Текст книги "Проектирование гражданских зданий"

Глава 6 Конструктивные системы зданий

Конструктивная система представляет собой совокупность взаимосвязанных конструктивных элементов многоэтажных зданий, обеспечивающих их прочность, устойчивость и необходимый уровень эксплуатационных качеств. В конструктивной системе совмещаются несущие конструкции, воспринимающие силовые воздействия и выполняющие функции защиты внутреннего пространства зданий от несиловых воздействий. Несущие конструкции состоят из вертикальных и горизонтальных элементов.

Вертикальные несущие конструкции воспринимают все вертикальные нагрузки и передают их основанию. Горизонтальные конструкции (покрытия и перекрытия) играют в зданиях роль горизонтальных диафрагм жесткости, воспринимающих поэтажно горизонтальные нагрузки и воздействия (ветровые, сейсмические).

Передача горизонтальных нагрузок на вертикальные несущие конструкции решается в проектировании двояко: с распределением их либо на все вертикальные конструкции, либо на отдельные специальные вертикальные конструкции жесткости (диафрагмы жесткости, связи или стволы жесткости). Возможно промежуточное решение с распределением в различных пропорциях горизонтальных нагрузок между элементами жесткости и конструкциями, работающими преимущественно на восприятие вертикальных нагрузок.

Наиболее широко применяются следующие конструктивные системы: каркасная, бескаркасная (стеновая), оболочковая и ствольная.

I – стеновая; II – каркасная; III – ствольная; IV – оболочковая; V – объемноблочная; 1 – несущая конструкция; 2 – ненесущая конструкция; 3 – несущий объемный блок.

Рисунок 6.1 – Основные конструктивные системы гражданских зданий

Выбор типа вертикальных несущих конструкций и характера распределения горизонтальных нагрузок и воздействий между ними является одним из основных вопросов при компоновке конструктивных систем. Он также оказывает влияние на планировочное решение, архитектурную композицию и экономичность проекта.

Помимо основных типообразующих признаков конструктивной системы, которыми являются вертикальные несущие элементы, существуют дополнительные классификационные признаки внутри каждой из конструктивных систем. Ими служат признаки размещения вертикальных несущих конструкций в здании и расстояния между ними. Так, например, в зависимости от расположения несущих стен в бескаркасном здании различают перекрестно-стеновой и продольно-стеновой варианты конструктивной системы (рисунок 6.2).

1. Схема с перекрестным расположением внутренних стен при малом шаге поперечных стен. Ей присущи малые размеры (до 20 м²) конструктивно-планировочных ячеек, что исключает свободу планировочных решений.

2. Схема с чередующимися размерами (большим и малым) шага поперечных несущих стен и отдельными продольными стенами жесткости. Эту схему принято называть схемой со смешанным шагом. Эта схема в некоторой мере позволяет исключать планировочные недостатки предыдущей схемы.

3. Схема с редко расположенными поперечными несущими стенами и отдельными продольными стенами жесткости (с большим шагом поперечных стен). Она позволяет сокращать номенклатуру сборных изделий. Обладает также преимуществом в построении планировочного пространства.

4. Схема с продольными наружными и внутренними несущими стенами и редко расположенными поперечными стенами – диафрагмами жесткости.

I – перекрестно-стеновая с малым шагом; II – поперечно-стеновая со смешанным шагом; III – поперечно-стеновая с большим шагом; IV – продольностеновая.

Рисунок 6.2 – Варианты бескаркасной конструктивной системы

Глава 7 Строительные системы зданий

Понятие – строительная система – является комплексной характеристикой конструктивного решения здания по признакам материала и технологии возведения его несущих конструкций. Различают четыре группы конструкционных материалов – камень (включая кирпич), бетон, металл и дерево и два основных технологических метода возведения – традиционный и индустриальный. Например, для кирпичных зданий традиционна технология ручной кладки несущих стен, а для деревянных – применение рубленых бревенчатых стен. Наиболее распространенным является использование одной строительной системы при возведении здания. Такие строительные системы называют основными. Схема их классификации дана на рисунке 7.1.

Рисунок 7.1 – Классификация основных строительных систем

Здания имеют следующие строительные системы:

Система с несущими стенами из кирпича и керамических блоков. Она основана на возведении стен в технике ручной кладки и применяется для зданий различной этажности в пределах до 16 этажей.

Крупноблочная строительная система. Применяется в строительстве зданий высотой до 16 этажей. Установка крупных блоков осуществляется по основному принципу возведения каменных стен – горизонтальными рядами на растворе с взаимной перевязкой блоков.

Панельная система. Применяется для строительства зданий высотой до 30 этажей в обычных условиях и до 12 этажей в сейсмических условиях. Панели несущих стен выполняются высотой в этаж и протяженностью на 1 – 2 конструктивно-планировочных шага при массе элементов до 8 – 10 тонн.

Каркасно-панельная система с несущим железобетонным каркасом и наружными стенами из легкобетонных панелей. Применяется для строительства зданий высотой до 30 этажей.

Объемно-блочная система. Предусматривает строительство зданий из крупных объёмно-пространственных железобетонных блоков, содержащих в себе жилую комнату или другой фрагмент здания.

Монолитная и сборно-монолитная система. Применяется для возведения многоэтажных зданий с несущими железобетонными стенами в инвентарной металлической опалубке. Она по жесткости превосходит панельные и кирпичные и поэтому целесообразна при многоэтажном строительстве в сейсмических районах.

Раздел 2 Основные конструктивные элементы гражданских зданий

Глава 8 Основания и фундаменты

Фундаменты вместе с грунтовым основанием в значительной мере оказывают влияние на прочность и устойчивость здания.

Толщину грунта, залегающую под фундаментом и воспринимающую нагрузку от здания, называют естественным основанием. Если природный массив грунта не способен воспринимать нагрузки от возводимого здания и требует работ по его усилению, то такое основание называют искусственным.

При возведении зданий на естественном основании грунты, залегающие в толще этого основания, должны иметь небольшую и равномерную сжимаемость. Это обусловлено тем, что в естественном состоянии между частицами грунта имеются неплотности (зазоры), уменьшающиеся под воздействием нагрузки. Уплотнение грунтов под нагрузкой вызывает равномерную осадку здания, не представляющую для него опасности. Однако значительная и неравномерная сжимаемость грунтов может вызвать повреждение и даже разрушение здания;

– грунты должны иметь достаточную несущую способность. Их физикомеханические свойства определяют при инженерно-геологическом исследовании площадки строительства;

– грунты не должны иметь пучинистых свойств. Известно, что при замерзании грунты увеличиваются в объёме, а при оттаивании уменьшаются. Это приводит к неравномерной осадке здания и появлению в нём деформационных трещин;

– грунты должны противостоять воздействию грунтовых вод, которые растворяя некоторые породы, выносят из их толщи мельчайшие частицы. В результате появляется пористость основания, которая снижает его несущую способность.

При возведении зданий наибольшую опасность представляет деформация основания. Коренное изменение структуры залегающих грунтов под воздействием нагрузки от здания, называют их просадкой. Просадка возможна и при недостаточной толщине плотных грунтов, т.е. если ниже залегает массив рыхлых грунтов.

При наклонном залегании грунтов на косогорах под действием нагрузок от здания возможен оползень, т.е. сползание залегающего массива основания.

Краткая характеристика грунтов основания

В качестве оснований могут быть использованы различные грунты:

– скальные – в виде сплошного или трещиноватого массива из кварцитов, известняков, песчаников и других каменных пород. Такие грунты практически несжимаемы, не подвержены пучению, водоустойчивы и являются идеальным основанием;

– крупнообломочные – в виде слоёв крупного камня (валунов), гальки. Эти грунты малосжимаемы, непучинисты, водоустойчивы и представляют собой хорошее основание;

– песчаные, в зависимости от размера частиц подразделяются на пески гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые. Гравелистые, крупные и средней крупности пески под нагрузкой быстро уплотняются, при замерзании не вспучиваются и являются прочным и надёжным основанием. Мелкие и пылеватые пески при увлажнении и последующем замерзании становятся пучинистыми. Несущая способность их при увлажнении уменьшается. Пылеватые пески в водонасыщенном состоянии становятся неспособными воспринимать нагрузки;

– глинистые, в сухом или маловлажном состоянии способные воспринимать значительные нагрузки. Однако при увлажнении их несущая способность снижается. Такие грунты отличаются длительной осадкой под нагрузкой и вспучиванием при замерзании;

– лессовидные в естественном состоянии имеют поры в виде вертикальных трубочек, различаемых невооружённых глазом. Такие грунты в сухом состоянии обладают достаточной несущей способностью. Однако при увлажнении структура лессовидных грунтов разрушается, и под действием нагрузки образуются просадки. При использовании таких грунтов в качестве оснований требуются специальные меры по укреплению и защите от увлажнения;

– насыпные, образованные при засыпке оврагов, прудов и других мест. Такие грунты неоднородны по структуре, их несущая способность зависит от того, когда сделана насыпь. Для использования таких грунтов в качестве оснований необходимы исследования их несущей способности.

Заглубленный ниже поверхности грунта конструктивный элемент, воспринимающий нагрузки на здание и передающий их от здания основанию, называют фундаментом.

Расстояние от спланированной поверхности грунта до подошвы фундамента (подошва фундамента) называют глубиной заложения.

Назначение здания, наличие в нём подвала, глубина промерзания, уровень грунтовых вод – всё это влияет на глубину заложения фундамента.

Фундаменты классифицируют по конструктивным схемам, материалу, характеру работы и глубине заложения.

По конструктивным схемам: ленточные, располагаемые непрерывной лентой под несущими стенами здания; столбчатые, в виде отдельных опор под колоннами каркасных зданий; сплошные, в форме массивной плиты под зданием; свайные, в виде железобетонных или других стержней, забитых в грунт;

по материалу: из природного камня, бутобетона, бетонные и железобетонные;

по характеру работы: жёсткие, работающие только на сжатие, и гибкие, работающие на сжатие и изгиб;

по глубине заложения: фундаменты мелкого заложения (до 5 м) и глубокого (более 5 м).

Разнообразные конструкции фундаментов гражданских зданий должны удовлетворять требованиям прочности, водостойкости, долговечности, а также быть индустриальными и экономичными.

Ленточные фундаменты

Ленточные фундаменты устраивают под несущими стенами бескаркасных зданий. В малоэтажных зданиях такие фундаменты выполняют:

– из бутового камня (постелистой или рваной формы); их укладывают на цементном растворе с перевязкой (несовпадением вертикальных швов). Переход от широкой части фундамента к узкой выполняют уступами шириной 150-250 мм и высотой не менее двух рядов кладки. Наименьшая ширина фундаментов – 500 мм – принята по условиям перевязки швов. Фундаменты из бутового камня требуют значительных затрат ручного труда, однако там, где природный камень является местным материалом, их возведение экономически целесообразно;

– бутобетонные изготовляют из бутового камня, втопленного в бетонную смесь. Такие фундаменты возводят также в малоэтажных зданиях,причём в щитовой опалубке или в траншеях(при плотных грунтах). Уширение фундаментов ведут уступами шириной 150-250 мм и высотой 300 мм. Наименьшая ширина бутобетонных фундаментов 350 мм. По сравнению с фундаментами из бутового камня они менее трудоёмки, но отличаются повышенным расходом цемента;

– бетонные выполняют в опалубке из монолитного бетона классов прочности на сжатие В 7,5 – В 30. Устройство таких фундаментов требует повышенного расхода цемента.

Большинство бескаркасных зданий возводят на блочных фундаментах. Их монтируют из плит прямоугольного или трапециевидного сечения, укладываемых на выровненное основание или на песчаную подготовку. Поверх фундаментных плит по слою раствора устанавливают стеновые блоки. Ряды стеновых блоков укладывают, соблюдая перевязку швов. Продольные и поперечные стены ленточных фундаментов в местах сопряжения должны иметь перевязку.

Блочные прерывистые фундаменты монтируют из плит, укладываемых с разрывом от 0.2 до 0,9 м. Это сокращает расход материала, уменьшает затраты труда; в итоге полнее используется несущая способность основания.

а – сборный; б – то же, прерывистый; в – монолитный (бутобетонный); г -бутовый; 1 – фундаментные подушки; 2 – бетонные блоки; 3 – отмостка; 4 -гидроизоляция; 5-кирпичная облицовка в ½ кирпича.

Рисунок 8.1 – Конструкции ленточных фундаментов

а, б, в – блок-подушки массового строительства; г – блок-подушка с предварительно напряженной арматурой; д – то же, с облегченными консолями; е – то же, с горизонтальными пустотами.

Рисунок 8.2 – Типы сборных подушек

Столбчатые и сплошные фундаменты

Каркасные здания возводят на столбчатых фундаментах. В состав фундаментов входят: плитная часть из одной или нескольких ступеней; подколонник с углублением («стаканом») для установки колонны.

По конструктивному решению столбчатые фундаменты могут быть монолитными, возводимыми на месте строительства в опалубке, в которую укладывают бетонную смесь; сборными, изготовленными на предприятиях строительной индустрии. Под кирпичные столбы фундаменты выполняют из железобетонных плит, уложенных одна на другую, или в виде ступенчатых опор из природного камня.

Столбчатые фундаменты под несущими стенами здания устанавливают в углах, в местах примыкания и пересечения стен, а на протяжённых участках через 3 – 6 м. Поверх опор столбчатых фундаментов укладывают железобетонные балки, передающие нагрузки от стен на фундаменты. Для предупреждения деформаций от осадки и пучения основания под фундаментными балками устраивают утепляющую «подушку» из шлака или песка.

Сплошной фундамент в виде монолитной железобетонной плиты устраивают под всей площадью здания. Такие фундаменты возводятся при значительных нагрузках или при слабых и неоднородных грунтах основания. Сплошные фундаменты обеспечивают равномерную осадку здания и защищают подвальные помещения от подпора грунтовых вод.

а – под каменные колонны; б – под сборные колонны; в – фундамент стаканного типа; 1 – блок-подушка; 2 – колонны; 3 – цокольная панель; 4 -отмостка; 5 – песчаная подсыпка; 6-заливка цементным раствором; 7 – подколонник.

Рисунок 8.3 – Сборные столбчатые фундаменты многоэтажных зданий

Свайные фундаменты, их классификация

Стержни из бетона, железобетона и других материалов в толще грунтового основания, воспринимающие нагрузку от здания называют свайным фундаментом. Такие фундаменты (рисунок 8.4) состоят из погруженных в грунт свай, объединённых поверху балкой ростверка. Конструкции свайных фундаментов классифицируют:

– по характеру работы на сваи-стойки (рисунок 8.4, а), передающие нагрузку от здания на нижележащий массив плотных грунтов, и висячие сваи (рисунок 8.4, б), уплотняющие толщу основания, на которое передаётся нагрузка от здания;

– по роду материала на железобетонные, бетонные, деревянные (из брёвен хвойных пород) и металлические (стальные);

– по конструктивным решениям; по этому признаку могут быть: из забивных свай, изготовленных на предприятиях стройиндустрии и на строительной площадке, погружаемых в грунт с помощью механизмов; из набивных свай, выполняемых на месте строительства путём бурения скважин и последующего заполнения их бетоном;

– по глубине заложения: короткие сваи (3 – 6 м) и длинные (более 6 м).

Свайные фундаменты применяются при строительстве в сложных геологических условиях и при возведении бесподвальных зданий. Такие фундаменты даже на естественном основании по стоимости, затратам труда и расходу материала эффективнее ленточных фундаментов.

а – на сваях-стойках; б – на висячих сваях; в – на монолитных набивных сваях; г – на железобетонных забивных сваях; д – узел колонны первого этажа и рандбалки; 1 – сваи; 2 – ростверк; 3 – насыпной грунт; 4 – торф; 5 – твердая глина; 6 – плывун; 7 – арматурный каркас; 8 – монолитный оголовок свай; 9 -камуфлетная пята; 10 – уплотненная грунтовая оболочка; 11 – цоколь; 12 -рандбалка; 13 – перекрытия; 14 – колонна; 15 – стена.

Рисунок 8.4 – Свайные фундаменты

Глава 9 Наружные стены и их элементы

Вертикальные конструктивные элементы здания, отделяющие помещения от внешней среды и друг от друга, называют стенами.

Их классифицируют по следующим признакам: по местоположению: наружные и внутренние; по статической работе: несущие, самонесущие, навесные; по конструкции: мелкоэлементные – из кирпича, керамического камня, мелких блоков и т.д.; крупноэлементные – из крупных панелей и блоков.

Стены здания должны быть прочными, устойчивыми и долговечными, удовлетворять требованиям тепло– и звукоизоляции, пожарной безопасности, индустриальности, экономичности и эстетичности.

Стены из керамического кирпича прочны и хорошо противодействуют атмосферным воздействиям. Толщина наружных стен устанавливается теплотехническими требованиями. Их выкладывают по однорядной и многорядной системам перевязки.

Стены из силикатного кирпича по конструкции аналогичны стенам из керамического кирпича, однако первые отличаются меньшей огнестойкостью, большей теплопроводностью и водопоглощением. Белый цвет и мелкозернистая фактура силикатного кирпича используются для декоративной отделки фасадных поверхностей стен.

Стены из утолщенного кирпича, керамического или силикатного перевязываются тычками через три-четыре ложковых ряда. Стены из пустотелого пористого кирпича имеют высокие теплозащитные качества. Однако из-за повышенной влагоёмкости их снаружи облицовывают полнотелым кирпичом. Прочность пустотелого кирпича несколько ниже полнотелого, в связи с чем область применения пустотелого для стен малоэтажных зданий или верхних этажей многоэтажных зданий ограничена.

Стены из керамических или силикатных камней выкладывают по однорядной системе перевязки. При этом большую часть пустот камней располагают вдоль стены, что улучшает теплозащитные качества ограждения. Наружные швы таких стен тщательно заполняют раствором и расшивают.

Стены, в которых часть кладки заменена утепляющим материалом или воздушной прослойкой, называют облегчёнными. Такие стены экономичны по стоимости и расходу материала. В строительстве получили распространение следующие виды кладок: кладка с трёхрядными диафрагмами; колодцевая кладка; анкерная кирпично-бетонная кладка; кладка с воздушной прослойкой; кладка с утепляющей прослойкой.

Кладка с утепляющей прослойкой. Воздушный зазор внутри стены по ходу кладки заполняют теплоизоляционным материалом (минераловатные плиты, фенольный пенопласт, пенополистирол самозатухающий и др.). Через каждые пять рядов по высоте прослойку утеплителя разделяют тычковые ряды кирпича. Предельная высота кладки – пять этажей.

Различают следующие архитектурно-конструктивные элементы стен:

Цоколь – нижняя часть стены, расположенная непосредственно над фундаментом.

Карниз – горизонтальный выступ стены за её поверхность. Иногда устраивают отдельные карнизы над проёмами (окон или дверей), называемые сандриками.

Парапет – невысокая стенка, ограждающая крышу. Проемы – отверстия в стенах для окон и дверей.

Перемычки – конструкции, перекрывающие проём сверху.

Простенки – участки стены, расположенные между проёмами.

Раскреповка – утолщение части стены, образующее вертикальный выступ.

Ниша – углубление в стене для приборов отопления или других целей.

Пилястры – вертикальные узкие выступы стен (для придания устойчивости стенам большой высоты и протяжённости).

Контрофорсы – вертикальные выступы стен с наклонной внешней гранью (для усиления стен против опрокидывания).

Фронтон – участок стены треугольной формы, ограждающей чердачное пространство. Если фронтон не имеет внизу карниза, его называют щипцом.

Температурные швы делают в стенах большой протяжённости во избежание образования трещин от изменения температуры. Швы представляют собой зазоры (шириной 30-50 мм), которые как бы разрезают стену от верха до фундамента. Швы заделывают конопаткой, паклей и раствором.

1 – парапет; 2 – главный венчающий карниз; 3 – четверти оконного проема; 4 – простенок; 5 – поясок; 6 – промежуточный карниз; 7 – сандрик; 8 – цоколь; 9 -горизонтальная гидроизоляция; 10 – пилястры; 11 – полуколонны; 12 – ниши; 13 – контрфорс.

Рисунок 9.1 – Элементы стен

а – стена системы Н.С Попова и Н.И. Орлянкина, б – то же, с растворными диафрагмами; в – стена с легкобетонным утеплителем; г – колодцевая стена системы Л.А. Серка и С.А.Власова; д – стена с внутренним слоем утеплителя; 1 – шлак; 2 – осадка шлака; 3 – растворная диафрагма; 4 – легкобетонный утеплитель; 5 – воздух; 6 – наружная штукатурка; 7 – минеральный войлок.

Рисунок 9.2 – Стены облегченной конструкции

а – из легкобетонных трехпустотных блоков; б – то же с теплоизоляционной засыпкой; в – сплошная кладка из щелевидных блоков; г – кладка с воздушной прослойкой; 1 – тычок; 2 – диафрагма; 3 – засыпка; 4 – наружная штукатурка; 5 – воздушная прослойка.

Рисунок 9.3 – Стены из мелких блоков

а – кирпичные карнизы; б – сборные железобетонные карнизы; 1 – сборные консольные плиты; 2 – прижимной уголок; 3 – штырь; 4 – анкер; 5 – стальной кронштейн; 6 – ограждение; 7 – кирпич или железобетонная плита; 8 —железобетонный брусок; 9 – кронштейн; 10 – противовес.

Рисунок 9.4 – Конструкции карнизов кирпичных зданий