Конструкция перекрытия по деревянным балкам, расчет несущей способности. Сращивание, усиление и утепление

В этой статье нам предстоит выяснить, как выполняется расчет деревянных балок перекрытия. Кроме того, мы познакомимся с общими принципами сооружения утепленных перекрытий и узнаем, каким образом рассчитывается их утепление.

Как все устроено

Дерево хвойных пород является наиболее востребованным материалом для строительства межэтажных и чердачных перекрытий в частном доме. Основная причина очевидна — невысокая по сравнению с монолитным железобетоном или готовыми плитами цена.

Кроме того: перекрытие по деревянным балкам, в отличие от плитного, может быть смонтировано без услуг погрузочной техники, что тоже обеспечивает существенную экономию.
От монолитного оно выгодно отличается тем, что не требует сооружения опалубки.

При использовании деревянных балок для дома необходимо:

1. Обеспечить их достаточную несущую способность при расчетных долговременных нагрузках;
2. Выполнить эффективную межэтажную шумоизоляцию;
3. Если речь идет о перекрытии над неотапливаемым подвалом или под неэксплуатируемым чердаком — организовать достаточно эффективную теплоизоляцию, соответствующую требованиям климатической зоны, в которой вы проживаете.

Первая задача решается подбором оптимальных сечения и шага балок. Максимальная длина деревянной балки перекрытия обычно ограничена 6 метрами — длиной поставляемого производителями бруса камерной сушки; при большем пролете сооружаются промежуточные несущие стены или опорные колонны.

Для решения второй и третьей задач межбалочное пространство заполняется утеплителем — стекло- или минеральной ватой, пенополистиролом, эковатой и прочими материалами. Их выбор — тема для отдельного исследования; на нем мы не станем заострять свое внимание.

Типичная конструкция утепленного перекрытия такова:

• На боковые поверхности балок в их нижней части набиваются черепные бруски сечением от 40х40 мм.

• По ним без крепления укладываются доски толщиной от 25 мм.
• По настилу расстилается пароизоляционная пленка. Она перекрывает и доски настила, и балки.
• Между балками укладывается утеплитель.
• Сверху он застилается гидроизоляцией (чаще всего в этой роли выступает обычный полиэтилен с проклеенными швами между полотнами).
• По гидроизоляции настилается черновой пол — непосредственно по балкам (при достаточной толщине половой доски) или по перпендикулярным им лагам. В первом случае между балками и настилом набивается контробрешетка — рейка толщиной 20 мм, оставляющая под настилом просвет для вентиляции.

Расчет несущей способности

Как рассчитать деревянные балки перекрытий при известных пролете и шаге?

Общая информация

Максимальный пролет нами уже упоминался: он ограничен длиной поставляемого бруса. Однако оптимальным значением пролета для деревянных несущих конструкций считаются 2,5 — 4 метра. Среди прочего, меньший пролет позволяет обойтись брусом меньшего сечения, что удешевляет конструкцию перекрытия.

Оптимально использование в качестве балок бруса с прямоугольной формой сечения. Его высота должна относиться к ширине как 1,4:1. В этом случае мы получаем максимальную несущую способность при опять-таки минимальных расходах.

Однако: реальные сечения деревянного бруса заставляют несколько отклоняться от оптимальной пропорции размеров.

Балка должна опираться на стену как минимум 12 сантиметрами свой длины от края.

Опирающийся на стену край гидроизолируется со всех сторон, кроме торца. При заделке торца непроницаемым для влаги материалом торцы рано или поздно загниют из-за отсутствия естественной сушки.

При расчете межэтажных перекрытий обычно используют расчетное значение полной нагрузки (собственный вес перекрытия и эксплуатационная нагрузка) в 400 кгс/м2. Однако для неэксплуатируемых чердаков это значение может быть уменьшено.

Таблицы сечений

Начнем с подбора сечения прямоугольного бруса для нагрузки 400 кгс/м2 при разных значениях пролета и шага между балками.

Шаг/пролет	200 см	300 см	400 см	500 см	600 см
60 см	7,5х10 см	7,5х20 см	10х20 см	12,5х20 см	15х22,5 см
100 см	7,5х10 см	10х17,5 см	12,5х20 см	15х22,5 см	17,5х25 см

При сооружении чердачного перекрытия под неэксплуатируемым чердаком расчетная нагрузка может лежать в пределах 150 — 350 кгс/м2. При шаге между балками в один метр их сечения в сантиметрах должны быть следующими:

Расчетная нагрузка, кгс/м2/ пролет, см	300	400	500	600
150	5х14	6х18	8х20	10х22
200	5х16	7х18	10х20	14х22
250	6х160	7х20	12х20	16х22
350	7х160	8х20	12х22	20х22

Еще одна таблица содержит минимальные диаметры круглых балок (оцилиндрованного бревна) при нагрузке 400 кгс/м2 и шаге 1 метр.

Пролет, см	Диаметр бревна, см
200	13
300	17
400	21
500	24
600	27

Сращивание и усиление

Как нарастить деревянную балку перекрытия, если приобретенный вами брус имеет длину меньше необходимого пролета?

Первое и основное: при любом способе сращивания полученная балка будет иметь намного меньшую прочность, чем цельнодеревянная. Идеальным решением будет строительство дополнительной несущей стены с уменьшением пролета. Как вариант — под места сращивания устанавливаются подпорные колонны.

Как удлинить деревянную балку перекрытия, если нагрузка на нее незначительна (например, наверху находится неэксплуатируемый чердак)?

Наиболее надежный способ — соединение двух брусьев без уменьшения толщины каждого из них. Элементы просто соединяются стальными шпильками с широкими шайбами внахлест; дополнительно усилить соединение можно, проклеив его казеиновым, альбуминовым клеем или обычным ПВА.

Важно: места сращивания при о
тсутствии подпорных стен или колонн располагаются вразбежку, со смещением от балки к балке. В этом случае несущая способность перекрытия будет максимальной.

Еще одно неплохое решение — сооружение сборных балок из трех широких досок небольшой толщины (25 — 50 мм). И в этом случае соединения досок встык внутри каждой балки и между смежными балками располагаются вразбежку; доски проклеиваются по длине и дополнительно стягиваются шпильками.

Как усилить деревянные балки перекрытия при возросших требованиях к их несущей способности (например, при превращении холодного чердака в мансарду)?

Способов не так уж много:

1. Возведение подпорных колонн или стен с уменьшением пролета;
2. Подшивка к каждой балке дополнительной доски или бруса по всей длине, от стены до стены.

В последнем случае полезно знать одну тонкость:

• Подшивка бруса того же сечения сбоку увеличивает несущую способность балки вдвое.
• Увеличение высоты балки в 2 раза (подшивка такого же бруса снизу или сверху) увеличит несущую способность уже вчетверо.

Так как укрепить деревянные балки перекрытия путем подшивки к ним дополнительной доски или бруса?

1. Ставим в середине пролета под каждую вторую балку временные подпорки из бруса, убирая прогиб перекрытия.
2. Свободные от колонн балки усиливаем накладками из бруса или доски. Расположение и толщина накладки выбирается с учетом расчетных нагрузок и высоты помещения; способ крепления — клеевой шов с дополнительной фиксацией шпильками с широкими шайбами или оцинкованными накладками.
3. Переставляем подпорные колонны и повторяем операцию с оставшимися балками.

Любопытно, что значительно увеличить жесткость балок можно с помощью обыкновенной фанеры толщиной 18 — 22 миллиметра. Она нарезается полосами шириной, равной высоте балок, и после устранения прогиба перекрытия подпорными колоннами приклеивается к каждой балке с обеих сторон с фиксацией гвоздями или саморезами с шагом 15 — 25 сантиметров.

Разумеется, и здесь обязательна разбежка поперечных швов — и на каждой отдельной балке, и между смежными балками.

Утепление

Инструкция по сооружению утепленного перекрытия нами уже приведена; однако расчет утепляющего слоя в зависимости от применяемого материала и климатических условий нуждается в комментариях.

Основное свойство любого утеплителя — его теплопроводность. Чем она ниже, чем лучшее утепление обеспечивается слоем фиксированной толщины.

Для каждого региона страны в зависимости от зимних температур в нем российским СНиП 23-02-2003 предлагаются собственные нормы теплового сопротивления ограждающих конструкций.

Тепловое сопротивление складывается из сопротивления каждого из слоев стены или перекрытия; однако именно для перекрытий свойствами настила, паро- и гидроизоляции можно пренебречь, поскольку их теплоизолирующие качества серьезно уступают таковым у любого современного утеплителя.

Толщина слоя утеплителя рассчитывается по простейшей формуле: она равна произведению расчетного теплового сопротивления и коэффициента теплопроводности выбранного теплоизоляционного материала.

Важный момент: все значения приводятся в единицах СИ; соответственно, результат мы получим в метрах.
Для вычисления слоя утеплителя в сантиметрах его достаточно умножить на 100.

Очевидно, для расчета не хватает только справочных данных. Чтобы избавить читателя от их поиска, приведем эти значения здесь.

Город	Нормированное тепловое сопротивление перекрытия, (м2*С)/Вт
Архангельск	4,6
Калининград	3,58
Москва, Пенза, Саратов	4,15
Краснодар	2,6
Астрахань	3,6
Оренбург	4,49
Пермь	5,08
Тюмень	4,6
Омск	4,83
Екатеринбург	4,38
Сургут	5,28
Красноярск	4,71
Чита	5,27
Хабаровск	4,6
Владивосток	4,03
Петропавловск-Камчатский	4,38
Магадан	5,5
Анадырь	6,39
Верхоянск	7,3

Утеплитель	Теплопроводность в сухом состоянии, Вт/(м2*С)
Пенопласт С-25	0,04
Экструдированный пенополистирол	0,031
Пенополиуретан	0,04
Стекловата (маты)	0,05
Пеностекло	0,1
Базальтовая вата	0,042

Уточним: реальные значения теплопроводности могут меняться в зависимости от плотности материалов и атмосферной влажности.
Зависимость в обоих случаях линейная: рост плотности и влажности ведет к увеличению теплопроводности.

Давайте в качестве примера своими руками выполним расчет утепления перекрытия над холодным подполом для дома, построенного в Астраханской области.

Утеплитель — базальтовая вата.

1. Нормированное теплосопротивление из верхней таблицы берется равным 3,6 (м2*С)/Вт.
2. Теплопроводность базальтовой ваты равна 0,042 Вт/(м2*С).
   
3. Минимально необходимая толщина утеплителя, таким образом, равна 3,6*0,042=0,1512 метра, или 15 сантиметров.

Заключение

Надеемся, что нам удалось ответить на все накопившиеся у читателя вопросы. Дополнительную информацию о строительстве перекрытий по деревянным балкам можно получить из видео в этой статье. Успехов!