Каркас в строительстве — это соединение частей для придания конструкции поддержки и формы. Материалами каркаса обычно являются дерево, конструкционная древесина или конструкционная сталь. Альтернативу каркасной конструкции обычно называют конструкцией массовой стены, при которой горизонтальные слои сложенных материалов, таких как бревенчатый дом, каменная кладка, утрамбованная земля, саман и т. д., используются без каркаса.
Каркас здания делится на две широкие категории: конструкция с тяжелым каркасом (тяжелый каркас), если вертикальных опор мало и они тяжелые, например, в деревянном каркасе, каркасе здания на столбах или стальном каркасе; или конструкция с легким каркасом (легкий каркас), если опор больше и меньше, например, воздушный шар, платформа, каркас из легкой стали или даже заранее построенный каркас. Строительство легкого каркаса с использованием пиломатериалов стандартизированных размеров стало доминирующим методом строительства в Северной Америке и Австралии из-за его экономичности; Использование минимального количества конструкционных материалов позволяет строителям ограждать большую площадь с минимальными затратами, достигая при этом широкого разнообразия архитектурных стилей.
Современные конструкции с легким каркасом обычно приобретают прочность за счет жестких панелей (фанеры и других фанероподобных композитов, таких как ориентированно-стружечная плита (OSB), используемых для формирования всех или части секций стен), но до недавнего времени плотники использовали различные формы диагональных распорок для стабилизации. стены. Диагональные распорки остаются жизненно важной внутренней частью многих кровельных систем, а внутристенные ветровые распорки требуются строительными нормами во многих муниципалитетах или законами отдельных штатов США. Стены на сдвиг со специальным каркасом становятся все более распространенными, помогая зданиям соответствовать требованиям сейсмостойкости и ветротехники.
История
Исторически сложилось так, что люди соединяли 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 деревянные каркасы были заменены каркасами из воздушных шаров, начиная с 1830-х годов. В каркасе воздушного шара используется множество легких элементов стены, называемых стойками, а не меньшее количество более тяжелых опор, называемых стойками; Компоненты каркаса воздушного шара скрепляются гвоздями, а не крепятся с помощью столярных изделий. Шпильки в воздушном каркасе простираются на два этажа от подоконника до плиты. Каркас платформы заменил каркас из воздушных шаров и сегодня является стандартным методом деревянного каркаса. Название происходит от того, что каждый уровень этажа оформлен как отдельный блок или платформа. Использование стен и полов заводского изготовления становится все более популярным благодаря экономии времени и экономической эффективности. (Предварительное изготовление) Стены обычно изготавливаются на предприятиях, а затем отправляются на различные рабочие места. Этот процесс создания каркаса позволил повысить скорость создания каркаса на месте, ускоряя перемещение каркаса зданий.
Каркасное строительство редко использовалось в Скандинавии до 20 века из-за обилия древесины, обилия дешевой рабочей силы и превосходства теплоизоляции бревен; поэтому деревянные каркасы не получили распространения в первую очередь для неотапливаемых зданий, таких как хозяйственные постройки, хозяйственные постройки и дачи, а также для домов до тех пор, пока не была разработана изоляция стен.
Стены
Каркас стен в домостроении включает вертикальные и горизонтальные элементы наружных стен и внутренних перегородок, как несущих, так и ненесущих стен. Эти элементы крепления, называемые стойками, настенными пластинами и перемычками (иногда называемые перемычками), служат основой для крепления всех облицовочных материалов и поддерживают платформы верхних этажей, которые обеспечить боковую прочность вдоль стены. Платформы могут представлять собой коробчатую конструкцию потолка и крыши или балки потолка и пола, как в истории выше. В строительной отрасли эту технику называют по-разному: каркас из палочек, палка и платформа или палка и коробка, поскольку палки (шпильки) ) придают конструкции вертикальную опору, а коробчатые секции пола с балками, заключенными в длинные стойки и перемычки (чаще называемые перемычками), выдерживают вес всего, что находится выше, включая следующее стена и крыша над верхним этажом. Платформа также обеспечивает боковую поддержку от ветра и удерживает стенки палок ровными и прямыми. Любая нижняя платформа выдерживает вес платформ и стен выше уровня ее перекрытий и балок.
В некоторых странах на каркасные пиломатериалы распространяются регулируемые стандарты, требующие маркировки и содержания влаги не более 19%.
Существует четыре исторически распространенных способа обустройства дома.
Обшивка стен, обычно это фанера или другой ламинат, обычно наносится на каркас перед возведением, что устраняет необходимость в строительных лесах и снова увеличивает скорость и сокращает потребности и затраты на рабочую силу. Некоторые типы внешней обшивки, такие как пропитанная асфальтом древесноволокнистая плита, фанера, ориентированно-стружечная плита и вафельная плита, обеспечат достаточную фиксацию, чтобы противостоять боковым нагрузкам и сохранять квадратную форму стены (строительные нормы в большинстве юрисдикций требуют жесткой фанерной обшивки). Другие, такие как жесткое стекловолокно, древесноволокнистая плита с асфальтовым покрытием, полистирол или полиуретановая плита, не подойдут. В последнем случае стену следует укрепить диагональными деревянными или металлическими распорками, вставленными в стойки. В юрисдикциях, подверженных сильным ураганам (страны с ураганами, переулки торнадо), местные нормы или законы штата обычно требуют как диагональных ветровых распорок, так и жесткой внешней обшивки, независимо от типа и типа внешнего покрытия, устойчивого к атмосферным воздействиям.
Углы
Стойка с несколькими стойками, состоящая как минимум из трех трех стоек, обычно используется во внешних углах и пересечениях, чтобы обеспечить хорошее соединение между соседними стенами. Он обеспечивает поддержку гвоздей для внутренней отделки и внешней обшивки. Однако углы и пересечения должны быть обрамлены как минимум двумя стойками.
Крепление гвоздями по краям потолка необходимо в месте стыка стены и потолка, где перегородки проходят параллельно потолочным балкам. Этот материал обычно называют мертвой древесиной или основой.
Стойки для наружных стен
Каркас стен в домостроении включает в себя вертикальные и горизонтальные элементы наружных стен и внутренних перегородок. Эти элементы, называемые шпильками, стеновыми пластинами и перемычками, служат основой для крепления всех облицовочных материалов и поддерживают верхние этажи, потолок и крышу.
Стойки наружных стен — это вертикальные элементы, к которым крепится обшивка и облицовка стен. Они опираются на нижнюю пластину или фундаментный брус и, в свою очередь, поддерживают верхнюю пластину. Шпильки обычно состоят из 1+1⁄2-на-3+1⁄2-дюймов (38 мм × 89 мм) или 1+1⁄2-на-5+1⁄2-дюймов (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. Для обеспечения пространства для дополнительной изоляции можно использовать более широкие стойки размером 1+1⁄2на5+1⁄2-дюймов. Изоляция, выходящая за рамки того, что может быть размещено в 3+1⁄2-дюймовом пространстве для стоек, может быть также обеспечена другими способами, такими как жесткая или полужесткая изоляция или ваты 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 из 1+1⁄2-дюймовых пиломатериалов, имеющих ту же ширину, что и стойки.
Межкомнатные перегородки
Внутренние перегородки, поддерживающие нагрузку пола, потолка или крыши, называются несущими стенами; другие называются ненесущими или просто перегородками. Внутренние несущие стены каркасные, как и внешние стены. Стойки обычно представляют собой бруски 1+1⁄2 дюйма × 3+1⁄2 дюйма (38 мм × 89 мм), расположенные на расстоянии 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.
Разделы можно создавать с помощью 1 +1⁄2 в × 2+1⁄2 дюйма (38 мм × 64 мм ) или 1+1/2 в × 3+1⁄2 дюйма (38 мм × 89 мм) между стойками на расстоянии 16 или 24 дюймов (410 или 610 мм) по центру в зависимости от типа и толщины используемой отделки стены. Если в разделе нет распашной двери, 1+1⁄2 в × 3+1/2 в ( Иногда используются стойки размером 38 мм × 89 мм с расстоянием 16 дюймов (410 мм) по центру, при этом широкая поверхность стойки параллельна стене. Обычно это делают только для перегородок, огораживающих гардеробы или буфеты, для экономии места. Поскольку перегородки не несут вертикальной нагрузки, в дверных проемах можно использовать одиночные стойки. Верхняя часть проема может быть перекрыта одним куском 1+1⁄2 в пиломатериалах (38 мм) той же ширины, что и шпильки. Эти элементы обеспечивают гвоздевую опору для отделки стен, дверных рам и отделки.
Перемычки (заголовки)
Перемычки (или перемычки) — это горизонтальные элементы, размещаемые над окнами, дверями и другими проемами для передачи нагрузок на прилегающие стойки. Перемычки обычно состоят из двух кусков пиломатериалов толщиной 2 дюйма (номинально) (38 мм), разделенных проставками по ширине стоек и скрепленных вместе гвоздями, чтобы образовать единое целое. Перемычки преимущественно скрепляются гвоздями без распорок, образуя прочную балку и позволяя заполнить оставшуюся полость изоляцией изнутри. Предпочтительным прокладочным материалом является жесткая изоляция. Глубина перемычки определяется шириной проема и поддерживаемыми вертикальными нагрузками.
Секции стен
Затем полные секции стен поднимаются и устанавливаются на место, добавляются временные распорки и нижние пластины прибиваются через черный пол к элементам каркаса пола. Раскосы должны иметь больший размер по вертикали и позволять регулировать вертикальное положение стены.
После того, как собранные секции соединены по водопроводу, их скрепляют гвоздями в углах и пересечениях. Полосу полиэтилена часто помещают между внутренними стенами и внешней стеной, а также над первой верхней пластиной внутренних стен перед наложением второй верхней пластины, чтобы обеспечить непрерывность воздушного барьера, когда эту функцию выполняет полиэтилен.
Затем добавляется вторая верхняя пластина, стыки которой смещены как минимум на одно пространство между стойками от стыков нижней пластины. Эта вторая верхняя пластина обычно перекрывает первую пластину в углах и местах пересечения перегородок и, будучи прибита гвоздями, обеспечивает дополнительную связь с каркасными стенами. Если вторая верхняя пластина не перекрывает пластину, находящуюся непосредственно под ней в местах пересечения углов и перегородок, они могут быть связаны пластинами из оцинкованной стали толщиной 0,036 дюйма (0,91 мм), шириной не менее 3 дюймов (76 мм) и длиной 6 дюймов (150 мм), прибито как минимум три 2 +1⁄2 дюйма (64 мм) гвоздей к каждой стене.
Раскосная рама
Конструкция с жесткой рамой, также известная как полная рама, полурама, скрепленная рама Новой Англии, комбинированная рама, представляет собой раннюю форму легкого каркаса, развившуюся на основе предшествовавшего ему более тяжелого деревянного каркаса. Это определяется постоянным использованием поясов, угловых стоек и раскосов. Детали имеют пазы, шипы и закреплены шпильками, прибитыми к поясам и подоконникам. Из-за раннего появления лесопилок (еще в 1635 году в Нью-Гэмпшире) уже в 1637 году в деревянных каркасах в северо-восточных английских колониях в Северной Америке использовались легкие стойки между более тяжелыми углами. Норман Ишам писал: «Иногда каркас покрывался вертикальными досками, прикрепленными к подоконникам, пластинам и поясам без какого-либо промежуточного каркаса, но в большем количестве домов промежутки между более тяжелыми бревнами заполняются более легкими вертикальными палками, называемыми стойками». Рост индустрии изготовления гвоздей в начале 19 века ускорил сборку каркаса: некоторые из первых машин были разработаны в конце 1700-х годов в Массачусетсе. Джейкоб Перкинс из Ньюберипорта, штат Массачусетс, изобрел машину, которая могла производить 10 000 гвоздей в день.
Трехэтажные здания в Новой Англии обычно строились такой формы, которая в разрешениях на строительство того времени отмечена как «врезной каркас».
Его применение продолжалось до 1940-х годов на северо-востоке США, когда его постепенно заменила платформенная рама.
Обрамление воздушными шарами
Каркас из воздушных шаров — это метод деревянного строительства, который использовался в основном в районах, богатых хвойными лесами, таких как Скандинавия, Канада, США вплоть до середины 1950-х годов, а также вокруг Тетфордского леса в Норфолке, Англия. Название происходит от конструкции типа французского Миссури: maison en boulin, boulin — французский термин, обозначающий горизонтальную опору строительных лесов. В 19 веке оно также было известно как «строительство Чикаго».
В каркасе воздушного шара используются длинные непрерывные элементы каркаса (стеновые стойки), которые проходят от подоконной пластины к верхней пластине, с промежуточными конструкциями пола, вставленными в них и прибитыми к ним. Здесь на стойках с опорным столбом будет отмечена высота подоконников, колонок и высота следующего этажа. Когда-то популярный, когда длинных пиломатериалов было много, каркас из воздушных шаров был в значительной степени заменен каркасом платформы.
Неизвестно, кто ввел создание каркаса 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 Огюстином Деодатом Тейлором. Оба мужчины прибыли в Чикаго из Новой Англии, где использование легких деревянных каркасов уже было обычным явлением. Архитектурный критик Зигфрид Гидион процитировал работы чикагского архитектора Джона М. Ван Осдела 1880-х годов, а также книгу А. Т. Андреаса «История Чикаго» 1885 года, назвав Сноу «изобретателем метода каркаса воздушного шара». В 1833 году Тейлор построил первую католическую церковь в Чикаго, Св. Марии, используя метод каркаса из воздушного шара; это здание несколько раз перемещалось и восстанавливалось, прежде чем сгореть во время Великого Чикагского пожара.
В 1830-х годах Хузьер Солон Робинсон опубликовал статьи о революционно новой системе каркаса, которую более поздние строители назвали «воздушным каркасом». Система Робинсона требовала использования стандартных пиломатериалов 2×4, скрепленных гвоздями, чтобы сформировать прочный и легкий каркас. Строители не хотели внедрять новую технологию; однако к 1880-м годам стандартом была некоторая форма каркаса 2 × 4.
Альтернативным вариантом является предположение, что прототип каркаса воздушного шара мог использоваться французами в Миссури еще 31 годом ранее.
Хотя в Америке XIX века было много пиломатериалов, квалифицированной рабочей силы не было. Появление дешевых гвоздей машинного изготовления, а также водяных лесопилок в начале 19 века сделало каркас из воздушных шаров очень привлекательным, поскольку он не требовал высококвалифицированных плотников, в отличие от соединений «ласточкин хвост», пазов и шипов, необходимых для изготовления столбов и шипов. балочная конструкция. Впервые любой фермер мог строить свои собственные здания, не тратя много времени на обучение.
Говорят, что воздушные шары населяли запад США и западные провинции Канады. Без этого быстро развивающиеся западные города, конечно, не смогли бы расцвести в одночасье. Также вероятно, что, радикально снизив затраты на строительство, каркасы из воздушных шаров улучшили возможности жилья для бедных жителей Северной Америки. Однако для каркаса воздушного шара требовались очень длинные стойки, и, поскольку в 1920-х годах высокие деревья были исчерпаны, каркас платформы стал преобладать.
Воздушный каркас создает проблемы при тушении пожара, поскольку во многих старых зданиях с воздушным каркасом отсутствуют противопожарные заслонки или противопожарные блоки в открытых полостях каркаса, и огонь может за короткое время распространиться вертикально. Поскольку полости каркаса пола и каркаса стены взаимосвязаны, огонь может быстро распространиться по конструкции. Многие здания с воздушными каркасами появились еще до введения строительных норм и правил, которые требуют противопожарной блокировки, и огонь может распространиться из подвала на чердак за считанные минуты.
Основное различие между каркасом платформы и баллона заключается в линиях пола. Баллонные стойки стены простираются от подоконника первого этажа до верхней обвязки или торцевой стропильной балки второго этажа. С другой стороны, каркасная стена платформы независима для каждого этажа.
Материалы
Материалами легкого каркаса чаще всего являются дерево или прямоугольная сталь, трубы или С-образные швеллеры. Деревянные детали обычно соединяются гвоздями, гвоздями или шурупами; Стальные детали соединяются с помощью шурупов с полукруглой головкой или гаек и болтов. Предпочтительными породами для линейных элементов конструкции являются хвойные породы, такие как ель, сосна и пихта. Размеры материала легкой рамы варьируются от 38 на 89 мм (1,5 на 3,5 дюйма); т. е. размерное число от двух на четыре до 5 см на 30 см (два на двенадцать дюймов) в поперечном сечении, а длина варьируется от 2,5 метров (8,2 футов) для стен до 7 метров (23 футов) или больше для балок и стропил. Недавно архитекторы начали экспериментировать с предварительно вырезанными модульными алюминиевыми каркасами, чтобы снизить затраты на строительство на месте.
Стеновые панели, построенные из стоек, прерываются секциями, образующими грубые проемы для дверей и окон. Проемы обычно перекрываются перемычкой или перемычкой, которая выдерживает вес конструкции над проемом. Жатки обычно устанавливаются на триммеры, также называемые домкратами. Области вокруг окон определяются подоконником под окном и калеками, представляющими собой более короткие стойки, охватывающие территорию от нижней пластины до подоконника, а иногда и от верхней части окна до верхней части или от верхней части окна до верхней пластины. . Диагональные распорки из дерева или стали обеспечивают сдвиг (горизонтальную прочность), как и панели листового материала, прибитые к стойкам, подоконникам и коллекторам.
Секции стен обычно включают нижнюю пластину, прикрепленную к конструкции пола, и одну, или чаще две верхние пластины, которые связывают стены вместе и обеспечивают опору для конструкций над стеной. Деревянные или стальные рамы перекрытия обычно включают в себя краевую балку по периметру системы балок перекрытия и часто включают перемычка рядом с центром пролета для предотвращения бокового коробления пролетных элементов. При двухэтажном строительстве в системе перекрытий оставляют проемы для лестничного проема, в которых подступенки и ступени чаще всего крепят к граням прямоугольной формы, врезанным в наклонные косоуры лестницы.
Внутренние настенные покрытия в конструкциях с легким каркасом обычно включают стеновые панели, рейки и штукатурку или декоративные деревянные панели.
Внешняя отделка стен и потолков часто включает фанерную или композитную обшивку, кирпичную или каменную облицовку, а также различную лепнину. Полости между стойками, обычно расположенные на расстоянии 40–60 см (16–24 дюйма) друг от друга, обычно заполняются изоляционными материалами, такими как ватин из стекловолокна или целлюлозный наполнитель, иногда изготовленный из переработанной газетной бумаги, обработанной добавками бора для предотвращения пожара и борьбы с вредителями.
В естественном строительстве тюки соломы, саман и саман могут использоваться как для наружных, так и для внутренних стен.
Часть конструкции здания, идущая по диагонали через стену, называется Т-образной балкой. Это не дает стенам обрушиться при порывистом ветре.
Древесина, обработанная давлением (зеленая древесина) — это тип древесины, который используется, когда нижняя плита подвергается воздействию внешней влаги, даже при контакте с бетоном.
Крыши
Крыши обычно строятся так, чтобы обеспечить наклонную поверхность, предназначенную для отвода дождя или снега, с уклонами от 1:15 (менее дюйма на погонный фут горизонтального пролета) до крутых уклонов более 2:1. Конструкция с легким каркасом, построенная в основном внутри наклонных стен, которые также служат крышей, называется А-образной рамой.
В Северной Америке крыши часто покрываются черепицей из асфальта, стекловолокна и мелкого гравийного покрытия, но используется широкий спектр материалов. Расплавленная смола часто используется для гидроизоляции 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 легкого каркаса позволяют легко создавать уникальные конструкции крыш; вальмовые крыши, например, имеют уклон к стенам со всех сторон и соединяются вальмовыми стропилами, проходящими от углов до конька. Долины образуются, когда две наклонные части крыши стекают навстречу друг другу. Мансардные окна — это небольшие участки, в которых вертикальные стены прерывают линию крыши и завершаются скатами, обычно расположенными под прямым углом к основной секции крыши. Фронтоны образуются, когда продольный участок наклонной крыши заканчивается, образуя треугольный участок стены. Фонарики образуются в результате прерывания ската крыши там, где короткая вертикальная стена соединяет его с другой секцией крыши. Плоские крыши, которые обычно имеют хотя бы номинальный уклон для отвода воды, часто окружены парапетными стенами с отверстиями (называемыми шпигатами), позволяющими воде стекать. Наклонные сверчки встраиваются в крыши для отвода воды из мест с плохим дренажем, например, за дымоходом в нижней части наклонного участка.
Состав
Легкокаркасные здания в районах с небольшой или отсутствующей промерзанием часто возводят на монолитных бетонно-плитных фундаментах, служащих одновременно перекрытием и опорой конструкции. Другие здания с легким каркасом строятся над подвалом или подвалом, с деревянными или стальными балками, которые перекрываются между фундаментными стенами, обычно построенными из заливного бетона или бетонных блоков.
Специальные компоненты обычно используются для формирования конструкций пола, потолка и крыши вместо массивной древесины. Двутавровые балки (фермы с закрытым перемычкой) часто изготавливаются из клееной древесины, чаще всего из колотой древесины тополя, в виде панелей толщиной до 1 см (0,39 дюйма), склеенных между горизонтально ламинированными элементами размером менее 4 см на 4 см (два на два), чтобы охватить расстояние до 9 м (30 футов). Балки и стропила с открытыми перемычками часто состоят из деревянных элементов размером 4 х 9 см (два на четыре) для обеспечения поддержки полов, кровельных систем и отделки потолка.
Каркас платформы традиционно ограничивался четырьмя этажами, но некоторые юрисдикции изменили свои строительные нормы и правила, разрешив строительство до шести этажей с дополнительной противопожарной защитой.