Проектирование каркаса лестницы

Есть единственный элемент лестницы, без которого нельзя обойтись. Это ступени.

Рис. 1. Тумба и независимые ступени

Примером могут служить (по данным археологов) древнейшие лестницы — выкопанные в склоне холма углубления, иногда укрепленные камнями и торцами бревен. Современный аналог — лестница в виде массивной тумбы (которая сама по себе является "каркасом" для облицовки деревом). Противоположностью являются конструкции с разделительной стеной между маршами или консольным креплением ступеней в стены (рис. 1). В этих лестницах ничего, кроме ступеней, не видно, и они удерживаются в пространстве строительными конструкциями. Но такие лестницы надо проектировать заранее. В реальности ступени надо закреплять к каркасу лестницы.

Рис.2. Крепление ступеней на косоуре косынками

Рассмотрим способы крепления ступеней в пространстве с помощью несущих деталей. Чтобы представить себе картину крепления ступеней теоретически, нарисуем сначала положение нескольких ступеней, висящих в пространстве. Начнем подводить снизу некий наклонный объект, на который будет передаваться нагрузка от ступеней. В данном случае лучше абстрагироваться от материала — на этом месте может быть бревно, лафет, брус, швеллер, двутавр, железобетонная балка и т.п. Пока он находится ниже ступеней, называть его принято косоуром. Как только мы достигли ступеней, сразу же мыслятся несколько видов их крепления. На первых двух ступенях показаны уменьшенные косынки (рис. 2). Они хороши тем, что чрезвычайно технологичны и удобны в установке. Но по стилю они настолько "кантри" (фото лестницы 115 и фото лестницы 130), что в классической лестнице их применение проблематично. На третьей ступени прикреплена весьма традиционная прямая косынка, на четвертой — она же с циркульным вырезом. Применение косынок может удешевить лестницу, не снижая её архитектурных достоинств, но требует для изготовления отличных инструментов — любой перекос в распиловке сразу же будет виден. Пятая ступень стоит на двух столбиках, изготавливаемых из бруска или стальной трубы.

Рис.3. Традиционный косоур

Сдвинув наш "объект" ещё выше, и вырезав в нем "зубцы", получаем (фото лестницы 73) традиционный пилообразный косоур (рис. 3), применяемый почти в половине лестниц. Несмотря на несколько больший расход материала, косоуры часто заказывают из-за красоты и прочности конструкции. Они прекрасно гармонируют с резными и точеными деталями. При правильно выбранных пропорциях косоуры как бы "прячутся" под ступенями и вся конструкция выглядит достаточно легкой. Часто решающим фактором в пользу косоурной лестницы бывает удобство её монтажа. Строить такие лестницы можно в одиночку, что при тетивной конструкции невозможно. Еще одно важное достоинство лестницы на косоурах — её неограниченная ширина. Если тетивы мы можем ставить только по краям ступеней, то косоуров под ступенями можно поставить сколько потребуется. В верхнем пределе мы получаем трибуны стадиона или амфитеатр — хотя это конструкции и косоурные, но, пожалуй, уже не лестницы. В нижнем — косоур может быть один, такая конструкция будет называться "хребтовой".

Рис. 4. Тетива с перекрытием ступеней

Сдвигая "объект" ещё выше и перекрывая им торцы ступеней, получаем тетивы. Хотя подробности их конструирования будут рассмотрены далее, уже сейчас разделим их на два класса. Когда ступени сбоку полностью перекрыты тетивами, получаем конструкцию "с перекрытием ступеней" (рис. 4). Если же ступени выглядывают из-за тетивы, конструкция будет "без перекрытия ступеней" (рис. 5). Первую схему крепления применяют в дорогих классических лестницах из твердых пород дерева и комплектуют подступенками. По такому принципу выполнено большинство дворцовых лестниц. Зато вторая настолько проста в изготовлении, что может быть рекомендована для дачников, поскольку такую лестницу несложно сделать за выходные из еловых досок пилой и рубанком. Подробности — в следующем разделе. Конструкция недорогая, но, если правильно подобрать размеры элементов, смотрится очень красиво. Подступенки в такой лестнице применять не следует. Тетивные лестницы намного древнее косоурных. У Даля происхождение слова "тетива" относится к скандинавским корням, а слово "косоур" по отношению к лестницам вообще не применяет, скорее всего так называть эту деталь стали в 20 веке.

Рис. 5. Тетива без перекрытия ступеней

Следующую конструкцию крепления ступеней рассмотрим только для полноты и систематичности изложения, поскольку на практике ее почти не применяют (рис. 6). Передвинув наш "объект" до заднего ребра ступеней и вырезав в нем зубцы снизу, получаем "антикосоур" (название выдумано автором). Недостатки такой конструкции: для получения носа надо делать дополнительные вырезы или в ступенях, или в антикосоурах, лестница будет выглядеть тяжелой сверху, открыты крепления подступенков, ступени не лежат на каркасе, а прикреплены к нему снизу (последнее спорно, поскольку в отличие от других лестниц в этой конструкции все крепления винтовые и, следовательно, их все можно подтягивать в процессе эксплуатации, устраняя неизбежные зазоры). Преимущества: максимально увеличено место под лестницей для размещения там санузла или двери, легко, как на тетивах, расставлять балясины и крепить столбы, монтаж можно вести и маршами, и отдельными ступенями, лестница удобно подходит к плите перекрытия.

Рис. 6. Антикосоур

Если мы продолжим двигать наш "объект" вверх, то где-то через 900 мм подъёма он станет называться поручнем. Тем не менее, к нему можно прикрепить ступени через стойки ограждения. Такая конструкция называется лестницей "на больцах", "консольной", "безкосоурной" или "лестница с несущим ограждением" (рис. 7, фото лестницы 109). Конструкция гармонична, все детали настолько функциональны, что нельзя изъять ни одной без ущерба для прочности. Изготавливать такие лестницы полностью из дерева не следует — стойки ограждения лучше сделать металлическими. К её достоинствам следует отнести легкость, к недостаткам — повышенную ширину ступеней: стандартных 300 мм не хватает из-за большого, не менее 70 мм носа. Кроме того, часто лестница одной стороной примыкает к стене и ограждения там не требуется. Если ставить к стене массивную деталь — тетиву, косоур — резко чувствуется асимметрия, теряется та воздушность, ради которой и затеяна вся конструкция. Поэтому со стороны стены у этих лестниц принято консольное крепление (рис. 12 — 14).

Рис. 7. Лестница с несущими ограждениями

Рис. 7 а. Крепление ступеней с высоким ограждением

Если значительно удлинить стойки поручня, то можно закрепить ступени к полу и потолку с помощью высокого ограждения из трубчатых элементов, но уже без поручней (рис. 7 а).

Рис. 8. Крепление ступеней к стене на коренных брусках

Рис. 9. Крепление ступеней к стене на увеличенных коренных брусках

До сих пор мы рассматривали конструкции каркаса, где ступени марша крепят к одной несущей детали. Ступени можно закрепить к стене и порознь. Сразу надо предупредить — во всех этих случаях требуется высокое качество крепления, поскольку меньшую деталь (брусок или кронштейн) надо закрепить с той же прочностью, что и большую (косоур или тетиву). Прежде всего покажем крепление ступени к стене с помощью коренного бруска (рис. 8). Иногда древесину для прочности заменяют стальным уголком, но его трудно замаскировать. Основная проблема этого крепления — точность установки брусков по отверстиям, просверленным в каменной стене. На рисунке 8 показаны бруски минимального размера, но их можно значительно увеличить (рис. 9), и даже закрыть всю стену параллельной полу обшивкой с шагом, равным высоте подъёма ступени.

Рис. 10. Крепление ступени на кронштейне

Рис. 11. Кронштейны на хребтовом косоуре

Если стена достаточно прочная, например, из монолитного бетона, то можно закрепить ступени только к ней одним концом. Это крепление кронштейном (рис. 10 и 11) или закладными деталями (консолями). Консольное крепление ступеней чем-то сродни установке балкона (рис. 12), только детали немного меньше. Можно попытаться разместить консольные балки внутри ступеней (рис. 13). Для этого следует взять ступень потолще, миллиметров 55-60, и просверлить в ней с торца отверстие глубиной 3/4 длины. Диаметр должен соответствовать выбранной закладной детали, не менее 30 мм. Закладные детали из хорошей стали (лучше закаленной) вмуровывают на достаточную глубину в стену по шаблону и на них надевают ступень. Стоит ли говорить, что такой способ доступен только при наличии специального оборудования для точного сверления отверстий. Если же у нас предусмотрена опора ступени в двух разнесенных точках, то консольное крепление сильно упрощается (рис. 14) и становится вполне выполнимым. В стену и в ступень можно засверливать на 100-120 мм и диаметр стержня брать 15-20 мм.

Рис. 12. Консольное крепление ступени

Рис. 13. Консольное крепление ступени со скрытыми закладными деталями

Рис. 14. Консольное крепление со скрытыми закладными деталями при двух опорах ступени

Все приведенные выше детали передают нагрузку от ступеней к строительным конструкциям здания, поэтому при проектировании надо стремиться закрепить эти части к стенам и перекрытиям. Так получается не всегда, лестницы с площадками и поворотами надо удерживать столбами, которые вместе с несущими деталями образуют каркас лестницы. На рисунке 15 приведен пример каркаса лестницы, способного компенсировать осадку сруба деревянного дома. Такой усложненный каркас крепится наглухо к нижнему венцу и на скользящие опоры в верхней части столбов. Обратите внимание на своеобразную форму косоуров для забежных ступеней.

Рис. 15. Каркас лестницы на косоурах в деревянном срубе

Главное требование к каркасу лестницы, конечно, прочность. Ее достигают достаточным сечением деталей и особыми конструкциями их соединения. Примерное сечение деревянных тетив и косоуров (в "узком"месте) приводится в таблице 1. При этом сечение исчисляют не по поперечному разрезу, а по вертикали (рис. 16). Размеры в данной таблице даны для парных деталей — двух тетив, двух косоуров и т.д.. и для наиболее "невыгодного" способа закрепления деталей — условного шарнирного соединения в месте приложения нагрузки. Эти цифры достаточно относительны, так как на практике соединения несущих деталей со строительными конструкциями и столбами обычно выполняют в виде "защемления", т.е. соединения в шип, во врезку и внакладку со шпонкой. Если эти соединения еще и от души проклеены, то наши несущие детали будут настолько разгружены, что их сечение можно уменьшить на 20% по толщине (до 40 мм) и столько же по высоте. К тому же не забывайте про перильные ограждения — они тоже укрепляют лестницу. Бывает, что сразу после монтажа косоуры дрожат при ходьбе, но эта вибрация полностью прекращается с появлением перил. Клеевые или сварные соединения, конечно, хороши, но ещё лучше, когда конструкция "замкнута на материал", или, для простоты, чтобы при сборке детали не упали даже без их основного скрепления — саморезов, клея или сварки.

Рис. 16. Сечение косоура

Таблица 1. Сечения тетив и косоуров

Второе требование к каркасу — эстетическое и относится к деревянным деталям. Считают, что на лестнице не должны быть видны поперечные срезы древесины и крепежные детали и зазоры между деталями. Исключения есть и о них в следующих разделах будет подробно рассказано. Пока рассмотрим на конкретных примерах каркасов и сами соединения, и часто встречающиеся в них сложности.

Рис. 17. Каркас без столбов

На рисунке 17 изображен каркас площадки двухмаршевой лестницы. Если лестница окружена с трех сторон достаточно прочной стеной, ставить столбы нет смысла. Закрепляем на расчетном уровне пристенные балки глухарями к стене, к ним закрепляем четырьмя глухарями (по два справа и слева) лобную доску и ребра жесткости. Для большей прочности крепления можно добавить в соединение или шпонку 18x50x100, или три шканта 16x40. Можно (при наличии времени) вместо шпонки сделать шип на пристенной балке и паз на лобной доске. Правда, следует заметить, что чем прочнее и совершеннее становятся клеи, тем меньше потребность с сложных соединениях. При хорошей подгонке плоскостей и сильном сжатии при застывании клеевые соединения могут выдержать большую нагрузку вообще без каких-либо дополнительных креплений. Сверху на указанную конструкцию будет уложен сам щит площадки, а к лобной доске прикрепят косоуры маршей. Если не удаётся закрыть места крепления какими либо конструкциями, например, торцами косоуров, то в отверстия вставляют декоративные заглушки (рис.18). У данного каркаса все торцевые распилы древесины закрыты либо стенами, либо другими деталями.

Рис. 18. Соединение на глухаре с декоративной заглушкой

Рис.19. Каркас с опорным столбом

Еще чаще встречаются площадки, примыкающие к стенам только двумя или даже одной стороной. Если в предыдущем примере торцы лобной доски у нас были закрыты стенами, то в следующем примере одну из сторон площадки подпирают столбы (рис. 19). Чтобы скрыть торцы древесины, запиливаем детали около углового столба "на ус" под 45° и соединяем их глухарями со столбом изнутри на врезку (рис. 20), либо соединяем балки со столбом в шип (рис. 21). Оба крепления достаточно трудоемки, но отвечают эстетическим требованиям. Не следует располагать столб в одной плоскости с приходящими к нему деталями. Выдержать точное совпадение поверхностей сложно, обычно требуется дополнительная механическая обработка.

Рис. 20. Столб внутри

Рис. 21. Столб снаружи

Такая конструкция характерна для лестницы с прямыми маршами и площадками. Надо сказать, что они несколько проще в проектировании, но сложнее в монтаже, чем лестницы с забежными ступенями. Крепление тетив и косоуров к столбам обычно делают теми же способами, что и крепление деталей площадок. Не следует крепить несущие детали к столбам внакладку без врезки, детали в данном случае будут держаться только на глухарях и клее. Врезку делать недолго, но она намного улучшает такое соединение. Главное, не забывайте про клей.

Рис. 22. Крепление косоура к перекрытию через вспомогательный брус

Важнейший вопрос проектирования каркаса лестницы — это её крепление к перекрытиям и к полу. Сразу надо оговориться — готовых на все случаи жизни рецептов здесь нет. Слишком многое зависит от конструкции здания и неизменности его размеров. В деревянном срубе (рис. 15) крепить каркас лестницы ни к полу, ни к перекрытию вообще нельзя из-за осадки и изменения диаметра бревен. Напротив, железобетонная тумба лестницы сама может быть опорой для перекрытия. Рассмотрим наиболее часто встречающийся случай крепления несущих деталей лестницы к железобетонной конструкции. Ещё при замерах надо обратить внимание на перекрытие в месте, куда будет подходить лестница. Если прочность материала недостаточна (модный гипсокартон), заранее оговорите вопрос укрепления и выравнивания торца перекрытия цементно-песчаной штукатуркой. Прикрепите к торцу перекрытия достаточно мощную деревянную деталь, а уже к ней крепите косоур или тетиву (рис. 22).

Рис. 23. Крепление косоура снизу

Нередко бывает, что толщина перекрытия недостаточна для такого способа крепления (кстати, именно этот случай встретился в нашем примере, фото лестницы 127), тогда несущую деталь приходится прикреплять к перекрытию снизу (рис. 23). Такое крепление достаточно надежно при высокой прочности материала. В рассматриваемом случае в месте крепления проходил стальной уголок 100x100x10 мм. В нем автор просверлил отверстие, прошел твердосплавным сверлом дальше в бетон, нарезал метчиками резьбу М12 и привернул косоур к перекрытию болтом. Надо сказать, что работы по металлу в лестничном деле появляются регулярно, и соответствующий инструмент неплохо иметь в запасе.

Если вам повезло, и перекрытие каменного дома выполнено на деревянных балках, то крепление марша можно выполнить изнутри (рис. 24).

Рис. 24. Крепление косоура изнутри

Если вам не повезло, и несущие детали надо закрепить к перекрытию напрямую, без вспомогательных деталей (рис. 24а), то следует просверлить под глухарь отверстие с рабочей стороны лестницы в несущей детали, и через него закрепиться к перекрытию. Сложность здесь в сверлении — обычно под глухарь необходимо отверстие диаметром 30 мм, а толщина самой тетивы лишь 40 или 50 мм.

Рис. 24 а. Крепление косоура через отверстия

Очень соблазнителен путь использования вспомогательных металлических деталей для крепления к перекрытию. Но их обычно тоже чем-то надо закрывать, при этом изготовление и монтаж декоративных крышек может оказаться слишком трудоемким.

Крепление несущих деталей к полу требуется не всегда, и прочность такого соединения может оказаться даже вредной при подвижности основных строительных конструкций. Весьма прочным крепление к полу и перекрытиям должно быть в случае применения висячих столбов. Но такая конструкция встречается нечасто и у неё все соединения выполняют максимально прочными. На рисунке 25 изображена такая лестница. Применение висячего столба в данном случае диктовалось несимметричностью расположения проёмов в перекрытиях первого и второго этажей.

Рис. 25. Лестница на висячем столбе

В большинстве случаев для крепления несущих деталей к полу достаточно монтажного клея, особенно, если основное напольное покрытие (ламинат или паркет) уже уложено.

Рис.26. Модель лестницы

В заключение рассмотрим каркас для уже привычного нам примера (рис. 26). Как уже отмечалось ранее, пятая ступень нашей лестницы подходит близко к подоконнику. Чтобы не перегородить оконный проём, не будем применять несущие конструкции, располагающиеся выше ступеней. Заказчику на выбор были предложены косоуры или несущие ограждения. Из соображения сочетаемости с лестницей с 1 на 2 этаж (облицовка по бетону) была выбрана косоурная конструкция.

Рис. 27. Первичная установка косоуров и столбов в рассматриваемом примере

Намечаем на плане лестницы косоуры и столб (рис. 27), а на разрезе (рис. 28) намечаем конфигурацию пристенного косоура. Пристенный косоур для удобства отделки пускаем не по самой стене, а отодвигаем от неё на 40 мм. В таких конструкциях нередко приходится в ущерб эстетике применять несимметричное расположение косоуров, то есть когда внутренний идет с отступом от края ступеней, а другой (внешний), проходя по стене, совпадает с краем лестничного марша. По возможности такого расположения следует избегать и размещать косоуры на одинаковом расстоянии от краев ступени. Сами ступени также лучше не упирать в стену, но этот вопрос будет очень подробно рассмотрен в следующих разделах сайта. Нарисуем проекционным методом расположение косоура на стене (рис. 28). Длина детали получилась более 4500 мм, что в нашем случае чрезмерно много. Действительно, косоуры такой длины (см. таблицу 1) по условиям прочности необходимо делать шириной не менее 300+143=443 мм, что слишком утяжелит конструкцию. Для внутреннего косоура, длина которого значительно меньше, такое сечение не требуется, но ставить разные косоуры на один марш некрасиво. Уменьшить сечение косоура необходимо и потому, что он проходит поперек двухсветного окна, и чем меньше он будет, тем меньше его загородит. Выходом из положения является установка дополнительного столба по стене под лестницей. Косоур тогда можно разделить на три меньшие части (рис. 28): косоур 1, косоур 2 и косынку, которую следует прикрепить к косоуру 1 при изготовлении детали. Немаловажны и экономические соображения такого расклада деталей — увеличение объёма работ перекрывается уменьшением стоимости деталей и лестница становится дешевле без ухудшения качества. Кроме того, деталь длинной 4500 мм чрезвычайно трудно разворачивать в ограниченном объёме, а в данной ситуации пришлось бы затаскивать через окно.

Рис. 28. Окончательная установка пристенного косоура в рассматриваемом примере(в мм)