Каркас в строительстве — это сборка частей для придания конструкции , в частности зданию , опоры и формы. [1] Материалами каркаса обычно являются древесина , композитная древесина или конструкционная сталь . Альтернативой каркасному строительству обычно является строительство массовых стен , где горизонтальные слои сложенных друг на друга материалов, таких как бревенчатая кладка , кладка , утрамбованная земля , саман и т. д., используются без каркаса. [ требуется ссылка ]
Каркас здания делится на две большие категории: [2] тяжелое каркасное строительство (тяжелое каркасное строительство), если вертикальных опор мало и они тяжелые, например, в деревянном каркасе , столбовом каркасном строительстве или стальном каркасе ; или легкокаркасное строительство (легкое каркасное строительство), если опор больше и они меньше, например, баллон , платформа , легкий стальной каркас и готовый каркас. Легкокаркасное строительство с использованием стандартизированной размерной древесины стало доминирующим методом строительства в Северной Америке и Австралии из-за экономичности метода; использование минимального количества конструкционного материала позволяет строителям ограждать большую площадь с минимальными затратами, достигая при этом большого разнообразия архитектурных стилей.
Современные легкие каркасные конструкции обычно получают прочность от жестких панелей ( фанера и другие фанероподобные композиты, такие как ориентированно-стружечная плита (OSB), используемые для формирования всех или части стеновых секций), но до недавнего времени плотники использовали различные формы диагональных связей для стабилизации стен. Диагональные связи остаются важной внутренней частью многих систем крыш, а ветровые связи в стенах требуются строительными нормами во многих муниципалитетах или законами отдельных штатов в Соединенных Штатах. Специальные каркасные стены сдвига становятся все более распространенными, чтобы помочь зданиям соответствовать требованиям сейсмостойкой и ветровой инженерии .
Исторически люди устанавливали вместе деревянные столбы естественной формы в качестве каркаса, а затем начали использовать соединения для соединения бревен, метод, который сегодня называется традиционным деревянным каркасом или бревенчатым каркасом. В Соединенных Штатах деревянный каркас был заменен каркасом из баллонов, начиная с 1830-х годов. Каркас из баллонов использует много легких элементов стены, называемых стойками , а не меньшее количество более тяжелых опор, называемых столбами; компоненты каркаса из баллонов сбиваются вместе, а не устанавливаются с помощью столярных изделий . Стойки в каркасе из баллонов простираются на два этажа от подоконника до пластины. Каркас из платформ заменил каркас из баллонов и является стандартным методом деревянного каркаса сегодня. Название происходит от того, что каждый уровень этажа каркасуется как отдельный блок или платформа. Использование стен и полов заводского изготовления показало рост популярности из-за экономии времени и эффективности затрат. ( Предварительное изготовление ) Стены обычно изготавливаются на заводах, а затем отправляются на различные рабочие площадки. Этот процесс возведения каркаса повысил скорость возведения каркаса на месте, ускорив возведение каркаса зданий.
Каркасное строительство редко использовалось в Скандинавии до 20-го века из-за обильного наличия древесины, обилия дешевой рабочей силы и превосходства теплоизоляции бревен. Поэтому каркасное строительство сначала использовалось для неотапливаемых зданий, таких как фермерские постройки, хозяйственные постройки и летние виллы, но для домов только с развитием утепления стен. [3]
Каркас стен в строительстве дома включает вертикальные и горизонтальные элементы наружных стен и внутренних перегородок, как несущих, так и ненесущих стен. Эти элементы из бруса , называемые стойками , стеновыми пластинами и перемычками (иногда называемыми перемычками ), служат в качестве основы для крепления всех материалов покрытия и поддерживают платформы верхнего этажа, которые обеспечивают боковую прочность вдоль стены. Платформы могут быть коробчатой конструкцией потолка и крыши или балками потолка и пола этажа выше. [4] В строительной отрасли эта техника по-разному называется каркасом из бруса , палкой и платформой или палкой и коробкой , поскольку палки (стойки) придают конструкции вертикальную поддержку, а коробчатые секции пола с балками, заключенными в длинном столбе и перемычках (чаще называемых перемычками ), поддерживают вес всего, что находится выше, включая следующую стену и крышу над верхним этажом. Платформа также обеспечивает боковую поддержку от ветра и удерживает стены из бруса точно и прямоугольно. Любая нижняя платформа выдерживает вес платформ и стен выше уровня ее составных перемычек и балок.
В некоторых странах пиломатериалы для каркасов подчиняются регулируемым стандартам , которые требуют наличия клейма сорта и содержания влаги не более 19% [5] .
Существует четыре исторически распространенных метода возведения каркасного дома.
Обшивка стен, обычно фанера или другой ламинат, обычно наносится на каркас до возведения, что устраняет необходимость в строительных лесах , и снова увеличивает скорость и сокращает потребности в рабочей силе и расходы. Некоторые типы внешней обшивки, такие как пропитанная асфальтом древесноволокнистая плита , фанера , ориентированно-стружечная плита и вафельная плита , обеспечат достаточную жесткость для сопротивления боковым нагрузкам и сохранения прямоугольности стены (строительные нормы в большинстве юрисдикций требуют жесткой фанерной обшивки). Другие, такие как жесткая стекловолокнистая, асфальтированная древесноволокнистая плита, полистирол или полиуретановая плита, этого не сделают. [4] В этом последнем случае стена должна быть усилена диагональными деревянными или металлическими распорками, вставленными в стойки. [11] В юрисдикциях, подверженных сильным штормовым ветрам (страны ураганов, аллеи торнадо ), местные кодексы или законы штата обычно требуют как диагональных ветровых распорок , так и жесткой внешней обшивки независимо от типа и вида внешних погодоустойчивых покрытий.
Многостоечный столб, состоящий как минимум из 3-х трех стоек, обычно используется на внешних углах и пересечениях для обеспечения хорошей связи между соседними стенами. Он обеспечивает опору для гвоздей для внутренней отделки и внешней обшивки. Углы и пересечения, однако, должны быть оформлены как минимум двумя стойками. [12]
Прибивание опоры для краев потолка требуется на стыке стены и потолка, где перегородки идут параллельно потолочным балкам. Этот материал обычно называют мертвой древесиной или подложкой. [13]
Каркас стены в строительстве дома включает вертикальные и горизонтальные элементы наружных стен и внутренних перегородок. Эти элементы, называемые стойками, стеновыми пластинами и перемычками, служат в качестве основы для крепления всех облицовочных материалов и поддерживают верхние этажи, потолок и крышу. [4]
Стойки наружных стен — это вертикальные элементы, к которым крепятся обшивка и облицовка стен. [14] Они опираются на нижнюю пластину или фундаментный брус и, в свою очередь, поддерживают верхнюю пластину. Стойки обычно состоят из 1+1 ⁄ 2 -на- 3+1 ⁄ 2 дюйма (38 мм × 89 мм) или 1+1 ⁄ 2 -на- 5+1 ⁄ 2 дюйма (38 мм × 140 мм) пиломатериалов и обычно располагаются на расстоянии 16 дюймов (410 мм) по центру. Это расстояние может быть изменено на 12 или 24 дюйма (300 или 610 мм) по центру в зависимости от нагрузки и ограничений, налагаемых типом и толщиной используемого настенного покрытия. Шире 1+1 ⁄ 2 -на- 5+Для обеспечения пространства для дополнительной изоляции можно использовать 1 ⁄ 2 -дюймовые шпильки . Изоляция сверх того, что может быть размещено в пределах 3+Расстояние между стойками размером 1 ⁄ 2 дюйма может быть также обеспечено другими способами, такими как жесткая или полужесткая изоляция или прокладки между 1+1 ⁄ 2 -на- 1+1 ⁄ 2 -дюймовые горизонтальные планки обрешетки или жесткая или полужесткая изоляционная обшивка снаружи стоек. Стойки крепятся к горизонтальным верхним и нижним стеновым пластинам 1+1 ⁄ 2 -дюймовые пиломатериалы той же ширины, что и стойки. [5]
Внутренние перегородки, поддерживающие пол , потолок или крышу, называются несущими стенами; другие называются ненесущими или просто перегородками. Внутренние несущие стены каркасные так же, как и внешние стены. Стойки обычно 1+1 ⁄ 2 дюйма × 3+Пиломатериалы 1 ⁄ 2 дюйма (38 мм × 89 мм) с интервалом 16 дюймов (410 мм) по центру. Это расстояние может быть изменено до 12 или 24 дюймов (300 или 610 мм) в зависимости от поддерживаемых нагрузок, а также типа и толщины используемой отделки стены. [12]
Разделы могут быть построены с 1+1 ⁄ 2 дюйма × 2+1 ⁄ 2 дюйма (38 мм × 64 мм) или 1+1 ⁄ 2 дюйма × 3+1 ⁄ 2 дюйма (38 мм × 89 мм) шпильки, расположенные на расстоянии 16 или 24 дюйма (410 или 610 мм) по центру в зависимости от типа и толщины отделки стены. Если в перегородке нет распашной двери, 1+1 ⁄ 2 дюйма × 3+Иногда используются стойки 1 ⁄ 2 дюйма (38 мм × 89 мм) с 16 дюймами (410 мм) по центру, при этом широкая сторона стойки параллельна стене. Обычно это делается только для перегородок, ограждающих платяные шкафы или буфеты, чтобы сэкономить место. Поскольку перегородки не несут вертикальной нагрузки, в дверных проемах можно использовать отдельные стойки. Верх проема можно перекрыть одним куском 1+1 ⁄ 2 дюйма (38 мм) пиломатериала той же ширины, что и стойки. Эти элементы обеспечивают опору для крепления гвоздями для отделки стен, дверных коробок и отделки . [12]
Перемычки (или перемычки) — это горизонтальные элементы, размещаемые над оконными, дверными и другими проемами для переноса нагрузок на соседние стойки. [4] Перемычки обычно изготавливаются из двух кусков пиломатериала 2 дюйма (номинал) (38 мм), разделенных распорками по ширине стоек и скрепленных вместе, чтобы сформировать единое целое. Перемычки преимущественно скрепляются вместе гвоздями без распорок, чтобы сформировать сплошную балку и позволить заполнить оставшуюся полость изоляцией изнутри. Предпочтительным материалом для распорок является жесткая изоляция. [14] Глубина перемычки определяется шириной проема и поддерживаемыми вертикальными нагрузками.
Затем поднимаются и устанавливаются полные секции стены, добавляются временные распорки, а нижние пластины прибиваются гвоздями через подпол к элементам каркаса пола. Распорки должны иметь больший размер по вертикали и должны позволять регулировать вертикальное положение стены. [11]
После того, как собранные секции установлены, их скрепляют гвоздями по углам и пересечениям. Полоса полиэтилена часто размещается между внутренними стенами и внешней стеной, а также над первой верхней пластиной внутренних стен перед нанесением второй верхней пластины для достижения непрерывности воздушного барьера , когда полиэтилен выполняет эту функцию. [11]
Затем добавляется вторая верхняя пластина, стыки которой смещены по крайней мере на один шаг стойки от стыков в пластине ниже. Эта вторая верхняя пластина обычно накладывается на первую пластину в углах и пересечениях перегородок и, будучи прибитой на место, обеспечивает дополнительную связь с каркасными стенами. Там, где вторая верхняя пластина не накладывается на пластину непосредственно под ней в углах и пересечениях перегородок, они могут быть связаны с 0,036-дюймовыми (0,91 мм) оцинкованными стальными пластинами шириной не менее 3 дюймов (76 мм) и длиной 6 дюймов (150 мм), прибитыми по крайней мере тремя 2+Гвозди размером 1 ⁄ 2 дюйма (64 мм) к каждой стене. [11]
Конструкция каркаса с распорками , также известная как полный каркас, полукаркас, [6] каркас Новой Англии с распорками, [7] комбинированный каркас, [8] является ранней формой легкого каркаса, развившейся из более тяжелого деревянного каркаса, который ему предшествовал. Он определяется постоянным использованием прогонов, угловых столбов и распорок. Детали врезаны, закреплены шипами и закреплены штифтами, прибитыми к прогонам и подоконникам. [8] Из-за раннего появления лесопилок (еще в 1635 году в Нью-Гемпшире), [15] еще в 1637 году в деревянных каркасах в северо-восточных английских колониях в Северной Америке использовались легкие стойки между более тяжелыми углами. Норман Ишем писал: «Иногда каркас покрывали вертикальными досками, приложенными к подоконникам, пластинам и прогонам без какого-либо промежуточного каркаса, но в большем количестве домов пространство между более тяжелыми брусьями заполнялось более легкими вертикальными палками, называемыми стойками». [16] Рост гвоздильной промышленности в начале 19 века еще больше ускорил сборку каркаса, и некоторые из первых машин были разработаны в конце 1700-х годов в Массачусетсе. Джейкоб Перкинс из Ньюберипорта, Массачусетс , изобрел машину, которая могла производить 10 000 гвоздей в день. [15]
Трехэтажные здания в Новой Англии обычно строились с использованием этой формы, которая в разрешениях на строительство того периода обозначена как «врезной каркас».
Его использование продолжалось до 1940-х годов на северо-востоке США [9] , когда его постепенно заменила платформенная рама.
Воздушный каркас — метод деревянного строительства, использовавшийся в основном в районах, богатых хвойными лесами, таких как Скандинавия , Канада , США вплоть до середины 1950-х годов, а также вокруг леса Тетфорд в Норфолке, Англия . Название происходит от французского типа строительства в Миссури, maison en boulin , [17] boulin — французский термин для горизонтальной опоры лесов. В 19 веке он также был известен как «чикагское строительство». [18]
Воздушный каркас использует длинные непрерывные элементы каркаса ( стеновые стойки ), которые идут от подоконной плиты до верхней плиты, с промежуточными конструкциями пола, вставленными и прибитыми к ним. [19] [20] Здесь высота подоконников, перемычек и высота следующего этажа будут отмечены на стойках с помощью столба истории . Когда-то популярный, когда было много длинной древесины, воздушный каркас был в значительной степени заменен каркасом платформы .
Неизвестно, кто именно ввел каркас из воздушных шаров в Соединенных Штатах. Однако первым зданием, в котором использовался каркас из воздушных шаров, возможно, был склад, построенный в 1832 году в Чикаго , штат Иллинойс, Джорджем Вашингтоном Сноу или Августином Деодатом Тейлором. [21] [15] Оба они прибыли в Чикаго из Новой Англии, где использование легких каркасных деревянных конструкций уже было обычным явлением. [16] Архитектурный критик Зигфрид Гидион сослался на чикагского архитектора Джона М. Ван Осделя 1880-х годов, а также на « Историю Чикаго» А. Т. Андреаса 1885 года, чтобы назвать Сноу «изобретателем метода каркаса из воздушных шаров». [22] [23] В 1833 году Тейлор построил первую католическую церковь в Чикаго, Св. Марии, используя метод каркаса из воздушных шаров; это здание было перемещено и восстановлено несколько раз, прежде чем сгорело во время Великого чикагского пожара . [24]
В 1830-х годах Hoosier Solon Robinson опубликовал статьи о революционной новой системе каркаса, названной более поздними строителями «баллонным каркасом». Система Робинсона требовала стандартного бруса 2×4, сбитого вместе для формирования прочного, легкого каркаса. Строители неохотно принимали новую технологию; однако к 1880-м годам некоторая форма каркаса 2×4 стала стандартной. [25]
В качестве альтернативы, предшественник каркаса воздушного шара мог использоваться французами в Миссури еще 31 годом ранее. [17]
Хотя пиломатериалов в Америке 19-го века было много, квалифицированной рабочей силы не было. Появление дешевых гвоздей, изготовленных на станках, а также водяных лесопилок в начале 19-го века сделало каркас из воздушных шаров весьма привлекательным, поскольку для него не требовались высококвалифицированные плотники, как для соединений «ласточкин хвост» , пазов и шипов, необходимых для строительства по принципу столбов и балок . Впервые любой фермер мог строить свои собственные здания без длительного обучения. [26]
Говорят, что каркасы из воздушных шаров заселили запад США и западные провинции Канады. Без них западные города, несомненно, не смогли бы расцвести в одночасье. [27] Также вероятно, что, радикально сократив затраты на строительство, каркасы из воздушных шаров улучшили возможности укрытия для бедных североамериканцев. [ необходима цитата ] Однако каркасы из воздушных шаров требовали очень длинных стоек, и поскольку в 1920-х годах высокие деревья были истощены, каркасы из платформ стали преобладать. [28]
Воздушные шары создают проблемы при тушении пожаров, поскольку во многих старых зданиях с воздушными шарами отсутствуют противопожарные преграды или противопожарные блоки в открытых полостях каркаса, и пожар может распространиться вертикально за короткое время. Поскольку полости каркаса пола и стен взаимосвязаны, огонь может быстро распространиться по всей конструкции. Многие здания с воздушными шарами были построены еще до введения строительных норм , которые предписывают противопожарные блоки, и пожар может распространиться из подвала на чердак за считанные минуты. [29]
Основное различие между каркасом платформы и баллона заключается в линиях пола. Баллонные стеновые стойки простираются от подоконника первого этажа до верхней пластины или торцевого стропила второго этажа. С другой стороны, каркасная стена платформы независима для каждого этажа. [30]
Материалы для легких каркасов чаще всего представляют собой дерево или прямоугольную сталь, трубы или С-образные каналы. Деревянные детали обычно соединяются гвоздевыми крепежами, гвоздями или винтами; стальные детали соединяются винтами с плоской головкой или гайками и болтами. Предпочтительными видами для линейных структурных элементов являются мягкие породы дерева, такие как ель, сосна и пихта. Размеры легких каркасных материалов варьируются от 38 на 89 мм (1,5 на 3,5 дюйма); т. е. размерное число два на четыре до 5 см на 30 см (два на двенадцать дюймов) в поперечном сечении, а длина варьируется от 2,5 метров (8,2 фута) для стен до 7 метров (23 фута) или более для балок и стропил. Недавно [ когда? ] архитекторы начали экспериментировать с предварительно вырезанными модульными алюминиевыми каркасами, чтобы сократить расходы на строительство на месте.
Стеновые панели, построенные из стоек, прерываются секциями, которые обеспечивают грубые проемы для дверей и окон . Проемы обычно перекрываются перемычкой или перемычкой, которая несет вес конструкции над проемом. Перемычки обычно строятся так, чтобы опираться на триммеры , также называемые домкратами. Зоны вокруг окон определяются подоконником под окном и костылями, которые представляют собой более короткие стойки, которые охватывают область от нижней пластины до подоконника и иногда от верха окна до перемычки или от перемычки до верхней пластины. Диагональные связи из дерева или стали обеспечивают сдвиг (горизонтальную прочность), как и панели листов, прибитых гвоздями к стойкам, подоконникам и перемычкам. [ необходима цитата ]
Стеновые секции обычно включают нижнюю пластину, которая крепится к конструкции пола, и одну или чаще две верхние пластины, которые связывают стены вместе и обеспечивают опору для конструкций над стеной. Деревянные или стальные каркасы пола обычно включают ободную балку по периметру системы балок пола и часто включают мостовой материал около центра пролета для предотвращения бокового выпучивания элементов перекрытия. В двухэтажном строительстве в системе пола оставляются отверстия для лестничного колодца, в котором подступенки и ступени чаще всего крепятся к квадратным граням, вырезанным в наклонных лестничных тетивах. [ необходима цитата ]
Внутренние покрытия стен в легких каркасных конструкциях обычно включают в себя стеновые панели , дранку и штукатурку или декоративные деревянные панели . [ необходима ссылка ]
Внешняя отделка стен и потолков часто включает фанерную или композитную обшивку, кирпичную или каменную облицовку и различные виды штукатурки . Полости между стойками, обычно расположенные на расстоянии 40–60 см (16–24 дюйма) друг от друга, обычно заполняются изоляционными материалами, такими как стекловолоконный ватин или целлюлозный наполнитель, иногда из переработанной газетной бумаги, обработанной добавками бора для предотвращения пожара и борьбы с вредителями . [ необходима цитата ]
В натуральном строительстве соломенные тюки , саман и саман могут использоваться как для наружных, так и для внутренних стен.
Часть конструкции здания, которая проходит по диагонали через стену, называется Т-образной балкой. Она не дает стенам обрушиться при порывистом ветре. [ необходима цитата ]
Древесина, обработанная под давлением (зеленая древесина), — это тип древесины, который используется в случаях, когда нижняя плита подвергается воздействию внешней влаги, даже при контакте с бетоном.
_00139_(23702821578).jpg/1280px-Photography_by_Victor_Albert_Grigas_(1919-2017)_00139_(23702821578).jpg)
Крыши обычно строятся так, чтобы обеспечить наклонную поверхность, предназначенную для слива дождя или снега, с уклонами от 1:15 (менее дюйма на линейный фут горизонтального пролета) до крутых уклонов более 2:1. Легкая каркасная конструкция, построенная в основном внутри наклонных стен, которые также служат крышей, называется А-образной .
В Северной Америке крыши часто покрываются черепицей из асфальта, стекловолокна и мелкого гравийного покрытия, но используется широкий спектр материалов. [31] Расплавленная смола часто используется для гидроизоляции более плоских крыш, но более новые материалы включают резину и синтетические материалы. Стальные панели являются популярными кровельными покрытиями в некоторых регионах, предпочтительными из-за их долговечности. Сланцевые или черепичные крыши предлагают более исторические покрытия для крыш с легким каркасом.
Методы облегченного каркаса позволяют легко возводить уникальные конструкции крыш; например, вальмовые крыши имеют уклон к стенам со всех сторон и соединяются вальмовыми стропилами, которые простираются от углов до конька. Ендовы образуются, когда две наклонные секции крыши стекают друг к другу. Слуховые окна представляют собой небольшие области, в которых вертикальные стены прерывают линию крыши и которые увенчаны скатами, обычно под прямым углом к основной секции крыши. Фронтоны образуются, когда продольная секция наклонной крыши заканчивается, образуя треугольную секцию стены. Фонари образуются путем прерывания вдоль ската крыши, где короткая вертикальная стена соединяет ее с другой секцией крыши. Плоские крыши, которые обычно включают по крайней мере номинальный уклон для слива воды, часто окружены стенами парапета с отверстиями (называемыми шпигатами ), чтобы вода могла стекать. Наклонные сверчки встраиваются в крыши, чтобы направлять воду от областей с плохим дренажем, например, за дымоходом в нижней части наклонной секции.
Легкие каркасные здания в районах с небольшой или отсутствующей глубиной промерзания часто возводятся на фундаментах из монолитных бетонных плит, которые служат как полом, так и опорой для конструкции. Другие легкие каркасные здания строятся над подпольем или подвалом , с деревянными или стальными балками, используемыми для перекрытия между стенами фундамента, обычно изготовленными из литого бетона или бетонных блоков .
Инженерные компоненты обычно используются для формирования конструкций пола, потолка и крыши вместо цельной древесины. Двутавровые балки (фермы с закрытыми стенками) часто изготавливаются из ламинированной древесины, чаще всего из щепы из тополя , в панелях толщиной до 1 см (0,39 дюйма), склеенных между горизонтально ламинированными элементами размером менее 4 см на 4 см ( два на два ), чтобы перекрывать расстояния до 9 м (30 футов). Открытые стропильные балки и стропила часто изготавливаются из деревянных элементов размером 4 см на 9 см ( два на четыре ) для обеспечения поддержки для полов, кровельных систем и потолочной отделки.
Традиционно каркас платформы ограничивался четырьмя этажами, но некоторые юрисдикции изменили свои строительные нормы, чтобы разрешить строительство до шести этажей с дополнительной противопожарной защитой. [32]
