Выбор сечения пиломатериала

Как выбрать сечение пиломатериалов

Какой городской житель не хотел бы иметь собственный загородный домик. Желательно деревянный и построенный своими руками. Но далеко не все решаются приступить к воплощению своей мечты – по разным причинам. Однако почти у всех начинающих мастеров возникает проблема с расчётом оптимального сечения пиломатериалов. Давайте разберёмся, так ли это сложно, как кажется, и так ли просто – как говорят.

Почему нужно очень тщательно выбирать габариты доски или бруса

Вопиющая ошибка отечественных плотников-любителей заключается в применении заниженных сечений (как правило, из-за бездумной экономии). В результате люди сталкиваются с серьёзными деформациями элементов здания, которые влекут за собой потерю эстетических свойств и технических характеристик. Бывают и противоположные варианты, когда всё делают с большим запасом.

Где бы мы ни использовали пиломатериалы, важно соблюдать баланс. С одной стороны следует создать конструкцию, которая будет обладать необходимой пространственной жёсткостью, прочностью на сжатие, растяжение, изгиб, кручение… С другой – стоит стремиться к использованию пилопродукции с минимальным сечением, ведь это поможет снизить нагрузки на фундамент и грунт.

Правильные расчёты также помогают удешевить строительство, ведь более массивные доски и брусья - более материалоёмкие и стоят больше, они дороже в транспортировке, больше требуют защитных составов, с ними сложнее работать. В любом случае, отталкиваться нужно от технических условий, а уже потом смотреть, какой пиломатериал по габаритам будет оптимальным в той или иной ситуации.

Как работают пиломатериалы в строительных конструкциях

В любом здании его конструкции подвергаются самым разным нагрузкам. Речь не только о несущих элементах (балках или стойках), обшивки тоже нагружаются, часто являются полноценным рабочим элементом какой-то системы, например, ОСБ на деревянном каркасе или в виде сплошного настила под битумную черепицу. Листовые материалы выбирают по толщине, и это не доставляет пользователям особой сложности.
А вот брус и доску рассчитать труднее. И вот почему. В каждого типа конструкциях на них могут оказываться кардинально отличающиеся воздействия.

Например, балкам перекрытия, лагам полов, стропилам - в основном приходится сопротивляться прогибу. На перекрытие воздействуют жильцы своим весом, а также мебель, настил и финишные слои строительного пирога, перегородки, различные массивные предметы и т.д.

На стропила давит настил и контробрешётка, изоляционные полотна, утеплитель и кровельное покрытие. Наибольшее воздействие оказывается зимой от снежного покрова. Тут важно учесть «снеговую и гололёдную нагрузку», которая в свою очередь в основном зависит от:

• Углов наклона скатов, конструкции кровли;
• Климатической зоны;
• Типа кровельного покрытия (как они задерживают снег).  
• Массы кровельного покрытия (есть колоссальная разница между керамической черепицей и битумной).

Не стоит сбрасывать со счетов ветер, который также может серьёзно напирать на высокие крыши.

В стенах на деревянные стойки, а также на колоны действуют силы иного типа. На них давят строительные конструкции (вместе с собственными нагрузками) – плиты и балки перекрытий, стропильная система, заполнение проёмов и т.д. Наружная стена ещё более ощутимо испытывает воздействие ветров. Перегородки, хоть и монтируются между перекрытиями, но тоже могут в некоторых условиях сдавливаться, а также прогибаться под действием навесной мебели, навесной сантехники или работы межкомнатных дверей.
Интересно, что особенности конструкции кровельной системы могут усиливать или снижать нагрузку на несущие стены. Например, есть разница: реализуются наслонные стропила или висячие, есть ли внутренняя несущая стена и стойка с затяжкой, будет ли это полноценная ферма или вместо чердака планируется собрать мансарду.
Всегда в данном случае важна этажность и высота потолков.

Приступив к серьёзным расчётам согласно СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия», нужно будет суммировать давление и применить коэффициент надёжности. Только тогда удастся получить данные о том, какую несущую способность должен иметь пиломатериал. А уже потом приобретать брус или доску подходящего сечения.

Есть ещё пару крайне важных моментов. Один из них – величина пролёта. Чем он больше, тем меньшую нагрузку может нести балка/лага/стропила. И не стоит забывать, что пиломатериалы, расположенные горизонтально, имеют некоторый прогиб под своим весом. Вообще прогибы строительных конструкций в той или иной мере допускаются нормами, но всё-таки существуют разноплановые ограничения на этот счёт (данные имеются в таблицах СНиП):

• Эстетически-психологические,
• Физиологические,
• Конструктивные (по целостности конструкций, качеству примыканий и т.д.).

Для балок прогиб в одну двухсотую часть длины считают нормальным, что для доски на пролёте 6 метров составляет порядка 20-25 мм.  

Очень интересно, что при прогибе несущая обрезная доска или брус не просто «провисают» вниз. Одновременно с этим немного уменьшается их линейная длина, ведь материал не может растягиваться. Например, теоретически, слишком сильно изогнутая балка перекрытия может выйти из кронштейнов, через которые она крепится к стенам.

Помимо этого нагруженный пиломатериал (как в вертикальном, так и в горизонтальном положение) обычно стремится «скрутиться» - вывернуться. И чем более плоская заготовка применена, тем больше вариантов на кручение. Поэтому брус/брусок в этом плане предпочтительнее. Но вот для сопротивления изгибу доска (учитывая её ярко выраженную разницу между размерами сторон) покажет лучшие результаты.

Можно ли манипулировать сечением

Механика процессов уже понятна. Но ясно также, что давать категоричные рекомендации по выбору сечений для создания определённого типа конструкций – не совсем корректно. Но мы можем рассмотреть некоторые строительные хитрости, вернее конструкторские решения, которые используют на практике уже несколько веков, чтобы расходовать материалы оптимально.

1. Увеличение высоты ребра. По сути, чтобы устранить критичный прогиб, нам нужно увеличить ширину балки, например, вместо бруса 50Х100 перейти на изделие (которое уже будет называться доской) с габаритами 50Х150, 50Х200. Также существует технология, при которой применяют два бруса, которые ставятся друг на друга и стягиваются так болтами или пластинами сбоку. Интересно, что балка, собранная из вертикально сдвоенных брусьев, может нести в четыре раза большую изгибающую нагрузку, чем каждый из использованных брусьев. То есть мы не мы не суммируем, а умножаем на два этот важнейший показатель.  
Как вариант – собирается ферма или швеллер с использование полос из листовых материалов типа OSB, фанеры.

2. Увеличение толщины пиломатериала. Как мы уже отметили, этот момент важен, когда сила приложена вдоль оси доски/бруса, которая, сжимая, крутит заготовку. Для опорной колоны, столба, различных стоек - есть смысл применить более массивный брус. В крайнем случае, изделие можно скрутить из нескольких обрезных досок. Так, кстати, довольно часто поступают на Западе при каркасном строительстве, начиная от стен, заканчивая кровлями.

Но в горизонтальных конструкциях нельзя слишком сильно заигрывать с этим, так как существенно возрастает масса, и балка под своим весом ещё больше будет прогибаться.
Вообще «золотым» соотношением толщины и ширины нагружаемых пиломатериалов в большинстве конструкций считается пропорция 5:7 или коэффициент 1,4- 1,5 (хотя имея качественную фиксацию балки, оно допустимо вплоть до 2-3 кратной разницы и более), при котором получается лучший баланс между сопротивлением к прогибу и кручению.

3. Увеличение шага расстановки балок или стоек. Прежде всего, такой подход позволяет равномерно распределить нагрузку и, таким образом, уменьшить сечение пиломатериалов. Что получается. Например, мы хотим балками перекрыть помещение со стенами 5 и 8 метров. Если расставим их через каждые 1000 мм, то нам потребуется девять 5-метровых брусов со сторонами 150 и 200 мм, что составляет 1,35 кубических метров древесины. Но можно без потери несущих свойств расставить балки через 50 см и применить доску сечением 50Х200 (их всего пойдёт 17 штук), что в сумме составит 0,85 м3. Очевидно, что подобным образом дробить получается выгоднее.

4. Снижение протяжённости пролёта. Чем меньше участок, где пиломатериал «подвисает», тем меньше он гнётся и большее давление держит. Соответственно, для снижения применяемых сечений стоит увеличивать шаг между точками опоры:

• для лаг пола поверх бетонной плиты – это маяки-подкладки,
• для балки перекрытия первого этажа по грунту – дополнительные столбы
• для стеновых и потолочных каркасов – дополнительные кронштейны,
• для стропильной системы и межэтажных перекрытий – это внутренняя несущая стена, опорная балка на колонах…  

5. Использование дополнительных каркасов. Деревянные конструкции, требующие выполнения изоляционных работ, должны иметь достаточную для этого толщину. Поэтому и сечение пиломатериалов выбирается соответствующее.
Однако, к примеру, мы находимся где-то на севере, нам нужно утеплить/звукоизолировать стены каркасного дома, а теплотехнические расчёты показывают, что нужно уложить в них нужно 25 сантиметров ваты. Как поступают скандинавы… Они не делают несущие стены толщиной 250 мм. Вместо этого применяют стойки сечением 38Х150 мм с шагом 600 мм, укладывают между ними 15-сантиметровые плиты минваты. А недостающие 10 сантиметров изоляции располагают в перекрёстной каркасной конструкции, которую собирают с одной или обеих сторон стены.

6. Создание треугольников. Как известно, треугольник является самой стабильной фигурой, которая лучше всего противостоит динамическим нагрузкам. Поэтому различные фермы из бруса всегда получаются менее материалоёмкими при аналогичных несущих характеристиках, чем массивные изделия. Аналогичную функцию могут выполнять всевозможные диагональные подкосы, перевязывающие перемычки, накладки…

7. Выбирайте качественное. Лучшие несущие свойства имеет брус или доска 1 сорта. Не покупайте покоробленные изделия, так как, допустим, при сжатии изначально изогнутый брус только продолжит вою деформацию. Не стесняйтесь проверять сечение и осматривать товар, чтобы не покупать, например, изделия ТУ с заниженным сечением под видом пиломатериалов ГОСТ, либо лес с неприлично большим количеством сучков и трещин.

Мы умышленно не советовали конкретные размеры сечений, ведь в каждом случае всё-таки лучше производить детальные расчёты, особенно, если дом имеет стены более 10 метров протяжённостью и в высоту более 3 метров. В идеале, лучше обратиться к конструктору или купить готовый проект. Между тем, для ориентира, можно воспользоваться онлайн-калькуляторами или общедоступными таблицами для подбора сечений пиломатериала, коих в Интернете предостаточно.