Фахверковое домостроение
Заимствованное нами слово Фахверк (Fachwerk) произошло от сочетания немецких слов Fach — ячейка и Werk — работа. Разновидность деревянных каркасных домов, отличающаяся многообразием архитектурных декоративных элементов с забутовкой различными строительными материалами. Фахверковые дома имеют важную визуальную роль, так как несущие конструкции выходят на поверхность стен, придавая зданию тектоническое значение.
Фундаменты таких зданий могут быть абсолютно разные, в зависимости от грунта, но строительство данного типа домов всегда начинается с ростверка, от немецких слов Rost — решётка, Werk — работа. В данной статье ознакомимся с основными элементами Фахверка и способами их соединения.
Кровля
В первом случае стропильная нога закрепляется на мауэрлате в сочетании с дополнительными прогонами, столбами или подкосами подстропильного каркаса. Такую стропильную систему называют наслонной. Обычно она характерна для больших зданий, когда длина стропил превышает 9-12 метров. Наслонные стропила нередко используют и в тех случаях, когда в чердачной зоне хотят создать просторное утепленное жилое пространство.
Второй тип стропил называют висячими. Здесь стропильные ноги опираются на лаги или балки перекрытия, которые в этом случае называются также затяжками. При этом отдельные стропильные группы часто могут выступать как самостоятельные фермы. Обычно в чистом виде висячие стропила встречаются лишь в небольших постройках, где расстояние между точками опоры стропильных ног не превышают 12-14 метров.
Подстропильные каркасы могут быть самыми разнообразными. Одним из самых распространенных для немецкого фахверка является конструкция с использованием несущих подкосов. Важным элементом будет стягивающий ригель между подкосами, стропильной ногой и мауэрлатом.
Аналогично устроена подстропильная система, характерная для французского коломбажа, однако в ней имеются интересные конструктивные особенности - мощная система балок, поддерживающих коньковый брус и прогоны. Стропила в этом варианте могут быть небольшого сечения, но располагаться чаще.
Иначе выглядит подстропильная система в классическом американском тимбер-фрейминге. Она отличается простотой и лаконичностью.
Основные варианты замков-шарниров в зоне примыкания стропил к мауэрлату.
Варианты крепления стропил к прогонам подстропильной системы.
Американский вариант стыковки стропил с коньковым брусом.
Основные соединения, при помощи которых стропильные ноги крепятся к затяжке полностью аналогичны вариантам крепления подкосов.
Для сопротивления ветровым нагрузкам в случае с висячими стропилами применяют консоли или укосины, соединяющие столбы каркаса с затяжкой.
На практике обе разновидности стропильных систем (наслонную и висячую) часто комбинируют. Особенно это характерно для крыш со сложной конфигурацией кровли. В наслонных стропилах помимо вертикальных сил действуют силы распора, действующие на разваливание стен, на которых лежит мауэрлат. Висячие фермы сами являются распорными конструкциями, в которых распор на стены здания не передается, поскольку он полностью нейтрализуется затяжкой. Таким образом, висячие стропильные системы не передают на стены никаких горизонтальных усилий, но только вертикальные.
При строительстве домов с мансардой используется конструкция ферм со смещенной затяжкой, или вовсе без затяжки с подкосами, опирающимися на короткий центральный столб – бабку, а также фермы-ножницы.
Вынос второго этажа
Зачастую фахверковое домостроение пользуется интересным визуальным приемом: второй этаж строения имеет вынос стен наружу по отношению к стенам первого этажа. Таким образом фахверковый дом как бы расширяется кверху. Обычно это делается по стандартной схеме: балки перекрытия, лежащие на верхней обвязке, выступают за пределы стены. На них со смещением укладываются балки нижней обвязки последующего этажа, далее укладываются остальные элементы каркаса.
Вынос этажей в фахверке – это не только конструктивная особенность, но и большое пространство для художественного творчества. В исторических фахверковых домах Европы и балки перекрытия, и брусы обвязок, и консоли нередко покрыты причудливой искусной резьбой. Выглядит это очень колоритно и красиво.
Перекрытия
Говоря о лагах или балках перекрытия мы имеем ввиду два принципиально разных вида соединений. В первом случае балки крепятся к внутренней стороне обвязки, и их торцы не выходят наружу. Такой способ крепления характерен для устройства пола первого этажа или межэтажных перекрытий, когда в фахверковом доме не предусмотрен вынос второго и последующих этажей. Здесь есть свои плюсы и минусы. Однозначный плюс состоит в том, что торец не выходит наружу и не подвергается губительным для древесины атмосферным воздействиям. А минус – в относительной сложности замков. Самым популярным и надежным считается ласточкин хвост.
Есть вариант ласточкина хвоста с двойной площадкой примыкания, частично углубленной, а частично упирающейся во внутреннюю грань бруса горизонтальной обвязки.
Среди наиболее простых замков интересна врубка в пол-бруса с боковой расклинивающей фиксацией нагелем.
Также можно порекомендовать врубку с углубленной площадкой примыкания.
В любом случае необходимо обратить внимание на наличие у балки перекрытия контактной площадки в половину толщины бруса или, как ее часто называют, пятки, которая служит дополнительным упором лаги в обвязочный брус, что препятствует ее прогибанию, а также деформации, а то и разрушению соединительного замка при сильных вертикальных нагрузках на балку перекрытия. Балки с выносом или остатком характерны для межэтажных перекрытий. О сочленениях этого типа мы подробно говорили в статье о выносах этажей в фахверковом доме. Теперь рассмотрим разные виды соединения лаг с контрбрусом, который как правило имеет более тонкое сечение по сравнению с основными балками. Система с контрбрусом позволяет класть балки-матицы более разреженно. Верхняя грань контрбруса может быть заподлицо с верхней гранью балок перекрытия,
а может иметь вертикальное смещение.
Врубки в данном случае как правило простые, плоские.
Однако встречаются и более сложные варианты.
Иногда контрбрус не применяется вовсе, его заменяет система более тонких и коротких брусков. Как правило это сильно экономит материал, поскольку в ход часто идут обрезки, но влечет за собой массу дополнительной работы. Такая обрешетка делается вровень с балкой перекрытия. Это дает существенную жесткость всему каркасу перекрытия и половые доски впоследствии меньше деформируются при вертикальных нагрузках.
Стены
В углах фахверковых ячеек иногда устанавливаются небольшие детали, которые называются винкель. Винкели также могут иметь плоскую площадку примыкания, или площадку с зубом. Нередко винкели имеют фигурную форму, что как и в случае с андреевским крестом, дает неповторимый визуальный эффект.
В пространстве между ригелями, особенно под окнами, используются множество различных элементов жесткости. Самым распространенным, помимо малых подкосов, которые выполняются аналогично большим, считается андреевский крест. Нередко андреевский крест имеет фигурные очертания, что очень украшает экстерьер фахверкового здания.
Для фахверка характерен такой прием, как расширение дома к верху. Выносы этажей или крыши как правило поддерживаются консолями и укосинами. Разница между этими элементами прослеживается в направлении волокон древесины. В консолях волокна располагаются вертикально, поэтому их можно расценивать скорее как дополнительные пятки для опирания выноса горизонтальных балок.
Подкосы или раскосы служат для упрочения углов фахверкового здания. Простейший вариант – прямой подкос с плоскими площадками, которые снизу опираются на закладной брус, а сверху на столб.
Далее на примере подкосов рассмотрим более сложные сочленения с зубом на площадке примыкания. Наиболее распространенной является лобовая врубка с передним зубом. Как правило она используется при достаточно большой длине остатка бруса перед сочленением.
Врубка задним зубом применяется обычно при недостаточной длине остатка бруса перед сочленением. Такой замок часто встречается в конструкции контрфорсов или, например, при врубании стропильной ноги в лагу или в стропильных фермах висячего типа, когда стропило опирается на затяжку.
Если необходимо усилить конструкцию используют укосину с клином или подпоркой на дополнительном нагеле.
В укосинах, также как и в винкелях, волокна располагаются параллельно силовому направлению детали. Поэтому укосина является средством распора и жесткости. Самая простая укосина – прямая с плоской площадкой примыкания. Угол укосины к столбу варьирует от 30 до 45 градусов.
Также укосины активно используются в интерьере, когда необходимо усилить опирание горизонтальных балок на несущие столбы. Интересной представляется форма укосины, которую мы позаимствовали в Бранденбургском замке (Восточная Прусссия).
Хорошо выглядят бранденбуогские укосины с зубом на площадке примыкания.
Бранденбургские укосины не только красивы, но и очень практичны. Клиновидный вырез с прямым углом в центре детали очень удобен при стягивании каркаса ремнями перед тем, как прошить конструкцию деревянными нагелями.
Когда каркас уже собран, но возникает необходимость усилить конструкцию, на помощь приходит накладная укосина, которую можно легко вмонтировать в уже сформированную систему балок.
При часто установленных вертикальных столбах могут применяться такие элементы жесткости как подпоры.
Угловые соединения
Самым распространенным является соединение в пол-бруса. Оно несложно выполняется и в сочетании с вертикальной стойкой работает очень хорошо.
Упростив чертеж, вертикальный брус условно не показан, так как во всех случаях он подходит к узлу одинаково.
Контактная площадка может идти под углом одинарным, как показано на рисунке выше, или двойным, как это видно на рисунке ниже. Такое соединение лучше сопротивляется боковым смещениям бруса и, соответственно, считается более надежным.
Соединение с шипом и открытым пазом
Ещё один вид соединения
Сращивание балок
Самый простой и примитивный способ – это сращивание в пол-бруса. Такой метод применяется обычно в тех случаях, когда на увеличенную балку не будут воздействовать силы продольного растяжения, а также вертикальные и боковые силы, которые могут вызвать смещение деталей. Для надежности соединение стягивается нагелями.
Для предотвращения продольного смещения деталей при незначительном растяжении сочленение в пол-бруса усложняется угловой зарубкой контактной площадки.
Следующий вариант продольного сочленения двух балок используется в тех случаях, когда необходимо усилить сопротивление вертикальным силам, которые могут работать на излом узла, а также боковым силам, действию которых противостоит небольшой зуб на оконечности соединения.
Помимо нагелей, для фиксации деталей узла можно использовать клинья, которые в забитом состоянии распирают соединение и делают его более жестким.
Далее рассмотрим несколько сочленений на основе совмещения шипа и паза. Самое простое – шип в треть бруса и открытый паз.
Аналогичный узел с дополнительным шипом и закрытым пазом обеспечивает сопротивляемость боковым смещениям деталей.
Следующий узел также хорошо противостоит боковым силам. Оба эти варианта подходят и для удлинения вертикальных стоек.
Ласточкин хвост или в простонародье сковородень в пол-бруса тоже очень распространенное и надежное соединение, особенно когда речь идет о сопротивлении силам продольного растяжения.
Рассмотрим еще несколько распространенных шипо-пазовых соединений.
Теперь обратимся к вариантам косого сочленения, известного под названием голландского замка или голландского зуба. Самый простой вариант – соединение без дополнительных врубок. Как и вариант прямого сращивания в пол-бруса, этот узел предназначен для удлинения бруса в условиях незначительных боковых, вертикальных и продольных нагрузок.
Следующий вариант исполнения голландского замка может быть применен для соединения вертикальных столбов, поскольку благодаря дополнительному зубу хорошо сопротивляется боковым смещениям.
Классический голландский замок можно назвать вариантом повышенной надежности, поскольку в расклиненном состоянии он дает очень прочное соединение. К тому же этот узел выглядит очень красиво и часто используется в тех случаях, когда он виден в интерьере.
Вконце хочется показать еще один вариант продольного наращивания бруса, в котором используется мощная деревянная шпонка или перемычка. Этот вариант также хорошо использовать с клиньями.
Прочие элементы
Для начала обратим внимание на Т-образные соединения, которые могут быть боковыми (1 – столб-ригель), вертикальными (2 – столб-обвязка) и горизонтальными (3 – обвязка-обвязка).
Также есть крестовые соединения, в которых балки расположены в одной плоскости 1 – вертикально, 2 – горизонтально.
Еще можно выделить сложные угловые соединения (1) или угло-крестовые соединения (2), где в одну точку сходятся сразу несколько балок – от трех до шести, не считая возможных укосин или консолей.
Далее будем рассматривать различные узлы, которые можно применять сразу в нескольких типах соединений. Начнем с самых популярных шипо-пазовых узлов. И первым соединением, которое мы рассмотрим, будет сквозной шип в ширину бруса. Щека такого шипа достаточно широка, а контактная площадка имеет два плеча.
К сожалению ответный брус далеко не всегда позволяет сделать широкий паз для сочленения, поэтому иногда практикуются эксцентрические шипы с тремя плечами у контактной площадки,
или еще чаще зауженный центральный шип с четырьмя плечами у контактной площадки.
Наибольшее распространение получили укороченные шипы, длина которых немного меньше половины толщины ответного бруса. Это связано с тем, что ригели в фахверке очень часто находятся на одном уровне, но по разные стороны столба. Как правило такие шипо-пазовые соединения стягиваются одним или несколькими нагелями.
Иногда контактная площадка примыкает непосредственно к ответному брусу без каких-либо дополнительных врубок.
Однако для повышения прочности и надежности соединения под контактную площадку на ответном брусе зачастую делается посадочное гнездо. Оно может быть прямым,
а может быть и несколько скошенным.
Когда брус с шипом имеет меньшую толщину по сравнению с ответным брусом, в котором делается паз, посадочное гнездо немного заглубляется по всей площади контактной площадки.
Любопытное угловое сочленение двух горизонтальных ригелей и столба, сходящееся в одну точку, можно наблюдать у немецких строителей фахверка. В сквозном шипе одного ригеля проделывается паз для глухого шипа второго ригеля. Узел стягивается двумя или тремя нагелями.
Отдельно стоит рассмотреть соединения со сквозными шипами, усиленные не только нагелями, но и клиньями. В первом случае клинья вбиваются по бокам между шипом и сторонами паза.
Во втором случае клинья вбиваются в специальные продольные прорези в шипе. Следует обратить внимание на то, что при прямом шипе в обоих вариантах паз вырубается трапецией в виде ласточкиного хвоста. Это необходимо для того, чтобы у клиньев было пространство свободного хода и появлялся необходимый распор.
В третьем случае клин забивается выше ригеля в специально увеличенный для этой цели паз. Это очень мощное соединение, и применяется оно в тех случаях, когда каркас уже готов, но по месту требуется дополнительное усиление. Благодаря увеличенному пазу, шип ригеля легко входит в подготовленное место, и далее сильно зажимается клином.
Есть несколько интересных соединений, где клинья вбиваются не в щели между ответными деталями, а в затяг в специально подготовленные отверстия с обратной стороны замка.
Напоследок сделаем шаг назад и вернемся еще раз к более простым соединениям. Теперь рассмотрим узлы, применяющиеся в основном для Т-образного соединения горизонтальных брусов в обвязках особенно в тех местах, где кроме вертикальных нагрузок не ожидается никаких дополнительных деформирующих сил.
Надо сказать, что соединение ласточкин хвост или сковородень иногда используются также и для сочленения стойки с ригелем.
В заключении хочется отметить, что строительство фахверковых домов трудозатратный и технически сложный процесс, в котором не обойтись без навыков плотника. В конструктивных решениях используется дорогой материал большого сечения, который достать будет не просто. Заполнение проемов в каркасе требует индивидуального подхода для каждого строения, а расчет самого каркасу лучше доверить специалисту. Фахверковые дома выбирают для себя люди, обладающие большими возможностями и желанием получить в итоге нечто особенное и уникальное, выделяющееся из общей застройки.
Архитектор - проектировщик
Литаврин Игорь Вадимович
г.Липецк
Русская пословица гласит - что тщательная подготовка к делу предотвратит многие ошибки.