Деревянные каркасы

Деревянный каркас — это конструктивная система здания или сооружения, в которой несущую основу составляют элементы из древесины (стойки, балки, ригели, раскосы), соединённые между собой в единую пространственную схему. Деревянные каркасы являются одним из древнейших и наиболее распространённых типов строительных конструкций, применяемых как в малоэтажном жилищном строительстве, так и в промышленных, сельскохозяйственных и общественных зданиях.

История

Древний мир и Средневековье

Использование деревянных каркасов восходит к неолиту. Свайные постройки на территории современной Швейцарии и южной Германии (ок. 5000 лет до н. э.) демонстрируют применение вертикальных стоек, вкопанных в землю. В античном мире деревянные каркасы использовались для перекрытий больших пролётов (например, в римских базиликах), но каменные и бетонные конструкции постепенно вытеснили их из монументального строительства.

В средневековой Европе, особенно в Германии, Франции и Англии, получил распространение фахверк (нем. Fachwerk — «каркасная конструкция»). В этой системе деревянный каркас (стойки, ригели, раскосы) заполнялся глиной, камнем или кирпичом. Фахверковые дома, построенные в XV–XVII веках, сохранились до наших дней (например, в городах Кведлинбург, Ротенбург-об-дер-Таубер, Страсбург).

Индустриальная эпоха

С развитием металлургии в XIX веке деревянные каркасы начали уступать стальным и железобетонным. Однако в Северной Америке, где лес был дешевле и доступнее, возникла технология «балун-фрейм» (balloon frame, 1830-е годы), при которой тонкие пиломатериалы (доски сечением 50×100 мм) соединялись гвоздями. Эта система позволила быстро и дёшево возводить многоэтажные дома. В 1950-х годах её вытеснила платформенная система (platform frame), где каждый этаж собирался на перекрытии предыдущего.

Современность

В конце XX — начале XXI века интерес к деревянным каркасам возродился благодаря экологическим требованиям и развитию технологий. Появились клеёные деревянные конструкции (LVL, CLT, клеёный брус), позволяющие перекрывать пролёты до 30–50 метров. В России деревянные каркасы активно применяются в малоэтажном строительстве (каркасные дома, бани, хозпостройки) и в возведении большепролётных сооружений (спорткомплексы, выставочные павильоны).

Классификация

По типу несущей схемы

• Стоечно-балочная система — классическая схема с вертикальными стойками и горизонтальными балками. Применяется в одно- и двухэтажных зданиях.
• Рамная система — стойки и ригели образуют жёсткие рамы, воспринимающие горизонтальные нагрузки (ветер, сейсмику). Используется в многоэтажных или промышленных зданиях.
• Связевая система — горизонтальные нагрузки передаются на вертикальные диафрагмы жёсткости (стены, раскосы). Характерна для платформенной технологии.
• Арочная и купольная система — криволинейные элементы из клеёной древесины, позволяющие перекрывать большие пролёты без промежуточных опор.

По технологии соединения

• Гвоздевое соединение — наиболее распространённый тип в малоэтажном строительстве. Используются ершёные или винтовые гвозди.
• Болтовое соединение — применяется в тяжёлых конструкциях (клеёный брус, фермы).
• Шиповое соединение — традиционный плотницкий метод (шип-паз, «ласточкин хвост»). Используется в фахверке и при сборке срубов.
• Зубчатое соединение — применяется для сращивания клеёных элементов по длине.
• Металлические зубчатые пластины (MZP) — используются для сборки плоских ферм (стропильных систем).

По материалу элементов

• Из цельной древесины — брус, бревно, доска. Ограничены по длине и сечению (до 6–8 м).
• Из клеёной древесины — клеёный брус, LVL (шпон), CLT (перекрёстно-клеёная плита). Позволяют получать элементы длиной до 30 м и более.
• Комбинированные — деревянно-металлические (деревянные балки с металлическими затяжками) или деревянно-железобетонные (деревянные балки с железобетонной плитой перекрытия).

Устройство и характеристики

Основные элементы

• Фундамент — обычно ленточный, столбчатый или плитный. Деревянный каркас требует гидроизоляции и антисептической обработки нижней обвязки.
• Нижняя обвязка — брус или доска, укладываемая на фундамент. Служит опорой для стоек.
• Стойки — вертикальные элементы, воспринимающие нагрузку от перекрытий и крыши. Сечение — от 50×100 мм до 200×200 мм.
• Верхняя обвязка — брус, соединяющий стойки по верху. Распределяет нагрузку на стойки.
• Балки перекрытия — горизонтальные элементы, на которые опираются полы и потолки.
• Стропильная система — фермы или балки, образующие скатную крышу.
• Раскосы — диагональные элементы, обеспечивающие жёсткость каркаса (ветровые связи).

Преимущества

• Экологичность — древесина является возобновляемым ресурсом, при правильной обработке не выделяет вредных веществ.
• Теплоизоляция — дерево имеет низкую теплопроводность (0,12–0,15 Вт/(м·К)), что снижает затраты на отопление.
• Скорость строительства — сборка каркаса занимает от нескольких дней до 2–3 месяцев.
• Сейсмостойкость — лёгкие деревянные каркасы хорошо выдерживают землетрясения (до 8–9 баллов по шкале MSK-64).
• Экономичность — стоимость материалов и работ ниже, чем для кирпичных или железобетонных конструкций.

Недостатки

• Пожароопасность — древесина горюча, требуется обработка антипиренами и устройство противопожарных преград.
• Биостойкость — подверженность гниению, поражению грибком и насекомыми (жуки-древоточцы). Требуется антисептическая обработка.
• Усадка — свежая древесина может давать усадку до 5–10% в течение 1–2 лет.
• Ограничения по этажности — в России деревянные каркасы редко применяются для зданий выше 3–4 этажей (по нормам — до 3 этажей включительно для жилых домов).

Применение

Малоэтажное жилищное строительство

В России и странах СНГ деревянные каркасы используются для возведения индивидуальных жилых домов, дач, бань, гаражей. Наиболее популярны технологии:

• Каркасно-щитовые дома — стены собираются из готовых щитов (сэндвич-панелей) с утеплителем.
• Каркасно-рамочные дома — каркас собирается на месте из отдельных пиломатериалов, затем утепляется и обшивается.
• Фахверк — современная интерпретация средневековой технологии с видимым каркасом.

Промышленное и общественное строительство

• Спортивные сооружения — клеёные деревянные арки и фермы используются для перекрытия бассейнов, ледовых арен, стадионов (например, Дворец спорта «Мегаспорт» в Москве, 2006 год).
• Сельскохозяйственные здания — коровники, зернохранилища, склады. Деревянные каркасы устойчивы к агрессивным средам (аммиак, кислые удобрения).
• Выставочные и торговые павильоны — быстровозводимые конструкции с большими пролётами.

Мосты и инфраструктура

В России деревянные мосты строятся в лесных и труднодоступных районах (например, в Карелии, Сибири). Применяются клеёные балки и фермы, пролёты — до 30–40 м.

Примеры

• Дом «Солнечный» (Россия, Московская область) — двухэтажный каркасный дом площадью 180 м², построенный по платформенной технологии в 2018 году. Использованы клеёный брус и утеплитель из каменной ваты.
• Спорткомплекс «Кристалл» (Россия, Казань) — здание с клеёными деревянными арками пролётом 42 м, построенное в 2013 году.
• Мост через реку Вуокса (Россия, Ленинградская область) — пешеходный мост длиной 60 м из клеёной древесины, возведённый в 2015 году.

Интересные факты

• В России деревянные каркасы применялись ещё в древнерусском зодчестве: стены церквей и изб часто имели каркасную основу, заполненную глиной или камнем (так называемые «плетнёвые» стены).
• Самое высокое деревянное здание в мире — 18-этажный «Mjøstårnet» в Норвегии (85,4 м, 2019 год), построенное по каркасно-рамной технологии из клеёного бруса.
• В 2021 году в России введены в действие новые своды правил (СП 64.13330.2021), которые разрешают строительство деревянных зданий высотой до 7 этажей при условии применения противопожарных мероприятий.

Источники

• СП 64.13330.2021 «Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80».
• СП 31-105-2002 «Проектирование и строительство энергоэффективных одноквартирных жилых домов с деревянным каркасом».
• ГОСТ 33080-2014 «Конструкции деревянные клеёные. Методы расчёта».
• Ковальчук Л. М. «Деревянные конструкции в строительстве». — М.: Стройиздат, 2019.
• Захаров А. В. «Каркасное домостроение: технологии и материалы». — СПб.: Питер, 2020.