Жесткость деревянно-каркасных зданий

Проектирование деревянных каркасных зданий требует от проектировщика учета механизмов и явлений, не учитываемых в традиционных каменных зданиях. Наиболее важным вопросом, на который проектировщик должен обратить внимание, является обеспечение достаточной жесткости здания. Недооценка или полное игнорирование этой проблемы может иметь очень серьезные последствия для службы и, в случае чрезвычайно высоких нагрузок, привести к катастрофе.

Деревянное строительство становится все более популярным в Польше. Это, безусловно, связано с преимуществами, связанными с выбором данной технологии, а также с разрушением традиционного подхода к строительству столбов. Создаются новые компании или даже заводы, производящие в основном сборные энергоэффективные дома. Несмотря на повышенный интерес и растущую долю рынка, деревянно-каркасное строительство является относительно новым методом возведения домов. Проектирование и строительство домов по этой технологии требует своего рода перезагрузки и изучения основных принципов с самого начала.

Многие вещи, которые были естественными и очевидными или упускались из виду при строительстве каменных зданий, приобретают совершенно иной смысл и масштаб в деревянных. Это, конечно, не означает, что деревянные здания неполноценны; напротив, они имеют много преимуществ, которых нет у зданий, построенных традиционными методами. Однако специфика проектирования деревянно-каркасных зданий требует от проектировщика иного подхода к строящемуся зданию. Это может быть непросто, особенно если вы годами проектировали здания из каменной кладки, а столкнулись с деревянно-каркасной конструкцией. К сожалению, много раз мне приходилось сталкиваться со скелетным проектом здания, в котором не были проанализированы очень важные явления.

Довольно распространенной ошибкой, которая, к сожалению, имеет очень серьезные последствия, является опускание расчетов жесткости стен и полное игнорирование этого явления. Я убежден, что это не связано со злой волей или небрежностью строителей, а имеет отношение к вышеупомянутым привычкам традиционного строительства. В домах с каменной кладкой проектировщик чаще всего пренебрегает расчетом жесткости стен, считая эту проблему малозначимой. Однако при каркасном строительстве жесткость всего здания должна быть детально проанализирована. Неспособность обеспечить достаточную жесткость может привести к проблемам при эксплуатации или, в крайних случаях, к катастрофе здания (фото 2).

Фото 2. Разрушение дома из-за потери жесткости.

Жесткость деревянно-каркасного здания

Проблема жесткости возникает из-за воздействия горизонтальных нагрузок на конструкции. В польской действительности это, в основном, ветровые нагрузки. Однако стоит помнить, что это могут быть и сейсмические нагрузки. Это может быть актуально, если вы ведете строительство в Средиземноморском регионе. Для того чтобы правильно закрепить деревянный дом, важно понять основной принцип, иллюстрирующий путь передачи горизонтальных нагрузок на фундамент (рис. 1). Стены здания, перпендикулярные направлению ветра (зеленые стрелки), называются нагруженными стенами. Стены, параллельные направлению ветра, называются жесткими стенами. Жесткость рассматривается в двух перпендикулярных направлениях. Во втором случае роли стен меняются местами, нагруженные стены становятся стенами жесткости и наоборот.

Конечно, в зависимости от формы здания, не следует забывать о нагрузках, передаваемых через массу крыши. Для того чтобы стены, испытывающие ветровую нагрузку, не обрушились в центр здания, они должны быть связаны с фундаментом внизу и адекватно поддерживаться массой крыши (или перекрытия в случае многоэтажных зданий) вверху. Для того чтобы ферма крыши (или диск перекрытия) поддерживала нагруженные стены, необходимо наличие трех условий. Во-первых, она должна быть достаточно жесткой, чтобы выдерживать горизонтальные нагрузки. Опять же, конечно, речь идет о двух направлениях нагрузки вдоль и поперек склона, поскольку жесткость объекта учитывается в обоих направлениях. Вторым необходимым условием является обеспечение поддержки массы крыши для передачи горизонтальных ветровых нагрузок на фундамент. Такова роль стен жесткости, расположенных параллельно направлению ветра. Для того чтобы эти стены могли выполнять функцию опоры, они должны обладать достаточной жесткостью. Последним условием является обеспечение передачи нагрузки между всеми элементами системы, т.е. нагруженные стены — ферма, ферма — стены жесткости и стены жесткости — фундамент. Это, конечно, сводится к проектированию соответствующих соединений с использованием плотницких швов.

Фотография. 3. Усиление закладными деталями на примере фахверка. (Фото: Wikipedia.org)

Жесткость каркасной стены

Мы уже знаем, что такое стены жесткости, откуда берутся их горизонтальные нагрузки и насколько важна их роль. Теперь мы можем рассмотреть, как обеспечить этим стенам достаточную жесткость. На практике для обеспечения жесткости используются два метода. Первый — использовать диагональные стойки между нижней и верхней частями стеновой панели. Можно с уверенностью провести аналогию со штырями, используемыми в прусской кладке (Фото 3). В этом случае стена каркаса ведет себя как прямоугольная ферма, а стойки выполняют роль поперечин сжатия или растяжения. Этот метод был адаптирован для каркасных конструкций. Доски для крепления были первоначально прибиты к внешней стороне стены. Позже, чтобы избежать проблем с обшивкой, в стойках были сделаны пазы на толщину доски крепления в месте пересечения стойки и скобы. Этот метод используется и сегодня. С развитием продуктов из древесины, а именно плитных материалов — фанеры или OSB — стал использоваться второй способ крепления. Этот метод основан на жесткости с помощью жесткого диска. Плита, например, OSB, обычно нагружается перпендикулярно своей плоскости.

Таким применением является обшивка потолка. Плита в таком случае имеет ограниченную несущую способность и поэтому должна достаточно плотно опираться на балки перекрытия. С другой стороны, если плита OSB нагружена силами, действующими в ее плоскости, т.е. в так называемой дисковой системе, она сможет выдерживать гораздо большие нагрузки. Такая схема как раз и заключается в обшивке каркасной стены плитами OSB и нагружении ее горизонтальными силами, действующими вдоль стены. Легко понять, насколько важна оболочка в виде диска для жесткости конструкции. Это знает каждый, кто хотя бы раз самостоятельно собирал купленный деревянный шкаф или буфет. Пока задняя панель не прибита, мебель не может сохранять желаемую геометрию. Только когда эта доска прибита, она становится очень жесткой. Аналогичную роль играет обшивка при строительстве каркасных стен. Это наиболее распространенный метод усиления жесткости, используемый в деревянных каркасных зданиях (фото 4).

Фот. 4. Деревянные дома, жестко скрепленные обшивкой из OSB.

Кроме того, именно этот метод жесткости представлен в действующем стандарте по проектированию деревянных конструкций EN 1995 1-1 (Еврокод 5). Этому вопросу посвящена целая глава "9.4.2 Стеновые диафрагмы". Используя этот стандарт, очень легко определить жесткость отдельных стен и проверить, способны ли они противостоять возникающим нагрузкам. Очень важно, и часто недооценивается, что метод проектирования, описанный в стандарте, требует вертикального расположения плит обшивки на стене. Обшивка стены панелями в горизонтальном направлении приводит к снижению жесткости.

Следует отметить, что обеспечение жесткости при правильной обшивке требует еще одного момента. Стена жесткости, чтобы эффективно выполнять свою функцию, должна быть правильно связана с фундаментом. Сам стандарт гласит, что эти силы должны передаваться на фундамент. Стенка жесткости должна быть защищена от смещения и поворота под действием горизонтальной силы (фото 5). Методы правильного соединения каркасных стен с фундаментом описаны в статье "Анкеровка каркасных стен" (FD&C 4-2016).

Фот. 5. Крепление стены жесткости к фундаменту

Фот. 6

Фот. 7

Что делать, если не хватает жесткости?

Вопрос очень закономерен. Если мы поймем, что общая жесткость здания практически определяется площадью стен, параллельных рассматриваемому направлению ветра. Легко представить себе ситуацию, когда этих стен просто не хватает. При современной архитектуре естественно, что клиент ожидает большую застекленную зону в задней части здания с выходом в сад. Стремясь к большим помещениям с открытой планировкой, мы удаляем внутренние стены, которые, если они отвечают нескольким условиям, могут также выполнять функцию укрепления. Все это означает, что несущие стены, а значит и жесткость, могут быть в дефиците. Что делать в такой ситуации? На этот вопрос мы ответим в следующей статье. В ней я также расскажу о различных способах повышения жесткости деревянных каркасных домов.