Каркас (конструкция)

В историю каркасного строительства входили как применение необработанных бревенчатых столбов с соединениями для создания прочной конструкции (традиционный тяжёлый деревянный каркас, рубленый дом), так и развитие баллонного каркаса в США с 1830-х годов. В баллонном каркасе используются многочисленные лёгкие вертикальные элементы — стойки, соединяемые гвоздями, а не плотницкими шиповыми соединениями. Стойки баллонного каркаса проходят через два этажа, от нижней до верхней обвязки. Позднее баллонная система была вытеснена платформенным каркасом, где каждый этаж собирается как отдельная «платформа». Применение фабричных сборных панелей и перекрытий в строительстве быстро увеличивается благодаря экономии времени и средств: элементы изготавливаются в цехах и доставляются на стройплощадку для сборки.

В Скандинавии до XX века каркас применяли редко — из-за обилия древесины, дешёвой рабочей силы и высокой теплоизоляции бревен. Сначала каркас использовали для неотапливаемых построек (хозпостройки, дачи), а применение в домах стало возможным только с развитием теплоизоляции стен^[3].

Каркас стен в жилищном строительстве включает вертикальные и горизонтальные элементы наружных/внутренних перегородок (несущих и ненесущих). Эти «тонкие элементы» — стойки, обвязки и перемычки (иногда именуемые англ. headers) — служат опорой для облицовки и поддерживают междуэтажные перекрытия, придавая стене поперечную жёсткость. Перекрытия представляют собой «коробчатые» конструкции потолка, крыши или балок следующего этажа^[4]. Технологию каркасных стен называют stick framing, stick and platform, stick and box — «палочки» (стойки) держат вертик, а коробчатые/платформенные участки перекрытий, на опорах и перемычках (headers), — весь вышележащий вес здания, включая следующий этаж и кровлю. Платформа обеспечивает поперечную устойчивость и поддерживает стены под ветровой нагрузкой. Любая нижележащая платформа должна нести вес вышележащих перекрытий и стен в пределах своих перемычек и балок.

В ряде стран пиленая древесина, используемая для каркаса, подлежит обязательной сертификации: на ней стоит класс прочности и отмечается влажность не выше 19%^[5].

Четыре основных исторических метода каркасного стоительства:

• Стойка и балка (англ. timber framing) — применяется в основном для амбаров.
• Каркасная система с укосинами (англ. braced frame), также full frame, half frame^[6], New England braced frame^[7], combination frame^[8] — ранняя разновидность лёгкого каркаса, просуществовавшая на северо-востоке США вплоть до 1940-х гг.^[9], характеризуется применением гиртов, уголковых столбов и укосин с соединением на шип и гвозди^[8].
• Баллонный каркас (англ. balloon framing) — перекрытия подвешены на стены, была популярна до конца 1940-х; позднее её заменила платформенная система^[10].
• Платформенный каркас (англ. platform framing) — стены собираются горизонтально на черновом полу, что упрощает выставление стоек и повышает точность. Верхняя и нижняя обвязки прибиваются к концам стоек двумя гвоздями длиной не менее 3 ¹⁄₄ ″ (83 мм) (гвозди 16d). В проёмах стойки удваивают (образуют колонны); короткую дополнительную стойку подрезают на высоту перемычки (header), которая кладётся и прибивается сквозь внешние стойки^[10].

Обшивку стен (англ. sheathing), обычно из фанеры или подобного материала, часто крепят к каркасу до подъёма секций — это устраняет необходимость сооружать леса и ускоряет сборку. Некоторые виды внешней обшивки (пропитанные битумом волокнистые плиты, фанера, OSB, waferboard) обеспечивают достаточную жёсткость для противодействия боковым нагрузкам и удержания стен в вертикали (в ряде стран нормы требуют фанерной жёсткой обшивки). Другие (жёсткая минеральная плита, пенополистирол, полиуретан) — нет: тогда необходимы отдельные диагональные укосины. В регионах с ураганами или повышенными ветровыми нагрузками (Торнадо-аллея, побережья), как правило, соединяют оба подхода — и укосины, и жёсткую обшивку — независимо от типа наружной облицовки.

Внешняя поверхность стены обычно закрывается облицовкой ради защиты от погодных воздействий и по эстетическим причинам.

В наружных углах и пересечениях стен обычно формируют сложный столб минимум из трёх стоек для надёжной связи смежных стен и обеспечения опоры для внутренней/внешней отделки. Впрочем, допускается и пара стоек^[11].

Для крепления потолочного покрытия по линии примыкания перегородки (идущей параллельно балкам) применяют dead wood или backing^[12].

Каркас наружных стен состоит из вертикальных и горизонтальных элементов; стойки, обвязки и перемычки служат основой для облицовки и поддерживают верхние перекрытия, потолок и кровлю^[13]. Вертикальные стойки устанавливаются на нижнюю обвязку или на цокольный брус фундамента и поддерживают верхнюю обвязку. Как правило, применяют стойку из древесины сечением 1 ¹⁄₂ ″ × 3 ¹⁄₂ ″ (38 мм × 89 мм) или 1 ¹⁄₂ ″ × 5 ¹⁄₂ ″ (38 мм × 140 мм), шаг — стандартно 16 ″ (410 мм); возможен шаг 12 или 24 ″ (300 или 610 мм) в зависимости от нагрузки и отделки. Более широкие стойки применяют для увеличения теплоизоляционного пространства. Дополнительная изоляция может быть организована использованием жёстких плит, горизонтальных реек или установкой теплоизоляции снаружи^[5].

Несущие внутренние перегородки (поддерживающие перекрытие, потолок или кровлю) также собирают по принципу внешних стен: стойки сечением 1 ¹⁄₂ ″ × 3 ¹⁄₂ ″ (38 мм × 89 мм) и шагом 16 ″ (410 мм); возможны варианты с увеличением/уменьшением шага (12 или 24 ″ (300 или 610 мм)), в зависимости от нагрузки и толщины отделки^[11].

Для ненесущих перегородок применяют стойки 1 ¹⁄₂ ″ × 2 ¹⁄₂ ″ (38 мм × 64 мм) или 1 ¹⁄₂ ″ × 3 ¹⁄₂ ″ (38 мм × 89 мм), шаг — 16 или 24 ″ (410 или 610 мм). Отдельные конструкции (например, гардеробные) за счёт повёрнутых стойки могут экономить пространство. В перегородках обычно допускается установка одинарных стоек у проёмов; надпроёмная перемычка обычно выполняется из такой же узкой доски.

Перемычки (англ. headers) размещают над окнами, дверными и иными проёмами для перераспределения нагрузки на прилежащие стойки. Обычное исполнение — две доcки по 2 дюйма толщиной, соединённые прокладками до ширины стойки и скреплённые гвоздями или болтами; иногда прокладки убирают ради заполнения пространства жёсткой теплоизоляцией^[13].

Готовые секции поднимают и фиксируют к балкам перекрытия временными укосинами, вертикаль контролируется широкой стороной укосины^[14]. После выставления строго по уровню секции объединяют по углам и в местах примыкания перегородок; между внутренними и наружными стенами часто прокладывают полосу полиэтилена — как элемент непрерывной воздушной защиты.

Далее набивается вторая (верхняя) обвязка, стыки которой смещают относительно стыков нижней минимум на шаг стойки; при примыкании на углах и перегородках это обеспечивает дополнительную прочность. При невозможности сплошного наложения применяют соединения на стальные оцинкованные пластины толщиной 0,036 ″ (0,91 мм), шириной не менее 3 ″ (76 мм), длиной 6 ″ (150 мм), фиксируемые тремя гвоздями 2 ¹⁄₂ ″ (64 мм) в каждую стену.

Каркасная система с укосинами (англ. braced frame construction), также full frame, half frame^[6], New England braced frame^[7], combination frame^[8], — это ранняя разновидность лёгкого каркаса, возникшая на базе тяжёлой деревянной конструкции. Отличается использованием гиртов, уголковых столбов и укосин с соединениями «шип-паз»; стойки прибиваются к гиртам и порогам^[8] Благодаря развитию лесопиления (в Нью-Хэмпшире — с 1635 г.),^[15]. уже в колониальной Новой Англии с 1637 г. применяли смешанные каркасные схемы с лёгкими стойками между тяжёлыми угловыми опорами. Norman Isham отмечал, что «иногда несущая система была обшита вертикальными досками сразу по балкам, обвязкам и гиртам, но чаще пустоты заполнялись более лёгкими стойками»^[16]. Широкое распространение производства дешёвых гвоздей в XIX веке ускорило переход к гвоздевым соединениям (машина Дж. Перкинса, Массачусетс, конец XVIII века — до 10 тысяч гвоздей в день)^[15].

Трёхэтажные здания в Новой Англии обычно возводили по такой системе, которую иногда называли «mortised frame» (срубная конструкция на шипах и пазах).

Метод сохранялся вплоть до 1940-х гг. на северо-востоке США^[9], уступив затем платформенному каркасу.

Баллонный каркас — способ строительства из дерева, распространённый прежде всего в зонах обильных мягких пород, таких как Скандинавия, Канада, США до 1950-х и район Тетфордского леса в Норфолке, Великобритания. Термин происходит от французского названия фр. maison en boulin («дом на буленах» — булен, опора для строительных лесов)^[17], а в XIX веке называлась ещё «чикагской конструкцией»^[18].

Каркас строится из длинных непрерывных стоек, идущих от нижней до верхней обвязки, с промежуточным врезанным и прибитым перекрытием^[19].^[20] Высоты подоконников, перемычек и следующего этажа отмечаются на стойках шаблоном-рейкой; метод выгоден при обилии длинномерной древесины, но позднее уступил платформенному каркасу.

Неизвестно точно, кто первым внедрил баллонный каркас в США. Первое здание такого типа — склад в Чикаго (1832), построенный Дж. В. Сноу или О. Д. Тэйлором^[21].^[15] Оба выходца из Новой Англии, где техника уже была известна^[16]. По мнению критика Sigfried Giedion, ссылающегося на архитектора John M. Van Osdel (1880-е) и History of Chicago (1885), изобретателем баллонного каркаса признан Сноу^[22].^[23] В 1833 году Тэйлор построил первую католическую церковь в Чикаго (St. Mary's) по этой схеме; здание неоднократно переносили и переделывали до пожара при Великий чикагский пожар^[24].

В 1830-х солон Робинсон из Индианы публиковал описания нового «революционного» способа, впоследствии получившего среди строителей название «баллонный каркас»: требовалась унифицированная доска 2 на 4 дюйма и гвозди. Первоначально строители неохотно принимали эту новацию, однако к 1880-м технология стала стандартом^[25].

По альтернативной версии, прототип баллонного каркаса французы применяли в Миссури за 31 год до этого^[17].

В США XIX века древесины было много, а квалифицированной рабочей силы мало. Появление дешёвых заводских гвоздей и механизированных пиломатериалов сделало баллонный каркас максимально востребованным: не требовалась профессиональная школа плотника^[26].

Баллонный каркас сыграл ключевую роль в быстром освоении американского Запада и Канады; благодаря снижению стоимости строительства он стал доступным самым бедным слоям населения. Однако из-за сокращения длиномерной древесины с 1920-х годов его вытеснила платформенная система^[27].

Существенный недостаток баллонного каркаса — опасность пожара, так как традиционно не устанавливалось никаких противопожарных отсечек в полостях: в случае возгорания огонь беспрепятственно поднимается вверх через стеновые и перекрытые полости (дымоходный эффект), переходя от подвала к чердаку за считанные минуты^[28].

Главное различие между платформенным и баллонным каркасом — в способе передачи нагрузки: в последнем стойки идут от фундамента до мауэрлата/конька второго этажа, а в первом каждый этаж собран отдельно^[29].

Материалами для лёгких каркасных систем служат, как правило, древесина или сталь (прямоугольные балки, трубчатые или П-образные профили). Деревянные элементы соединяются гвоздями и шурупами, стальные — винтами или резьбовыми соединениями. Предпочтение отдают мягким хвойным породам (ель, сосна, пихта). Типовые размеры от 38 by 89 мм (1,5 by 3,5 ″) («два на четыре») до 50 by 300 мм (2,0 by 11,8 ″) («два на двенадцать»), длина от 2,5 м (8 футов 2 ″) (стены) до 7 м (23 футов) и более (балки и стропила). В последние годы (с 2021 г.) архитекторы экспериментируют с префабрикованными алюминиевыми каркасами для ускорения сборки.

Каркасные стеновые панели прерываются оконными и дверными проёмами, которые перекрываются перемычками (headers), опирающимися на дополнительные стойки (trimmer/jack). Зоны под окном определяют подоконник и «укороченные» стойки (cripples), поддерживающие проём и участок стены над и под ним. Для жёсткости и сопротивления горизонтальным нагрузкам применяются как диагональные укосины (деревянные либо стальные), так и жёсткая обшивка^[10].

Секция стены обычно состоит из нижней обвязки, прибиваемой к полу, и одной-двух верхних обвязок, связывающих стены и поддерживающих вышележащие элементы. Конструкции перекрытий из дерева/стали включают крайние балки по периметру и промежуточные ригели для предотвращения боковых прогибов. При двухэтажном строительстве в междуэтажном перекрытии оставляют проём под лестничную клетку, к которому крепятся косоуры.

Внутренняя отделка лёгких каркасов — гипсокартон, обрешётка и штукатурка, либо декоративные деревянные панели. Наружная — фанера, композиты, кирпич, камень (облицовочная кладка), широкий спектр штукатурок. Полости между стойками (обычно через 40–60 см) заполняются изоляционными матами из стекловолокна либо целлюлозы (иногда из переработанной макулатуры с антипиренами и инсектицидами).

В эко-строительстве (натуральном строительстве) в качестве «заполнителя» для внешних и внутренних стен используют соломенные блоки, глиняную смесь и саман.

Диагональный связевой элемент называется Т-образной штангой («Т-бар»); он предотвращает смятие стен при сильном ветре.

В районах контакта с влажной средой (в том числе при контакте с бетоном) нижняя обвязка выполняется из антисептированной древесины.

Крыша обычно проектируется наклонной для стока осадков, с уклоном от 1:15 (низкие) до 2:1 и больше (крутые). Системы, где несущий скат крыши формируются стеной, получили название A-образных домов.

В Северной Америке кровли чаще покрывают битумной черепицей или её вариантами (стекловолокно, минеральная крошка), реже — листовой сталью (за долговечность), сланцем, керамической или другими материалами^[30]. Для гидроизоляции пологих кровель используют расплавленный гудрон, резину и синтетические материалы.

Каркасные технологии позволяют создавать кровли любой геометрии: вальмовые — со стоком по всем стенам и сходящимися в коньке стропилами; ендовые — в местах стыка скатов; сложные участки, где вертикальная стена прорезает главный скат; фронтоны — когда стропила обрываются, а стена образует треугольник. Фонарники и клерестории — участки, где по вертикальной стенке соединяются два ската. Плоские крыши имеют небольшой уклон для водоотвода и ограждаются парапетом с водостоками, часто через скупперы. Для отвода воды из «карманов» организуют диагональные отбои (cricket).

Каркасные здания в регионах с несильными морозами часто возводят на монолитных бетонных плитах, служащих и основанием, и полом. В других случаях используют цоколь или подвал, где деревянные или стальные балки перекрытия пролетают между фундаментными стенами из бетона или блоков.

Для формирования перекрытий, потолков и крыши всё чаще применяются инженерные конструкции: фанерные двутавры (иногда из клеёной тополевой фанеры), набранные из узких элементов, и раскосные стропильные фермы из стандартных досок для больших пролётов.

Платформенный каркас традиционно ограничивался четырьмя этажами, но в последнее время допустимы до шести — при усиленной противопожарной защите^[31].