2. Основы конструирования зданий Конструктивной структурой

здания называют совокупность взаимо­связанных конструктивных элемен­тов — фундаментов, стен, перекрытий, крыши и др., выполняющих в здании различные функции.

Конструкции здания выполняют два основных назначения — воспринимать без разрушения и заметных деформа­ций все приходящиеся на здание на­грузки (вес собственных конструкций, оборудования, людей) и воздействия (ветер, сейсмические колебания и пр.) и защищать помещения от холода, жары, осадков, шума и других небла­гоприятных несиловых воздействий. Таким образом, конструкции зданий выполняют несущие и ограждающие функции. При этом возможно как со­вмещенное выполнение одной конст­рукцией обеих функций, так и их расчленение на несущие и ограждаю­щие.

Конструктивные структуры зданий а—с несущими стенами; б—с несущим каркасом;

1-фундамент; 2 — наружная несущая стена; 3— внутренняя стена; 4—перекрытие цокольное; 5-то же, междуэтажное; 6-то же, чердачное; 7 - стропила: 8-крыша; 9-слуховое окно; 10-стойка каркаса; 11-ригель; 12- наружная стена; 13-цоколь; 14—перегородки

Стены по их расположению в плане здания и статической функции делят на наружные и внутренние, несущие и ненесущие. Наружные стены являются так же внешними ограждающими кон­струкциями, которые защищают поме­щение от неблагоприятных воздействий внешней среды: холода, снега и др. Внутренние стены — ограждающие конструкции, защищающие помещения в первую очередь от звуковой энергии, проникающей из смежных помещений (звукоизоляция) Несущие стены вос­принимают вертикальные и горизон­тальные нагрузки и передают их на фундамент, ненесущие — передают свой вес поэтажно на внутренние не­сущие конструкции зданий. Конструк­ция стены может совмещать несущие и ограждающие функции

Перегородки делят внутреннее пространство здания, не имеют фундаментов и устанавлива­ются непосредственно на горизонталь­ные конструкции.

Каркас — несущая конструкция, которая состоит из вертикальных (стойки или колонны) и горизонталь­ных (ригели) стержневых элементов, при необходимости дополняемая специальными связевыми элементами.

Усилия от внешних нагрузок и воз­действий концентрируются в стойках и передаются затем основанию через фундаменты колонн. Каркас применя­ется вместо несущих стен или в сочета­нии с ними. К применению каркаса прибегают при необходимости раскры­тия большого внутреннего пространст­ва или его многократной трансформа­ции с помощью ненесуших перегоро­док.

Перекрытия — горизонтальные не­сущие и ограждающие конструкции. Они воспринимают вертикальные и го­ризонтальные постоянные и временные нагрузки и воздействия и передают их на несущие стены или каркас. Перекрытия разделяют внутреннее пространство здания по горизонтали, В зависимости от их расположения различают перекрытия: междуэтаж­ные — между двумя смежными по вы­соте этажами, чердачные - между верхним этажом и чердачным прост­ранством, цокольные — между первым этажом и подвалом или техническим. подпольем, перекрытия над проезда­ми — между этажом и пространством проезда под зданием.

Ограждающие функции перекрытий определяются их расположением в зда­нии. Междуэтажные перекрытия — внутренние ограждающие конструкции: их основная ограждающая функция — звукоизоляция. Перекрытия чердач­ные, перекрытия над проездами и под­польями являются наружными ограж­дающими конструкциями. Их основ­ная ограждающая функция — тепло­изоляция ограждаемых помещений. Крыша — наружная несущая и ог­раждающая конструкция здания, ко­торая воспринимает вертикальные (в том числе снеговые) и горизонталь­ные нагрузки и воздействия. Основ­ная ограждающая функция крыши — гидроизоляция внутреннего простран­ства от атмосферных осадков. Плос­кости крыши называются скатами, они располагаются под углом (уклоном) к горизонту для стока дождевых и талых вод. Уклон крыши и ее наиме­нование (черепичная, шиферная и т. п.) зависят от примененного кровельного материала и водонепроницаемости его сопряжений. Максимальный уклон тре­буется для крыш из черепицы (кру­тые крыши), минимальный — для по­крытий многослойным рулонным ков­ром (плоские крыши). Скаты крыши опирают на стержневые (чаще всего деревянные) несущие конструкции — стропила и поддерживающие их стойки и подкосы, расположенные в чердач­ном пространстве. Для освещения и вентиляции чердака устраиваются слу­ховые окна. Несущие конструкции плоских крыш — железобетонные кро­вельные панели и поддерживающие их вертикальные конструкции (стены или каркас), расположенные в чердачном пространстве, которое называют тех­ническим этажом, если в нем распо­лагают элементы сети инженерного оборудования здания.

Иногда здания рассекают на отдель­ные отсеки деформационными швами. Соответственно воздействиям, устране­нию или уменьшению которых он способствует, деформационный шов называется температурно-усадочным, осадочным, антисейсмическим и др.

Температурно-усадочные швы уст­раивают во избежание образования в наружных стенах здания трещин и перекосов, вызываемых концентрацией усилий от воздействия переменных температур и усадки материала (ка­менной кладки, монолитных или сбор­ных бетонных конструкций и др.). Температурно-усадочные швы рассека­ют конструкции только наземной части здания. Расстояния между температурно-усадочными швами назначают в со­ответствии с климатическими условия­ми и физико-механическими свойства­ми стеновых материалов. Для наруж­ных стен из глиняного кирпича на раст­воре марки М50 и более расстояния между температурно-усадочными шва­ми принимают от 40 до 100 м, для наружных стен из бетонных панелей от 75 до 150 м. При этом наименьшие расстояния назначают в наиболее суро­вых климатических условиях. Наимень­шая ширина шва 20 мм. Швы необхо­димо защищать от продувания, промер­зания и сквозных протечек с помощью металлических компенсаторов, герме­тизации, утепляющих вкладышей.

Осадочные швы предусматривают в местах резких перепадов высоты зда­ния, а также при значительной не­равномерности деформаций основания по длине здания, вызванной особен­ностями геологического строения осно­вания. Осадочные швы разрезают зда­ние на всю высоту — от конька крыши до подошвы фундамента. Такие швы в бескаркасных зданиях ограждают пар­ными поперечными стенами, в каркас­ных — парными рамами. Номинальная ширина осадочных швов 20 мм.

Антисейсмические швы расчленяют здание на отсеки элементарной пря­моугольной формы (при сложной кон­фигурации плана) и по длине здания. Размер отсеков определяют в зависи­мости от назначения здания, его конст­рукций и интенсивности внешних воз­действий.

Выбор конструктивной системы при проектировании основан на объемно-планировочных, архитектурно-компо­зиционных и экономических требова­ниях, в соответствии с которыми опре­делились области рационального при­менения каждой из конструктивных систем.

Бескаркасная (стеновая) система— основа проектирования жилых домов различных этажности и назначения (квартирные дома? общежития, гости­ницы, пансионаты) и для разных инже­нерно-геологических условий. Выбор этой системы связан с относительной стабильностью объемно-планировоч­ных решений жилых зданий и ее техни­ко-экономическими преимуществами, благодаря чему расширяется примене­ние бескаркасной системы для массо­вых типов общественных зданий (детс­ких дошкольных учреждений, школ, поликлиник и др.).

Каркасная и каркасно-диафрагмовая системы преимущественно связевой или рамно-связевой расчетных схем — основа проектирования массовых и уникальных общественных зданий раз­личного назначения и этажности, не­смотря на то, что они несколько уступают бескаркасной по показателям

затрат труда, приведенных затрат и сроком возведения. Предпочтение, оказываемое каркасным системам» свя­зано с функциональными требования­ми к гибкости объемно-планировочных решений общественных зданий и необ­ходимости их неоднократных перепла­нировок в процессе эксплуатации. В свете этих требований компоновочные преимущества каркасных систем перед бескаркасными безусловны.

Объемно-блочные системы (основ­ная и комбинированная со стеновой) применяются в проектировании жилых зданий различных типов высотой до 16 этажей. Их главное экономичес­кое преимущество — сокращение зат­рат труда на постройке.

Ствольная система (основная и комбинированные) обеспечивает свобо­ду планировочных решений, поскольку пространство между стволом и наруж­ными ограждающими конструкциями свободно от промежуточных опор. Это позволяет использовать ее в проекти­ровании многоэтажных (более 20 эта­жей) жилых и общественных зданий, преимущественно для зданий башенно­го типа с компактной (квадратной, прямоугольной, круглой или др.) фор­мой плана. Возможно применение системы и для протяженных зданий, но в этих случаях конструктивная система компонуется из нескольких стволов ли­бо их комбинации с плоскими диаф­рагмами или рамами.

Варианты ствольной системы раз­личают по решению связей перекры­тий со стволом жесткости. Их осу­ществляют подвеской перекрытий на гибких тросах или жестких подвесках (подвесная система); с поэтажным опиранием перекрытий на защемлен­ные в стволе консольные балки (кон­сольная система); с опиранием и под­веской на один (или несколько) жест­ких консольных ростверков, восприни­мающих нагрузки от несущих и ограж­дающих конструкций нескольких эта­жей здания, расположенных выше, ни­же или выше и ниже ростверка Оболочковая система (основная и комбинированные) присуща уникаль­ным высотным (более 40 этажей) зда­ниям, поскольку обеспечивает сущест­венное увеличение жесткости сооруже­ния. Система как основная, так и ком­бинированная с каркасом или диаф­рагмами обеспечивает свободу плани­ровочных решений, что позволяет при­менять ее для общественных и жилых зданий. Однако чаще всего такие зда­ния проектируют многофункциональ­ными.

Оболочковая конструкция может совмещать несущие и ограждающие функции или дополняться наружными ограждающими конструкциями. В пер­вом случае она представляет собой монолитную или сборно-монолитную легкобетонную замкнутую оболочку с регулярно расположенными проемами либо решетку, во втором случае — раскосную или безраскосную стальную многоярусную пространственную фер­му и др.

Фундаменты — часть здания, расположенная ниже отметки дневной поверхности грунта. Их назначение — передать все нагрузки от здания на грунт основания. В случаях когда под зданием устраивают подвалы, фунда­менты выполняют роль ограждающих конструкций подвальных помещений. Долговечность, надежность, прочность и устойчивость здания во многом зави­сят от качества фундаментов. По конструктивной схеме различа­ют фундаменты ленточные, отдельно стоящие, сплошные и свайные.

Ленточные фундаменты устраивают под все капиталь­ные стены, а в некоторых случаях и под колонны. Они представляют собой заглубленные в грунт ленты — стенки из бутовой кладки, бутобетона, бетона или железобетона.

Отдельно стоящие фундаменты представляют собой от­дельные плиты с установленными на них подколенниками или башмаками колонн. Их устраивают для каркасных зданий. Разновидность отдельно стоя­щих фундаментов — столбчатые, кото­рые проектируют для малоэтажных зданий при малых нагрузках и проч­ных основаниях, когда ленточные фун­даменты нерациональны.

Сплошные фундаменты могут быть плитные и короб­чатые, в один или несколько этажей. Сплошные фундаменты применяют для зданий с большими нагрузками или при слабых и неоднородных основаниях.

Свайные фундаменты применяют на слабых сжимаемых грун­тах, при глубоком залегании прочных материковых пород, больших нагруз­ках и др. В последнее время свайные фундаменты широко распространены для обычных оснований, так как их ис­пользование дает значительную эконо­мию объемов земляных работ и зат­рат бетона.

Выбор того или иного типа фунда­ментов зависит от применяемого мате­риала, конструктивного решения зда­ния, характера и величины нагрузок, вида основания, местных условий.

По методу возведения фундаменты могут быть индустриальные и неин­дустриальные. В массовом строительст­ве используют индустриальные фунда­менты — бетонные и железобетонные сборные, позволяющие ведение работ без ограничения сезона и сокращающие трудозатраты на строительной площад­ке.

Минимальную глубину заложения фундаментов для отапливаемых зданий обычно принимают под наружные сте­ны — 0,7 м, под внутренние — 0,5 м.

СНиП определяет порядок назна­чения глубины заложения фундамен­тов отапливаемых зданий по условиям недопущения возникновения сил мо­розного пучения грунтов под подош­вой фундаментов в зависимости от вида грунтов и соотношения уровней грунто­вых вод и глубины промерзания. При скальных, крупнообломочных грунтах, песках гравелистых крупных и сред­ней крупности глубина заложения фун­даментов не зависит от расчетной глубины промерзания.

Ширину подошвы ленточных фун­даментов определяют исходя из вели­чин нагрузок и расчетных сопротив­лений грунтов основания. Необходимо следить, чтобы равнодействующая всех нагрузок от здания проходила в сред­ней трети ширины подошвы фундамен­та, т. е. /<1/3 (см. рис. 12.5). Этим самым исключается появление в фунда­менте растягивающих усилий.

В зависимости от величины и направления расчетных нагрузок лен­точные фундаменты могут быть сим­метричными или несимметричными.

Переход от ширины обреза к ши­рине подошвы фундамента при значи­тельной разнице их величин обычно выполняют уступами. Размеры уступов должны быть такими, чтобы в теле фундамента не появлялись растягиваю­щие усилия.