Конструктивные системы и схемы зданий

В процессе строительства и эксплуатации здание испытывает на себе действие многочисленных нагрузок и воздействий, отличающихся по величине, направлению, характеру действия и месту приложения. Конструкции, участвующие в восприятии нагрузок, называют несущими.

К вертикальным несущим конструкциям относятся, фундаменты, стены, отдельные опоры, а к горизонтальным - перекрытия и покрытие.

Размещаясь в объеме здания в определенном сочетании, несущие конструкции образуют пространственную систему, способную воспринимать все действующие на здание силовые нагрузки и воздействия и обеспечивать его прочность, жесткость и устойчивость. Эта система называется конструктивной системой здания.

Вертикальные несущие конструкции воспринимают действующие на здание вертикальные нагрузки (от собственной массы, оборудования, снега и др.) и передают их основанию.

Горизонтальные несущие конструкции воспринимают горизонтальные нагрузки (ветровые, сейсмические и т.д.) и поэтажно вместе с собственной массой передают их вертикальным несущим конструкциям (или на специальные вертикальные элементы жесткости – диафрагмы, связи, стволы жесткости; или на те и другие одновременно).

Тип вертикальной несущей конструкции определяет тип конструктивной системы здания. Различают основные, комбинированные и смешанные конструктивные системы. Основных систем пять: бескаркасная (стеновая), каркасная, объемно-блочная, ствольная и оболочковая.

В пределах одной конструктивной системы пространственное положение вертикальных несущих конструкций может меняться. Вариант конструктивной системы по признаку размещения в пространстве (продольного, поперечного, перекрестного) вертикальных несущих конструкций называется конструктивной схемой здания.

Бескаркасная (стеновая) конструктивная система является основной в проектировании зданий мелкоячеистой объемно-планировочной структуры: квартирных жилых домов, общежитий, больниц и др. Стены воспринимают все вертикальные, а через перекрытия и все горизонтальные нагрузки. Система включает три варианта конструктивной схемы:

1. С продольными несущими стенами и поперечными диафрагмами жесткости (жилые дома с кирпичными и крупноблочными стенами). Преимущество – свобода планировочного решения благодаря редко расставленным (через 25 – 40 м) диафрагмам. Недостаток – перерасход стенового материала (увеличение толщины наружных стен, обеспечивающее их теплоизоляцию).

2. С поперечными несущими стенами и продольными диафрагмами жесткости (в основном крупнопанельные здания). Различают два варианта этой схемы: с широким 7,2 м и смешенным 2,4-3,0 и 7,2 м шагом несущих стен. Наружные стены (за исключением торцевых) выполняют ненесущими или самонесущими. Недостаток – большая по сравнению с продольной жесткость планировочного решения.

3. С перекрестно расположенными несущими стенами (жилые и общественные здания мелкоячеистой объемно-пространственной структуры). Часто расположенные несущие стены образуют конструктивно-планировочные ячейки площадью до 20 м². Недостаток – невозможность трансформации помещений в период эксплуатации. Преимущество – повышенная пространственная жесткость.

Общим для всех вариантов является способ восприятия горизонтальных нагрузок. Нагрузки, действующие вдоль несущих стен воспринимаются этажеркой из взаимосвязанных стен и перекрытий, а перпендикулярно несущим стенам – вертикальными диафрагмами жесткости (стенами лестничных клеток, межсекционными, торцевыми и др. стенами).

Каркасная конструктивная система (производственные и сельскохозяйственные здания, общественные здания повышенной этажности). Преимущество – четкое разграничение функций: каркас воспринимает все нагрузки, стены являются только ограждениями. Вертикальные несущие конструкции в каркасной схеме – стержневые (колонны). Их соединения с горизонтальными несущими элементами (ригелями, балками, фермами) могут быть жесткими и шарнирными. Способ соединения определяет характер работы каркасов под нагрузкой. Исходным для всех типов каркасов является рамный.

В рамном каркасе ригели располагают в продольном и поперечном направлениях, соединяют с колоннами в рамы с помощью жестких узлов. Рамы воспринимают все вертикальные и горизонтальные нагрузки, действующие на здание. Преимущество – большая прочность. Недостаток – большой перерасход металла, слишком массивный каркас.

Объемно-блочная конструктивная система (в жилых зданиях). Вертикальными несущими элементами служат объемные блоки, включающие в себя комнату или квартиру. Блоки устанавливают друг на друга столбами на всю высоту здания с передачей вертикальной нагрузки от вышележащих блоков нижележащим по контуру, двум противоположным сторонам или углам блоков.

Ствольная конструктивная система – нетрадиционная, используется при проектировании высотных жилых и общественных зданий башенного типа. Вертикальным несущим элементом, воспринимающим все вертикальные и горизонтальные нагрузки, является жесткий сердечник – ствол центрального лестнично-лифтового узла, площадь которого составляет 10-25 % площади здания.

Оболочковая конструктивная система или система с несущими наружными объемно-пространственными жесткостными конструкциями (в зданиях высотой до 100 и более этажей). Несущая часть здания представляет собой наружную оболочку – вертикальную пространственную замкнутую конструкцию, жестко заделанную в фундамент или в конструкции подземных этажей. Поперечную жесткость оболочки обеспечивают жесткие конструкции перекрытий.

Наряду с основными конструктивными системами широко применяются комбинированные конструктивные системы, в которых вертикальные несущие конструкции компонуются из разнотипных элементов – стержневых и плоскостных, стержневых и ствольных и т.д.

В системе с неполным каркасом в качестве вертикальных несущих конструкций используются стены и стойки каркаса, между которыми с помощью жестких перекрытий распределяются действующие на здание вертикальные и горизонтальные нагрузки. Система применяется в двух вариантах: с несущими наружными стенами и внутренним каркасом или с наружным каркасом и внутренними несущими стенами.

На сочетании стержневых и плоскостных вертикальных несущих конструкций основана каркасно-связевая система (каркасно-диафрагмовая, каркасно-дисковая). Вертикальные несущие конструкции – стойки каркаса и специальные вертикальные элементы жесткости, которые выполняют в виде вертикальных металлических конструкций – связей жесткости или в виде железобетонных перегородок – диафрагм жесткости. Стойки каркаса жестко соединяются с ригелями (балками, фермами) и образуют рамы.

Каркасно-ствольная система основана на разделении статических функций между каркасом и стволом или несколькими стволами жесткости. Узлы соединения ригелей и колонн каркаса – шарнирные, поэтому каркас воспринимает только вертикальные нагрузки. Горизонтальными элементами жесткости служат перекрытия. Для восприятия горизонтальных нагрузок вводятся вертикальные элементы жесткости – стволы (ядра) жесткости.

Также применяются смешанные конструктивные системы, основанные на сочетании в здании по его высоте или протяженности двух или нескольких конструктивных систем (переход от бескаркасной системы в типовых этажах к каркасной системе в первых или верхних этажах).

Конструктивная схема здания подвергается различным воздействиям в неблагоприятных сочетаниях, возникновение которых возможно в строительный и эксплуатационные периоды. Нагрузки и воздействия, действующие на здание могут быть: постоянными и временными.

К постоянным нагрузкам относят массу всех частей здания, в том числе массу несущих и ограждающих конструкций, массу и давление грунтов.

Временные нагрузки: длительные, кратковременные и особые.

К длительно временным нагрузкам относят: массу стационарного оборудования, нагрузки на перекрытия, от складируемых материалов, снеговые нагрузки, температурные воздействия.

Кратковременными считают нагрузки от массы людей, массы ремонтных материалов в зонах ремонта и обслуживания оборудования, ветровые нагрузки.

К особым нагрузкам относят сейсмические и взрывные воздействия, а также воздействия, обусловленные деформациями основания, сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта (например, при замачивании просадочных грунтов) или оседании его.

Несиловые воздействия на здания также разнообразны. К ним относят температуру внутреннюю и наружную и ее колебания, влагу наружного и внутреннего воздуха, осадки, солнечную радиацию, химические агрессивные реагенты среды производства, шум, биологические разрушители.

Некоторые несиловые факторы могут вызвать силовые воздействия. Например, колебания внутренних и наружных температур приводят к знакопеременным деформациям конструкции, и наоборот, ветер являющийся силовым фактором, вызывает несиловые воздействия – переохлаждение помещений и изменение влажности.

Все эти факторы, воздействуя, на здание в отдельности и в совокупности могут вызывать разрушение конструкций и изменять параметры внутренней среды.

Несущие каркасы

Конструкции каркасов изготовляют из железобетона, металла и дерева.

Железобетонные каркасы

Их выполняют в основном сборными из унифицированных типовых конструкций. Основными типами многоэтажных железобетонных каркасов являются стоечно-балочный, безбалочный и с межферменными этажами.

Основ стоечно-балочного каркаса составляют многоэтажные рамы, образованные колоннами и ригелями.

Колонны имеют высоту в один или два – три этажа и размеры поперечного сечения 300х300, 400х400, 400х600 мм. Стыки колонн обычно устраивают на 0,6-1 м выше отметки перекрытия.

Ригели (балки) применяют двух типов: с полками для опирания плит перекрытий и прямоугольного сечения. Оба типа ригеля имеют высоту 800 мм. Стык колонны и ригеля может быть жестким (выполненным с помощью сварки выпусков арматуры колонны и ригеля) или шарнирным (сварка закладных деталей). Панели перекрытий соединяют с ригелем сваркой закладных деталей. Вертикальные элементы жесткости устраивают между колоннами в плоскости рам и перпендикулярно к ним в виде стальных связей, либо в виде железобетонных стенок-диафрагм.

Безбалочный каркас применяется в многоэтажных производственных зданиях в тех случаях, когда по санитарно-гигиеническим требованиям в помещениях необходимо наличие гладкого пола (холодильники, мясокомбинаты и т.д.).

По характеру работы под нагрузкой этот каркас является рамным. Его применяют только для сетки колонн 6х6 при нагрузках на перекрытие от 5 до 30 кПа. Межколонные плиты (плиты-балки) укладывают в двух взаимно-перпендикулярных направлениях на сборные железобетонные капители, опирающиеся на выступы (консоли) одноэтажных колонн квадратного или круглого сечения. Пролеты между плитами-балками перекрывают пролетными плитами, опирающимися по контуру на четверти межколонных плит, и соединяются с ними сваркой закладных деталей и выпусков арматуры. Пространственная жесткость и устойчивость каркаса обеспечивается жесткостью узлов соединений его элементов.

Каркас с межферменными этажами применяется в крупнопролетных многоэтажных промышленных зданиях. Этот каркас проектируют рамно-связевым. Многоэтажные рамы образованы одноэтажными колоннами сечением 300х600 мм или 300х800 мм безраскосными фермами пролетами 12 и 18 м. продольную устойчивость каркаса обеспечивают стальными связями, а также плитами перекрытий (покрытия). Высота ферм в зависимости от целей использования межферменного пространства составляет1,2 м для непроходного (технического) этажа и 2,4 или 3 м – для проходного технического этажа и 3,6 м – для этажа с административно-хозяйственными помещениями.

Одноэтажные железобетонные каркасы применяют в производственных и сельскохозяйственных зданиях, оборудованных подвесными или мостовыми кранами. Каркасы проектируют рамно-связевыми на основе унифицированных габаритных схем, предусматривающих пролеты от 6 до 30 м, шаг колонн 6 и 12 м, высоту от 3 до 18 м.

Основу каркаса составляют поперечные одно- или многопролетные рамы. В продольном направлении рамы для обеспечения пространственной жесткости и устойчивости здания соединяют связями, к которым относятся подкрановые балки, подстропильные конструкции и металлические связи, устраиваемые в покрытии и между колоннами.

Поперечная рама каркаса образуется из колонн, защемленных в фундаментах, и стропильных конструкций в виде балок или ферм.

При наличии мостовых кранов колонны снабжаются консолями.

Пролеты в 6, 9, 12 и иногда 18 м при рулонных кровлях перекрываются двускатными балками и балками с параллельными поясами, таврового или двутаврового сечения. Шаг балок 6 и 12 м.

Пролеты величиной 18, 24, 30 м перекрываются фермами, масса которых значительно меньше массы балок. Шаг ферм 6 и 12 м. Применяются фермы: сегментные, арочные, полигональные и с параллельными поясами. Решетка ферм позволяет использовать плиты шириной 1,5 и 3 м.

В случае устройства каркаса с шагом крайних рядов колонн 6 м, а средних 12 м, необходимо применение подстропильных конструкций (балок, ферм), которые укладывают в продольном направлении на средние ряды колонн. При этом высота средних колонн снижается на высоту опорного столика подстропильной конструкции (700 мм)

Металлические каркасы

Их используют в одноэтажных промышленных зданиях с пролетами 30 м и более, высотой колонн более 18 м, при наличии мостовых кранов грузоподъемностью более 30 т.

Основу каркаса составляют поперечные рамы, состоящие из колонн, жестко защемленных в фундаменте и стропильных ферм.

Колонны могут быть постоянного сечения по высоте и ступенчатые двухветвевые.

Колонны постоянного сечения выполняют из прокатных сварных двутавров с консолями для опирания подкрановых балок. Их устанавливают в бескрановых зданиях, зданиях высотой до 9,6 м с мостовыми кранами грузоподъемностью до 20 т.

Ступенчатые двухветвевые предназначены для зданий высотой до 18 м, с крановым оборудованием до 125 т. Надкрановая часть колонны выполняется из двутавра, подкрановая состоит из двух ветвей, соединенных решеткой.

Нижняя часть колонн завершается «башмаком» - расширением, состоящим из вертикальных ребер и опорной плиты.

Для устройства плоских покрытий используют фермы с параллельными поясами с шагом 6 и 12 м, для устройства скатного покрытия – треугольные фермы с шагом 6 м. элементы ферм изготовляют из уголков или тавров, соединяемых в узлах электросваркой.

Для обеспечения пространственной жесткости и устойчивости устраивают две группы связей:

1- устанавливается по колоннам (при отсутствии подстропильных конструкций в три яруса: от пола до подкрановой балки, от подкрановой балки до низа ферм, в пределах высоты ферм; с подстропильными конструкциями – в два яруса);

2- по покрытию (горизонтальные связи – по верхним и нижним поясам ферм, и вертикальные – между торцами ферм).

 

Деревянные каркасы

Их применяют в большепролетных общественных зданиях (спортивные залы, выставочные павильоны), одноэтажных производственных и сельскохозяйственных.

Конструкции каркасов выполняют преимущественно из древесины хвойных пород (сосна, ель). Конструкции могут изготовляться целиком из деревянных элементов или в сочетании с металлом; быть составными из нескольких соединенных между собой досок, бревен, брусьев; могут быть склеенными из нескольких досок или листов фанеры. Клееные конструкции заводского изготовления имеют более высокое качество, устойчивы к загниванию.

Конструкции могут быть сплошными – балки, рамы, арки; и сквозными – фермы, а также рамы и арки, образованные из ферм.

В современном строительстве монтируются стоечно-балочные, рамные и арочные деревянные каркасы.

Стоечно-балочные каркасы проектируют для производственных зданий. Пролеты от 6 до 18 м перекрываются балками; от 12 до 30 м – фермами.

Рамные каркасы проектируют для общественных и производственных однопролетных зданий с пролетами от12 до 24 м. несущие рамы могут быть образованны из прямолинейных элементов (ригеля и стойки), соединенных нагелями или с использованием зубчатого шипа; могут использоваться гнутоклееные рамы.

Арочные каркасы проектируют для общественных и производственных однопролетных зданий с пролетами до 60 м и более. Стрелу подъема арок принимают не менее 1/6 пролета, а высоту сечения арки 1/30 пролета. Арки выполняют составными из двух полуарок.

Пространственная жесткость покрытия с применением балок или ферм обеспечивается устройством деревянных связей с раскосной решеткой в плоскости верхних поясов ферм или в плоскости скатов крыш, а при необходимости дополняется устройством крестовых связей в плоскости нижних поясов ферм. Образованные таким образом пространственные жесткие блоки размещают в покрытии у торцов здания и по его длине на расстоянии не более 30 м. вертикальные крестовые связи, между стойками каркаса размещают в торцах и через 20-25 м по длине здания, в каждом ряду колонн.

Фундаменты

Фундаменты – подземная опорная часть здания или сооружения, через которую нагрузка от наземной части здания или сооружения передается на грунт – основание.

Основанием называетсямассив грунта, расположенный под фундаментом и воспринимающий нагрузку от здания. Основания бывают: естественные и искусственные.

Естественным основанием называетсягрунт, залегающий под фундаментом и способный в своем природном состоянии выдержать нагрузку от возведенного здания.

Искусственным основанием называютискусственно уплотненный или упрочненный грунт, который в природном состоянии не обладает достаточной несущей способностью по глубине заложения фундамента (песчаные подушки, сваи, уплотнение грунтов тромбованием, цементацией, силикатизацией и т.д.).

Фундаменты должны удовлетворять требованиям прочности, устойчивости, долговечности, технологичности устройства и экономичности.

По конструктивной схеме фундаменты могут быть:

1. Ленточные, располагаемые по всей длине стен или в виде сплошной ленты под рядами колонн. По способу устройства могут быть монолитные (бутовые, бутобетонные, бетонные, железобетонные) и сборные, состоящие из фундаментных блоков-подушек и стеновых фундаментных блоков.

2. Столбчатые, устраиваемые под отдельно стоящие опоры (колонны, столбы), а в ряде случаев и под стены (бутовые, бутобетонные, бетонные, железобетонные).

3. Сплошные, представляющие собой монолитную плиту под всей площадью здания или его частью и применяемые при особо больших нагрузках на стены или отдельные опоры, а также недостаточно прочных грунтах в основании.

4. Свайные в виде отдельных погруженных в грунт стержней с целью передачи через них на основание нагрузок от здания.

По характеру работы под действием нагрузки фундаменты различают:

- жесткие, материал которых работает преимущественно на сжатие и в которых не возникают деформации изгиба (кладка из природного камня неправильной формы, бутобетон, бетон);

- гибкие, работающие преимущественно на изгиб (железобетон).