в стыках по длине и с вертикальными элементами оконных и дверных коробок делают на деревянных шпонках или рейках. Оконные и дверные коробки, балки перекрытий устанавливают одновременно со сборкой стен. Брусчатые стены вследствие усыхания древесины и уплотнения пакли в пазах дают усадку до 1/20 своей высоты. Поэтому над каждым проемом оставляют зазор в 1/20 его высоты, заполняемой паклей, а длину нагелей делают на 2 ... 5 см меньше высоты трех рядов брусьев. Стены из брусьев ,изготовленных по скандинавской технологии, часто устраивают без обшивки из-за их эстетичности, с острожкой и покрытием специальными лаками, обладающими антисептическими свойствами.

Сопряжения элементов  при сборке конструкций из брусьев  и бревен

а - сопряжение брусьев наружных стен; б - то же, внутренних; в - то же, наружной стены с внутренней; г - сопряжение оконной коробки со стеной; д - сопряжение бревенчатых наружных стен "в чашку"; е - то же "в лапу"; ж - сопряжение стен "сковороднем"; 1 - нагели; 2 - шпонки; 3 - гребень.

Каркасно-обшивные стены состоят  из деревянного каркаса, тепло- и  гидроизоляции и двухсторонней  обшивки. Каркас включает в себя верхнюю  и нижнюю обвязку, стойки, ригели и  раскосы.

Обшивка каркасов с наружной стороны  может выполнятся вертикальным горизонтальным или наклонным расположением обшивочных досок, но в отношении защиты от атмосферных воздействий горизонтальная обшивка считается более предпочтительной.

С внутренней стороны вместо досок  могут быть использованы древесно-стружечные плиты, фанера, гипсокартонные листы  или другие обшивочные материалы. Пространство между внутренней и наружной обшивкой заполняется плитным или засыпным утеплителем. Для предупреждения проникания водяных паров к утеплителю применяют пленочные или рулонные слои гидроизоляции.

В последнее время стали практиковать обшивку каркаса с наружной стороны  стальными, алюминиевыми, виниловыми рейками (сайдинг), а также применять цементно-стружечные плиты или клееные плиты с эффективным утеплителем. Наружная поверхность таких плит состоит из тонких керамических пластинок, имитирующих кирпичную кладку.

Щитовые стены собирают из щитов, конструкция которых представлена на рисунке. Обшивка щитов досками увеличивает массу щитов, что не позволяет использовать их в широких масштабах.

Панельные стены и перегородки  собирают из сэндвич-панелей, которые представляют собой усиленные деревянные каркасные рамы, обшитые с наружной стороны водостойкой фанерой или цементно-стружечными плитами, а с внутренней – гипсоволокнистыми плитами. Для утепления панелей применяются современные теплоизоляционные материалы URSA, PAROC и пенополистирол. В качестве пароизоляции используется полиэтилен, пароизол и пленка TYVEK.

Влагостойкость цементно-стружечных плит позволяет наружную отделку  стен ограничивать покрытием фасадной краской. При необходимости дополнительно  с наружной стороны стены могут  облицовываться доской, сайдингом и т.п.

К конструктивным мероприятиям также относятся: предохранение конструкций и сооружений от увлажнения атмосферными осадками, грунтовыми, эксплуатационными и производственными водами; устройство ограждающих конструкций с тепло- и пароизоляцией, обеспечивающих от промерзания и конденсационного увлажнения; создание в конструкциях осушающего древесину режима; повышение огнестойкости путем устройства специальных огнестойких преград (обшивка кровельным железом, асбокартоном, войлоком, пропитанным глиной и др.), а также деление воздушных прослоек на отсеки, препятствующие созданию тяги.

По отдельным конструктивным элементам зданий необходимо предусматривать  следующие основные мероприятия.

Фундаменты и цоколи должны отделяться от стен и нижнего перекрытия слоем гидроизоляции. По обрезу цоколя должны устраиваться сливные козырьки из кровельного железа или сливные  доски. Устройство деревянных фундаментов (столбов) допускается только в лесоизбыточных районах для сборно-разборных и временных зданий и сооружений при соответствующем антисептировании их. Нижние обвязки в деревянных каркасных и брусчатых домах подлежат антисептированию и отделению от цоколей и фундаментов гидроизоляционной прокладкой. Стены деревянные щитовой и каркасной конструкции должны иметь пароизоляционный слой (толь, рубероид и др.) с внутренней стороны. Перегородки деревянные каркасные пустотные должны быть разделены диафрагмами на отдельные отсеки площадью не более 2 м² и не должны сообщаться с пустотами перекрытий. Полы деревянные первого этажа необходимо укладывать по лагам на кирпичных столбиках, установленных на глинобетонной подготовке, при этом лаги изолируются от кирпичных столбиков прокладками из двух слоев толя или рубероида. Лаги и половые доски (нижняя сторона) антисептируются. Под настилом чистого пола должна быть воздушная прослойка, обеспечивающая естественный воздухообмен, для чего в полу устраивают щелевые плинтусы или вентиляционные решетки. Подпольное пространство полов первого этажа по лагам в неотапливаемых помещениях необходимо вентилировать наружным воздухом, разделяя подпольное пространство на отсеки площадью не более 50 м². Междуэтажные деревянные перекрытия в санитарных узлах и в других влажных и мокрых помещениях каменных зданий не допускаются. В деревянных домах по дощатому настилу междуэтажного перекрытия следует укладывать водонепроницаемые полы (линолеум и др.). Укладка рулонных пароизоляционных материалов под заполнитель допускается только при условии применения сухих пиломатериалов и заполнителей, а также их тщательного антисептирования. Чердачные деревянные перекрытия над санитарными узлами должны иметь пароизоляционную прослойку, располагаемую у нижней поверхности перекрытия. Укладка в чердачных перекрытиях под утеплитель пароизоляции (толь, рубероид, пергамин и др.) не допускается. Концы деревянных балок и прогонов цокольных, междуэтажных и чердачных перекрытий и бесчердачных покрытий отапливаемых зданий, укладываемые в каменные стены, должны быть заделаны наглухо, при этом их следует скашивать и на протяжении 75 см от торца покрывать со всех сторон, включая торец, антисептической пастой. Конец балки на длину заделки плюс 5 см поверх паст (за исключением торца) покрывается смолой или битумом. Торец балки должен отстоять от задней стенки гнезда не менее чем на 3 см. Гнездо заделывают раствором. Под конец балки укладывают два слоя рубероида, толя или пергамина. В сухих помещениях при толщине стен не менее 64 см укладку концов балок и прогонов можно производить в открытые гнезда с соблюдением тех же мер защиты, но без покрытия смолой или битумом. Деревянные несущие конструкции (фермы, арки, составные балки и др.) должны быть открытыми для осмотра, хорошо проветриваемыми и должны быть расположены целиком в отапливаемом помещении или вне его. Опорные части несущих деревянных конструкций, примыкающие к каменной кладке или бетону, должны быть изолированы прокладками из толя, рубероида или пергамина и отстоять от задней стены не менее чем на 3 см. В пустотных бесчердачных деревянных покрытиях отапливаемых зданий с кровлей из паронепроницаемых материалов между утеплителем и опалубкой кровли устраивается воздушный прослоек толщиной не менее 3 см, который должен сообщаться с наружным воздухом через осушающие продухи. При асбестоцементных кровлях без прокладки рулонных материалов устройство осушающих продухов не обязательно. Устройство бесчердачных деревянных покрытий над помещениями с относительной влажностью воздуха свыше 70% не допускается. К мероприятиям по защите древесины при производстве строительно-монтажных работ следует отнести предохранение лесных материалов и готовых изделий и конструкций из древесины от увлажнения атмосферной влагой, почвенными водами и производственной влагой, предохранение их от поражения грибками и плесенью. Деревянные перекрытия, перегородки и другие детали следует монтировать после устройства крыши и заполнения оконных и других проемов и не выполнять мокрых процессов по штукатурке и бетонированию под незащищенными деревянными конструкциями. Настилка чистых деревянных полов должна производиться только после окончания штукатурных работ и других мокрых процессов.

Монтажные соединения металлических  конструкций

Примыкания элементов  конструкций на монтаже друг к  другу называют монтажными соединениями.

Монтажные соединения делятся на две  группы: монтажные стыки - соединения одного и того же конструктивного  элемента (стыки колонн, подкрановых  балок, листовых элементов); монтажные  узлы - соединения различных конструктивных элементов друг с другом (колонны  с фундаментом, подкрановой балки  с колонной, связей покрытия со стропильными фермами).

Монтажные соединения стальных конструкций  выполняются на сварке, болтах и  заклепках. Соединения листовых конструкций (кожухи доменных печей, воздухонагревателей, пылеуловителей, газоочистки, резервуары, газгольдеры, газопроводы и др.), к которым наряду с прочностью предъявляется требование плотности, выполняются только сварными. В конструкциях промышленных зданий широко распространены болтовые соединения. В монтажных соединениях подкрановых балок больших пролетов для мостовых кранов грузоподъемностью свыше 75 т с тяжелым и весьма тяжелым режимом работы применяются заклепки и высокопрочные болты.

а - при этажном опирании балок, б - в - на опорных уголках, г - с опиранием на планку; 1 - балки, 2 - болты, 3 - опорный уголок, 4 - сварной шов, соединяющий опорный уголок и балку, 5 - опорная планка, 6 - колонна.

На монтаже болтовые соединения производят болтами обычной прочности  и высокопрочными. Болты обычной  прочности бывают грубой, нормальной и повышенной точности. Болты нормальной и повышенной точности отличаются от болтов грубой точности более высоким качеством обработки поверхности, не влияющим на расчетные характеристики прочности соединения. Это обстоятельство необходимо учитывать, так как взаимозаменяемость болтов возможна.

В соединениях на болтах обычной  прочности усилия от одного элемента к другому передаются за счет работы кромок отверстий на смятие и стержня  болта на срез. Различают соединения на высокопрочных болтах двух видов: сдвигоустойчивые и с несущими болтами.

В подготовку стыкуемых поверхностей входит, как всегда, их очистка от грязи, ржавчины, снега, льда, масла  и пыли. Кроме того, необходимо спилить  напильником или срубить зубилом  заусенцы на кромках деталей и  отверстий, а также тщательно  выправить неровности, вмятины, погнутости деталей соединения, которые могли  возникнуть во время транспортировки  конструкций, при их погрузке или  разгрузке. Без выполнения этих работ  обеспечить плотное взаимное соприкосновение  всех деталей стыка невозможно.

На объекте проектное  расположение монтируемых элементов  достигают совмещением всех отверстий  с помощью проходных оправок, диаметр цилиндрической части которых  должен быть на 0,2 мм меньше диаметра отверстий. С помощью кувалды оправку  забивают в отверстия, при этом коническая часть упирается в кромки отверстий, которые по мере перемещения оправки  в глубь пакета совмещаются. Часть  отверстий (не менее 10%) должна быть заполнена  пробками, которые служат для фиксации взаимного расположения соединяемых  элементов и предупреждения их сдвига. Поэтому длина цилиндрической части  пробки должна быть больше суммарной  толщины всех деталей собираемого  элемента (толщины пакета), а длина  конической части обеспечивать только удобство установки пробки в отверстия. Когда пробки установлены, оправки  можно извлечь.

Стяжка пакета соединяемых  деталей производится сборочными болтами, которые устанавливают в каждое третье отверстие, но не дальше, чем  через 500 мм. Болты затягивают до отказа и после установки смежного болта  дополнительно подтягивают.

Требуемая плотность собираемого  пакета достигается только в том  случае, если при установке каждого  болта будет обеспечена возможность  последовательного устранения неплотности в стыке. Часто это может быть достигнуто установкой болтов от центра стыка к краям. В определенных конструктивных решениях стыков такой порядок невозможен, тогда применяют иную систему установки болтов - от края к середине узла.

Если очередность затяжки  болтов неправильная, устранить неплотности невозможно, так как свободному горизонтальному перемещению стыковых элементов будут препятствовать силы трения от натяжения ранее поставленных болтов.

Обычно при сборке соединения неизбежна различная степень  взаимного смещения отверстий, происходит это из-за неточности расположения отверстий. Такое смещение отверстий  называется чернотой. Отверстия, выполненные  на заводе-изготовителе на меньший  диаметр, на монтажной площадке доводят  до проектных размеров рассверливанием, одновременно ликвидируя тем самым  черноту.

После рассверливания и прочистки  отверстий, свободных от сборочных  болтов, последние развинчивают, последовательно  переставляют в подготовленные отверстия  проектного диаметра и рассверливают  освободившиеся отверстия. Тогда только приступают к постановке постоянных болтов.

Гайки постоянных и временных  болтов завертывают ручными коликовыми ключами, обычными или трещоточными. Ключи с трещотками, имеющие рабочий ход только в одном направлении, удобнее, так как их не нужно снимать и переставлять после каждого поворота.

Отличительная особенность  монтажных ключей в том, что они  имеют с одной стороны зев  для гайки определенного размера, а с другой коническую часть - колик, который служит оправкой при совмещении отверстий собираемых деталей или  конструкций.

В сдвигоустойчивых соединениях не происходит взаимного смещения соединяемых элементов, действующие усилия воспринимают только силы трения, а сами болты непосредственного участия в передаче усилий не принимают. В этом состоит их принципиальное отличие от соединений с болтами нормальной и повышенной точности.

В соединениях на несущих  высокопрочных болтах наряду с силами трения в передаче усилий участвуют  и сами болты, которые вступают в  работу аналогично другим болтовым соединениям  после того, как действующее усилие преодолеет силы трения, произойдет сдвижка  соединяемых деталей, и гладкая  часть стержня болта начнет контактировать с кромками отверстий соединенных  деталей. Ввиду большой механической прочности болта несущую способность  таких соединений лимитирует не срез стержня, а смятие отверстия. Из этого  очевидна зависимость: чем больше толщина  элементов пакета, тем большая  нагрузка может быть воспринята болтом. Наличие двух факторов - трения и  смятия кромки отверстия - повышает несущую  способность болта в 1,5-2 раза по сравнению  с болтом в сдвигоустойчивых соединениях и снижает соответственно число необходимых болтов и стоимость самого соединения.