Архитектурные конструкции. Часть 1,2. Казбек-Казиев З.А. 1989. Архитектурные конструкции. Часть 1. Казбек-Казиев З.А. 1989. Специальность "архитектура"
 Скачать 3.19 Mb.
|
|
Глава. Общие принципы проектирования несущих и ограждающих конструкций зданий. Общие принципы проектирования несущего остова и его элементов Важнейшее назначение несущего остова-—конструктивной основы здания — состоит в восприятии нагрузок, действующих на здание, «работе» на усилия от этих нагрузок с обеспечением конструкциям необходимых эксплуатационных качеств в течение всего срока их службы. Нагрузки делят на две группьы: по- постоянные и временные. Постоянные - это собственный вес всех без исключения элементов зданий и другие виды нагрузок. К временным относят полезные, те. функционально нёобходи- мые — нагрузки от периодически пребывающих в помещениях людей, стационарного или передвижного оборудования и т. p.j нагрузки, связаные с природными факторами района строительства (снеговые, ветровые, сейсмические температурные 'воздействия), и др. Временные нагрузки подразделяют на длительно действующие, кратковременные и особые при расчетах их учитывают в различных сочетаниях. По характеру действия нагрузки могут быть статическими (например, от собственной массы) или динамическими (порывы ветра, вибрации и др.). По месту приложения усилий различают нагрузки, сосредоточенные (вес оборудования) и равномерно распределенные (от снегового покрова и т. п.). По направлению нагрузки могут быть горизонтальными (ветровой напор, тормозные силы подвижного оборудования, сейсмические нагрузки) и вертикальными (вес). Нагрузки важно учитывать не только в расчетах, но и на всех стадиях проектирования в качестве количественных критериев оценки принимаемых решений. Дело в том, что в зависимости от условий, для одних и тех же видов нагрузок может быть значительной разница их нормированных (нормативных) значений. Так, величина равномерно распределенных полез Глава II. Общие принципы проектир. несущих и ограждающих конструкций зданий ных нагрузок на перекрытия жилых зданий может отличаться от тех жена- грузок производственных враз и более (1,5... 30 кН/м 2 ), что существенно при установлении параметров и типов перекрытий. Нормативные снеговые нагрузки в зависимости от района строительства разнятся враз кН/м 2 ). Поэтому для снежных районов существенна форма крыш например, при перепадах высот элементов зданий образуются заносы снега снеговые мешки (излишняя масса, трудности с уборкой и т. п. Значительна разница ив величине скоростных напоров ветра (0,27... 1,0 кН/м 2 ), особенно неблагоприятных в горных районах и на побережьях морей. Эти нормативные значения возрастают и по мере роста этажности зданий — до двух рази более поэтому по мере роста высоты здания становятся все более сложными инженерными соору- жениями. Типы несущих остовов. Горизонтальные несущие элементы перекрытий Рис. II.1. Виды вертикальных опор несущего остова: и — несущие стены 6 — колонны / — стена 2 плита перекрытия 3 — навесная стена 4 — колонна — ригель в — нагрузка на перекрытия 7 — давление ветра (покрытий) предназначены прежде всего для работы при действии на них разного рода вертикальных нагрузок, которые в виде опорных реакций передаются на вертикальные опоры. Кроме того, эти же перекрытия' являются горизонтальными диафрагмами, воспринимающими в своей плоскости изгибающие и сдвигающие усилия от горизонтальных нагрузок, обеспечивая геометрическую неизменяемость здания в каждом из горизонтальных уровней, совместную работу вертикальных опор при таких нагрузках, перераспределение усилий между ними и т. п. Вертикальные несущие конструкции воспринимают все виды воздействий и нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации здания, и через фундаменты передают их на грунт. Вертикальные опоры являются определяющим признаком для классификации несущих остовов по типам. Известны два типа вертикальных опор (рис. П стержневые — колонны или стойки каркаса плоскостные стены; (можно также отнести к несущим опорам объемные тела типа пилонов и т. п, те. такие элементы, у которых все три генеральных размера примерно одного порядка, но подобные опоры встречаются крайне редко). Так, стена независимо оттого, сложена ли она из бревен, выполнена ли из кирпича или из сборных панелей, всегда рассматривается как плоскостной элемент, один размер которого (толщина) значительно меньше других генеральных размеров. Исходя из такого определения различают два основных типа несущего остова зданий каркасный и стеновой (бескаркасный), "Третий — комбинированный или смешанный) — состоит из различных сочетании стержневых и плоскостных вертикальных элементов (стоек каркаса и стен. Необходимо отметить и существование таких несущих остовов, в которых вертикальные опоры вообще отсутствуют, а наклонная конструкция покрытия опирается непосредственно на фундамент (арки, треугольные рамы и т. п. Такие соо- Глава //. Общие принципы проектир. несущих и ограждающих конструкций зданий 25 Рис. II.2. Варианты бескаркасных конструктивных система — перекрестно-стеновой с малым шагом б — поперечно-стеновой со смешанным шагом в — по- перечно-стеновой с большим шагом стен г — продольно-стеновой (трехстенка); д — продольно-сте- новой (двухстенка); е — поперечно-стеновой с увеличенным шагом стен ружения, применяемые в строительстве складов, ангаров и т. п, называют шатровыми. Вся совокупность конструктивных элементов несущего остова многоэтажных зданий в каждом отдельном случае объединена между собой вполне определенным образом, образуя в пространстве единство закономерно расположенных- частей, те. систему, которую называют конструктивной. Так называют способ размещения несущих горизонтальных и вертикальных конструкций в пространстве, их взаимное расположение, способ передачи усилий и т. п. Виды конструктивных систем при стеновом несущем остове (рис. П. Системы с продольно расположенными несущими стенами или, как принято говорить, с продольными несущими стенами (расположены вдоль длинной, фасадной стороны здания и параллельно ей. Таких параллельно расположенных стен может быть две, три, четыре. Соответственно бытуют упрощенные названия таких стеновых остовов «двухстенка», «трехстенка» и т. п. 2. Системы с поперечно расположенными (с поперечными] несущими стенами. Разновидности с широким шагом (болеем узким шагом (4,2 ... 4,8 м со смешанными шагами. 3. Системы с перекрестным расположением несущих стен (перекрестно- стеновая система). При каркасном несущем остове. Определяющим признаком в этом случае является расположение ригелей каркаса. Ригелем называется стержневой горизонтальный элемент несущего остова (главная балка, ферма и т. п.), передающий нагрузки от перекрытий непосредственно настойки каркаса. Различают четыре типа конструктивных каркасных систем (рис. II.3): с поперечным расположением ригелей.; с продольным с перекрестным расположением ригелей; с безригельным каркасом, при котором ригели отсутствуют, а гладкие или кессонирован- ные плиты перекрытий (так называемые безбалочные) опираются или на капители колонн, или непосредственно на колонны. При комбинированном несущем остове (рис. II.4). Среди большого разнообразия сочетаний стержневых и Глава II. ббщие принципы проектир. несущих Ч ограждающих конструкций зданий. Рис. П.З. Конструктивные системы каркасных маний ас продольным расположением ригелей; б — с поперечным расположением ригелей; в — с перекрестным расположением риге- лей г — безригельнэя плоскостных вертикальных опор наиболее часто встречаются: Системы, в которых каркас расположен в пределах нижних 1 ... 3 этажей, а выше бескаркасный несущий остов. Расположение стен — по периферии, а стоек каркаса — внутри здания (неполный каркас. Системы со стеновым остовом — водном или вне- скольких центрально расположенных стволах, которые обстроены по периферии стойками каркаса в один или несколько рядов и т. д. Выбор конструктивных систем один из основных вопросов, решаемых при проектировании зданий. Для ориентации приводятся общие сведения о примерных областях применения несущих остовов и конструктивных схем. Стеновой (бескаркасный) несущий остов — самый распространенный в жилищном строительстве. Размеры жилых ячеек, необходимость членений стенами и перегородками е обеспечением звукоизоляции квартир и другие особенности обусловливают техническую целесообразность и экономическую оправданность применения бескаркасных зданий при строительстве жилища, а также тех гражданских зданий, в которых преобладает много- ячейковая планировочная структура (гостиницы, санатории, больницы и т. п.). Каркасный несущий остов применяется для зданий с большими, не разгороженными перегородками помещениями. Каркасный остов является основным для производственных зданий, независимо от их этажности для многих типов общественных зданий и сооружений. В жилищном строительстве объем применения каркасного остова ограничен. Рис. II.4. Конструктивные системы комбинированного остова: а — неполный каркас б с ядром жесткости в — с каркасным остовом впер- вы х этажах) и сост е - новым в вышележащих этажах И ) ; / — колонна несущая стена Глава II. Общие принципы проектир. несущих и ограждающих конструкций зданий Применяются большей частью системы с поперечным расположением ригелей. Расположение ригелей в двух направлениях характерно для многоэтажных каркасных зданий при строительстве в сейсмических районах. Без- ригельный каркас применяется обычно в многоэтажных зданиях производственного назначения со значительными нагрузками на перекрытия, в многоэтажных гражданских зданиях сори- гинальными компоновочными решениями планов и т. д. Комбинированный несущий остов чаще применяется при строительстве гражданских многоэтажных зданий в промышленном же строительстве значительно реже. Системы, в которых первые два-три этажа каркасные, а остальные бескаркасные, характерны для строительства многоэтажных жилых зданий на магистральных улицах, а также гостиниц, санаториев и т. п., т. е. зданий, в которых функционально используют первые этажи. Пространственная жесткость и устойчивость здания. Устойчивостью здания называют его способность противодействовать усилиям, стремящимся вывести здание из исходного состояния статического или динамического равновесия. Например, при действии ветра, равнодействующая сил должна находиться в пределах подошвы фундамента (рис. II.5). Пространственная жесткость несущего остова это ха- рактерТкгпГка системы, отражающая ее способность сопротивляться деформациям или, что тоже, способность сохранять геометрическую неизменяемость формы. В строительной механике сооружение называется геометрически изменяемым в пространстве, если оно теряет форму при действии нагрузки например, шарнирный четырехугольник (риса, к которому приложена небольшая горизонтальная сила и, наоборот, шарнирный треугольник (рис. б) - геометрически неизменяемая система. Превращение четырехугольника в геометрически неизменяемую систему можно осуществить двумя способами ввести один диаго- Рис. II.5. Схема устойчивой работы здания на ветровую нагрузку, ш — давление ветра Р — суммарная вертикальная нагрузка R — равнодействующая е — эксцентриситет iiнальный стержень (рис, вили заменить узел шарнирного соединения стержней на жесткий, 'неизменяемый, способный воспринимать узловые моменты (так называемы^ рамный, рис. П.б.г). Систему (схему, полученную первым способом, называю связевой по наименованию диагонального стержня, именуемого связью. Зторую — рам- ной. С помощью каждого из этих способов можно придать геометрическую неизменяемость любой, многопролет- ной системе, состоящей из ряда стоек, шарнирно связанных с ригелями и с «землей». При этом достаточно придать геометрическую , неизменяемость только одному из пролетов, чтобы система стала геометрически неизмеяяе- .") Рис. II.6. Геометрически изменяемые и неизменяемые стержневые системы: а — изменяемая б — неизменяемая в — превращение изменяемой в неизменяемуьр; г — рамные конструкции диагональный стержень Глава II. Общие принципы проектир. несущих и ограждающих конструкций зданий Рис. II.7. Образование геометрически неизменяемых система — подсоединение нового узла б — модель той же системы в — одноэтажная геометрически неизменяемая система г — тоже, многоэтажная 1 — диагональный стержень 2 — новый узе-ч мой. Для доказательства в один из пролетов вводится диагональный стержень (рис. Па. Полученный геометрически неизменяемый четырехугольник можно считать «землей», рассматривая ее как неподвижную опору для шарнирно опертых на нее двух стержней узла 2 рис. те. рассматривая полученное как вновь образованный треугольник новую неизменяемую систему. Подобные рассуждения можно повторить, поочередно присоединяя каждый новый узел с двумя стержнями (рис, в. Вывод доказано, что в много- пролетной системе достаточно установить связи водном из пролетов, чтобы система стала геометрически неизменяемой. Если рассмотреть многоэтажную систему (рис. II.7, г, то каждый нижележащий этаж со связями можно принять заземлю, а неизменяемость элементов следующего этажа достигается установкой связей водном из про- летов. Рассмотренные стержневые схемы моделируют (как это принято в строительной механике) или плоские каркасы, или проекции стен и перекрытий на плоскость чертежа. Соответственно приведенные доказательства относятся ко всем типам несущих остовов. Понятие же геометрическая неизменяемость тождественно понятию пространственная жесткость, принятому в строительной практике. Соответственно связи именуют связями жесткости. Этот термин получил различные толкования, которые необходимо ого- ворить. Так, помимо диагонального стержня геометрическая неизменяемость систем обеспечивается и другими способами введением диафрагмы жесткости, ядер жесткости и т. п. Например, если в шарнирный четырехугольник вставить без зазоров панель — диафрагму так, что она будет способна воспринимать сдвиговые усилия и моменты в своей плоскости, те. исполнять обязанности жесткого диска, то ее роль равносильна роли диагонального стержня диафрагму жесткости относят к варианту связей жесткости (рис. 11.8,6). Такой же эффект получается, если шарнирная система соединена с плоской стенкой пилоном и т. п. Они в данном случае исполняют обязанности связей жесткости или, что тоже, диафрагм, стенок, ядер жесткости. Нетрудно видеть, что в данном случае термин связи жесткости носит обобщенный характер. Вместе стем, когда говорят связи, тов первую очередь имеют ввиду стержневые или решетчатые рис. II.8, а). Таким образом, существуют два способа обеспечения жесткости плоских систем — по рамной и по связевой схемам. Комбинируя ими при расположении элементов несущего остова в обоих направлениях здания, можно получить три варианта пространственных конструктивных схем здания рамную, ра^но-связевую, связевую. В третьем направлении — горизонтальном перекрытия обычно рас^матри- ваются как жесткие диафрагмы. Все эти варианты встречаются при проектировании каркасного несущего остова (рис. II.9), Глава II. Общие принципы проектир. несущих и ограждающих конструкций зданий 29 Рамная схема представляет собой систему плоских рам (одно- и много- пролетных одно- и многоэтажных), расположенных в двух взаимно перпендикулярных (или под другим углом) направлениях — систему стоек и ригелей, соединенных жесткими узлами при их сопряжениях в любом из направлений. Рамно-связевая схема решается в виде системы плоских рам, шарнирно соединённых в другом направлении элементами междуэтажных перекрытий. Для обеспечения жесткости в этом направлении ставятся решетчатые связи или стенки (диафрагмы) жесткости. Плоские рамы удобнее устанавливать поперек здания. Связевая схема решения каркаса здания наиболее проста в осуществлении. Решетчатые связи, или диафрагмы жесткости, вставляемые между колоннами, устанавливаются через 24 ... 30 м, ноне болеем ив продольном, и в поперечном направлениях обычно эти места совпадают со стенами лестничных клеток. Рамная схема применяется сравнительно редко. Трудоемкость построечных работ по обеспечению жесткости узлов, повышенный расход стали и т. п. ограничивают их применение в Рис. II.8. Вертикальные элементы жесткости (связи): а — решетчатые связи 6 диафрагмы (панели жесткости s — стены жесткости (ядра); А—Г — схемы решеток А — треугольная Б крестовая В — полураскос- ная; Г — портальная / стоика — диагональный стержень; 3 — ригель (плита) перекрытия; 4 — панель жесткости (диафрагма 5 — стена жесткости 5 — стена, не обеспечивающая жесткости (узкая 7 — скалывающие усилия 8 ^ места сварки панелей жесткости с элементами каркаса Глава П. Общие принципы проектир. несущих и ограждающих конструкций зданий сейсмических районах, зданиях, в которых на большом протяжении (48... 54 мне допускается установка стен, перегородок и других преградит. п. Чаще, особенно в производственных зданиях, применяют рамно-связевую схему. Связевая схема оправдывает свое широкое применение большей простотой построечных работ, меньшими затратами труда и материалов и т. п. При стеновом несущем остове и при различных системах остовов с неполным каркасом обычно применяют свя- зевую схему при этом наружные или внутренние стены выполняют функции диафрагмы или ядер жесткости, т. е. не требуется установка дополнитель-/ Рис. Н.Э. Конструктивные схемы каркасов: а—- рамная б рамно-связевая; в — связевая; / — колонна 2 — ригель 3 — жесткий диск перекрытия 4 — диафрагма жесткости ных стен. На рис. П показана схема передачи усилий от ветровых нагрузок через перекрытия на такие стены. Выбор материалов несущего остова В предыдущем параграфе вопросы проектирования несущих конструкций рассматривались в «безматериальной форме. Инженерные же особенности зданий обязательно включают не только схемы решений несущего остова, но и материалы основных конструкций, технологию их изготовления, способы их возведения и т. п. Такую конкретную обобщенную характеристику инженерных лешений принято называть строительной системой здания. Примеры строительных здание сне- сущими стенами из крупных бетонных блоков каркасно-панельный дом из сборного железобетона здание с поперечными несущими стенами из кирпича и с навесными панелями и т. п. Во всех случаях в обязательном порядке упоминаются материалы и изделия несущего остова зданий, которые нельзя рассматривать вне связи с методами возведения зданий. Из них прогрессивным является монтаж (сборка) из изделий заводского изготовления — элементов конструкций, изготовленных на заводах и поставляемых на строительную площадку в готовом виде (например, плит перекрытий, панелей, стен и т. п.). Крупным каменным стеновым блоком называют укрупненный монтйж- ный элемент, изготовляемый на заводе из мелких камней, из легкого или тяжелого бетона. Панель — вертикальный плоскостной элемент, геометрические характеристики которого тождественны пластинам (когда один генеральный размер толщина, существенно меньше двух других. Панель выполняет одновременно несущие и ограждающие или только ограждающие функции. Еще более укрупненным сборным изделием является объемный блок предварительно изготовленная часть лава И. Общие принципы проектир. несущих и ограждающих конструкций зданий объема строящегося здания (санитар- но-техническая кабина, комната, квартира, помещение трансформаторной подстанции и т. п.). Технология возведения зданий с применением в основном готовых изделий называется полносборной. К таким строительным системам относятся: крупноблочная, крупнопанельная кар- касно-панельная, объемно-блочная, каркасная из сборных изделий и т. п. Монолитными конструкциями называют строительные конструкции, главным образом бетонные и железобетонные, основные части которых выполнены в виде единого целого (монолита) непосредственно на месте возведения здания или сооружения, К монолитным же конструкциям можно условно отнести стены и столбы, возводимые из мелкоштучных камней в технике ручной кладки, имея ввиду, что перевязка швов и применение связующего (раствора) позволяют создать единое целое любой формы. В последнем случае для характеристики технологии их возведений иногда применяют термин «традиционная». При сочетании монолитных конструкций со сборными, способ возведения и окончательная конструкция называются сборно-монолитными. Современная тенденция при строительстве массового жилища, большинства гражданских зданий, производственных и сельскохозяйственных характеризуется применением полносборных строительных систем их удельный вес в строительстве превышает 85 Вместе стем наметилась тенденция к уменьшению масштабов типизации и типового проектирования в пользу большей индивидуализации городской застройки. Один из возможных способов состоит в возведении зданий из монолитного и сборно-монолитного железобетона, включая применение традиционных систем из мелкоштуч- ных материалов. У такого способа имеются архитектурные преимущества он позволяет получать любую форму зда- ния,.любые формы и размеры проемов, различную этажность и т. п. Такие строительные системы оправданы для зданий, доминирующих в застройке городов. Однако требования унификации геометрических параметров, нагрузок, типов изделий и для этих строительных систем должны соблюдаться также, как и для полносборных. При выборе строительных материалов имеет значение класс здания по капитальности, который регламентирует требования к степени, огнестойкости и долговечности, что ограничивает применение материалов! При этом учитываются также требования, связанные с условиями эксплуатации зданий — с климатом, с температурно-влажностиым режимом помещений, с возможностью химической агрессии и т. п. Безусловно, выбор « строительного материала связан такж£ с экономическими соображениями, с обязательностью учета местной строительной базы и т. п. Обычно все факторы тщательно анализируются на стадии разработки технико-экономических обоснований проекта. Рекомендации самого общего порядка сводятся к следующему. Основным материалом массового строительства гражданских и производственных зданий в настоящее время является железобетон. Это один из наиболее долговечных и стойких материалов он хорошо сопротивляется действию огня и коррозии. Как правил применяется в сборном исполнении' Железобетон несколько дороже металла, нов условиях эксплуатации он. выгоднее, поскольку не требует дополнительных расходов по периодической защитной отделке, окраске. Кром$ того, на изготовление железобетонных конструкций требуется меньше металла, что способствует рациональному использованию металла в народном хозяйстве. Железобетон широко используется как при возведении каркасных'остовов, таки при строительстве стеновых остовов; применятся как в сборном, таки в монолитном исполнении. Штучные (мелкие) традиционные материалы искусственные кирпичи Глава П. Общие принципы проектир. несущих и ограждающих конструкций зданий т. пи естественные известняки т. п) могут использоваться при возведении стен и столбов в малоэтажном и отчасти в многоэтажном строительстве. Общая тенденция в массовом строительстве гражданских малоэтажных зданий ив промышленном строительстве всемерное сокращение объемов традиционной каменной кладки, главным образом по причине ее неин- дустриальности; возведение стен этим способом трудоемко, подвержено сезонности и погодным условиям, требует высокой квалификации каменщиков и т. п. Наряду с этим необходимо иметь ввиду и значительные архитектурные преимущества традиционной кладки стен из штучных материалов: долговечность, надежность в эксплуатации и особенно возможность возведения стен любой формы и размеров. Поэтому применение стен из штучных .материалов целесообразно при строительстве зданий по индивидуальным проектам не массовой застройки, а также при реконструкции и реставрации городской застройки. Металл (сталь) применяется главным образом в несущих конструкциях покрытий больших пролетов. Привоз- ведении колонн каркаса одноэтажных производственных зданий применение металла целесообразно при большой высоте здания или при значительных нагрузках от мостовых кранов. Металлический несущий остов рекомендуется в тех случаях, когда специфические условия производственного процесса (например, в металлургической промышленности) делают нецелесообразным применение железобетона (периодические тепловые воздействия и т. п.). Металлический несущий остов может применяться при возведении каркасов высотных зданий в случаях ограничения несущей способности сборного железобетона ив других специально оговоренных случаях, с последующим обетонированием всех несущих конструкций. Кроме того, стальные изделия могут применяться в виде отдельных элементов несущего остова (решетчатые связи жесткости, фахверк торцов расширения, балки и т. п. Во всех случаях применение металла должно быть обосновано и соответствовать требованиям СНиП 2.01.02—85 Противопожарные нормы». Дерево как материал несущего остова обладает рядом преимуществ (дешевизна, простота изготовления) и рядом существенных недостатков (недолговечность, горючесть. Последние качества ограничивают сферу применения древесины малоэтажным жилищно- гражданским строительством, производственными и складскими помещениями для сельского хозяйства, подсобными помещениями в промышленности, производственными зданиями лесной промышленности, временными сооружениями. Клееные деревянные конструкции, обработанные специальными составами, значительно меньше подвержены гниению и возгораемости. Они перспективны в качестве несущих конструкций покрытий зальных помещений общественного назначения, включая здания с большими проле- тами. Синтетические материалы, получающие все большее применение в ограждающих конструкциях, однако, почти не применяются в элементах несущего остова зданий в силу специфики их фи- зико-механических свойств. Исключение специальные виды конструкций (пневматические, тентовые и т. п.). П.З. Членение зданий на деформационные отсеки, решения деформационных швов Деформацией называют изменение формы или размеров материального тела (или его части) под-дейст- вием каких-либо физических факторов (внешних сил, нагревания и охлаждения, изменение влажности и от других воздействий. Некоторые виды деформаций названы в соответствии с наименованиями воздействующих на тело факторов температурные, усадочные (усадка — сокращение размеров материального тела при потере влаги его Глава П. Общие принципы проектир. несущих \i ограждающих конструкций зданий материалом осадочные осадка оседание фундамента при уплотнении грунта подними др. Если под материальным телом понимать отдельные конструкции или даже конструктивную систему в целом, то подобные деформации при определенных условиях могут служить причиной нарушений их несущей способности или потери ими эксплуатационных качеств. Так, наружные стены зданий и бес- чердачные покрытия можно рассматривать как единые жесткие плиты, которые" находясь ъ изменяющихся температурных условиях наружного воздуха, стремятся изменить свои размеры ипритом неодинаково по сечению плит их поверхности, обращенные в сторону помещений, находятся в стационарных температурных условиях и не претерпевают температурных деформаций. В таких же условиях находятся и конструкции несущего остова, примыкающие к плитам покрытий. Эти конструкции препятствуют стремлению наружных поверхностей плит изменить свои размеры, что приводит к возникновению сложного напряженного состояния во всех конструктивных элементах возникают огромные внутренние усилия, следствием которых могут быть трещины и другие дефекты. Механизм таких температурных деформаций показан на схеме рис. 11.10, а на примере одноэтажного каркасного здания основания колонн и фундаменты расположены в зоне постоянной температуры, в связи с чем в уровне пола размеры L = 2/ не претерпевают изменений изменяются размеры плиты покрытия на величину ±AL ( = Д — амплитуда колебаний температуры наружного воздуха С at— коэффициент линейной деформации ма- териала). Из схемы видно, что величина прогибов крайних колонн тем больше, чем больше длина здания L = 2/ и Л^(°С). Отсюда следует, что предотвратить нежелательные прогибы, разрывы и другие возможные дефекты можно при проектировании, в процессе установления габаритных размеров зданий при Зак. Рис. 11.10. Деформационные отсеки и швы здания: а схема температурных деформаций в конструкциях одноэтажного здания б — схема размещения деформационных швов в — схемы работы и устройства фундаментов в местах деформационных швов; г схема работы общего фундамента под парные вертикальные опоры при Р^Р г ; 1, 2 — давления под подошвой фундамента а—а — направление возможного сдвига А — шов на общем фундаменте Б тоже, на раздельном Lt — температурный отсек няв расчетные значения Д/(°С), соответствующими району строительства, можно установить предельные значения. Обычно для этого используют рекомендации нормативных документов или производят специальный расчет. В тех случаях, когда длина или ширина) зданий превышает эти предельно допустимые значения, здания расчленяются на отдельные объемы, длиной L t , которые называют температурными отсеками. Такое расчленение производится разрезкой всех конструкций здания от карниза до верха фундаментов с образованием температурного шва тип А на рис. 11.10, б, в; рис. II.11, а). Размеры температурных отсеков зависят от типов и материалов несущего остова. Длина отсека в каркасных зда- Глава II. Общие принципы, проектир. несущих и ограждающих конструкций зданий Таблица II. 1. Расстояние между температурными швами каменных зданий Расстояние между температурными швами, м, при кладке из глиняного Средняя температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки кирпича, керамических и природных камней, крупных блоков из бетона или глиняного кирпича из силикатного кирпича, бетонных камней, крупных блоков из силикатного бетона и силикатного кирпича На растворах классов и и и и более менее более менее Минус Си ниже Минус С 90 50 Минус Си выше ниях из железобетона обычно не превышает м в каркасных одноэтажных зданиях из металла эта длина может быть больше в 2...2,5 раза. В многоэтажных зданиях с каменным несущим остовом размеры отсеков принимаются в пределах 40...100 м (СНиП П Каменные и армо- каменные конструкции»);'в таких же зданиях из крупных панелей этот размер равен 75...150 м (ВСН 32—77 Гос- гражданстроя СССР Инструкция по проектированию конструкций панельных жилых зданий. В приведенных цифрах низшие значения относятся к наиболее суровым климатическим условиям (большим значением At, Си к низшим классам строительных материалов, что иллюстрируется табл. II. 1 (поСНиП И-22—84). При усадке материалов (в монолитных конструкциях, при каменной кладке стен) необходимо учитывать усадочные деформации, что также вызывает необходимость разбивать здание на отсеки. Размеры таких отсеков во многих случаях совпадают с размерами температурных, в связи с чем их чаще всего объединяют, называя в таких случаях и отсеки и швы темпера- турно-усадочными. 'Совершенно иной механизм деформаций при неравномерной осадке оснований здания они направлены по вертикали и могут вызвать перекосы, Рис. 11.11. Примеры решения деформационных швов в зданиях: а — температурный б — осадочный шов 1 , 8 — колонна пролетная конструкция плита покрытия 4 фундамент под колонну 5 общий фундамент под две колонны 6 — панель стены 7 вставка 9 — стойка фахвер- ка; 10 — навесная стена // подкрановая балка /? — мостовой кран Глава П. Общие принципы проектир. несущих и ограждающих конструкций зданий сдвиги т. п. Такие деформаци возможны при значительной разнице в нагрузках на вертикальные опоры (рис, г при несовпадении конструктивных систем и т. п. Первый из этих случаев может иметь место, например, при значительной разнице в высоте (порядка 10 ми более) сопрягаемых частей здания (рис. 11.10, б, тип «Б» справа); второй — при развороте одного из сопрягаемых объемов (там же, тип Б слева. Возможны и более сложные случаи (рис. 11.11, б). Принципиальная разница в устройстве осадочного шва в отличие от температурного состоит в разрезке всех конструкций здания, включая фундаменты (тип Б в отличие от типа «А» на рис. в. Необходимо развивать подошву каждого из сопрягаемых фундаментов. Это требует места, в связи с чем вертикальные несущие конструкции раздвигаются на большее расстояние, чем вместе температурного шва; это расстояние определяется расчетом, так как несущая способность основания и величины нагрузок могут существенно различаться. Обычно при устройстве осадочных швов температурные швы сними совмещаются. В этом случае шов равно как и отсек, называют температурно- осадочным. Это не исключает случаев, когда в пределах отсека, разделенного такими швами, требуются еще и дополнительные температурные швы. Часто к рассмотренным видам швов и отсеков применяют более обобщенные термины деформационные швы и деформационные отсеки. Этот термин распространяют и на антисейсмические швы и другие, рассмотренные в разд. Деформационные швы в ограждающих конструкциях решаются сравнительно однотипно, чего нельзя сказать о конструкциях несущего остова. Наиболее просты конструктивные решения температурных швов. В одноэтажных зданиях это достигается устройством парных колонн (риса об этом подробнее см. разд. В многоэтажных зданиях принимается во внимание конструктивная система несущего остова. В случае поперечных несущих стен шов устраивают на сопряженных парных стенах (рис. Рис. 11.12. Конструктивные решения деформационных швов во внутренних, в наружных стенах ив покрытиях: а — в многоэтажном здании при поперечных несущих стенах б — тоже, у поперечной стены при продольных несущих стенах в — тоже в каркасных зданиях где в наружных стенах г со штрабой (пазом) и гребнем д — в четверть е с компенсаторами ж — в покрытии / — несущая поперечная стена 2 — плита перекрытия 3 — термо- вкладыш, обернутый толем 4 — наружная навесная панель 5 — термовкладыш; 6 — компенсатор из рулонных материалов 7 — поперечная ненесущая внутренняя стена 8 — раствор 9 — слой пакли 1 0 наружная стена // — угловой элемент фасадных панелей 12 — эластичная мастика 13 — защитный слой упругий шнур (гернит); 1 5 — колонна — бортовой элемент 17 — кровля 18 — компенсатор из кровельной стали 19 — плита покрытия Глава II. Общие принципы проектир. несущ. ограждающих конструкций зданий Рис. 11.13. Схема физических воздействий на наружную стену — поле (распределение) температур в стене из однородного материала 2 — диффузия влаги 3 осадки 4 — ветер 5 — солнечная радиация 6 зона возможного выпадания конденсата 7 — линзы льда 8 — зона возможных трещина при этом типоразмеры плит перекрытий и навесных панелей сохраняются. При продольных несущих стенах конструкции разрезаются вдоль одной из поверхностей поперечной стены (рис. 11.12, б). В многоэтажных каркасных зданиях обычно применяют парные колонны, расстояние между которыми с заполняется угловыми элементами навесных панелей (рис. 11.12, вили специально изготовленной вставкой. Также со вставкой решаются осадочные швы рис. 11.11, б. На рис, г, ж показаны схемы решений швов в стенах ив совмещенных покрытиях. Величина шва устанавливается расчетом, но она не должна быть меньше 2 см. В шве покрытия устраивают компенсаторы из оцинкованной стали, между которыми располагаются термовкладыши. При возможности аналогично решают и температурный шов стены, однако установка компенсаторов сложна. Обычно на всю толщину стены укладывают термовкла- дыш в обертке из рубероида. В осадочных швах дополнительно прокладывают два слоя толя, облегчающих взаимное скольжение двух стен при неравномерной осадке. Ограждающие конструкции, требования к ним. Методология их проектных решений В отличие от несущих конструкций, для которых первичной является оценка их статической работы под нагрузками, для ограждающих первичными являются воздействия не- силового характера потоков влаги и тепла, распространение звуковых волн и т. п. Наружные стены. Факторы, воздей- ствующиена них в самом общем случае, показаны на рис. II. 1& (в частных случаях к ним могут "быть добавлены химическая агрессия как с внешней, таки с внутренней стороны, особый тепловлажностный режим помещений и т. п. В этих условиях стена должна прежде всего удовлетворять требованиям теплотехники. Теплозащитные свойства стен зависят от способности строительного материала передавать теплоту, что характеризуется коэффициентом теплопроводности. Чем меньше плотность, тем меньше величина коэффициента его теплопроводности, тем лучше теплозащитные свойства стен. Теплоустойчивость—тепловая инерция- характёризует способность стены сохранять неизменным тепловое состояние своих внутренних слоев. Это состояние может быть нарушено тепловыми волнами, распространяющимися в теле стены и вызванными периодическими суточными погодными изменениями температуры наружных поверхностей. Если эти тепловые волны угасают в теле стены настолько, что амплитуда колебаний температуры внутренних поверхностей незначительна, значит, стена обладает хорошей тепловой инерцией. Обычно такими бывают массивные стены из достаточно плотных материалов (камня, кирпича и т. п. Стены из материалов малой массы не обладают такой инер- цией. Воздухопроницание характеризует интенсивность фильтрации воздуха че- циЪ^и © (НА. Глава II. Общие принципы проектир. несущих и ограждающих конструкций зданий рез поры материала и неплотности конструкций (инфильтрация) при разности давлений на наружных и внутренних поверхностях, вызванных гравитацией, ветровым напором и т. д. Инфильтрация в ограниченных пределах полезна ограждающей конструкции, так как способствует просушке стен, уменьшает влажность помещений, интенсифицируя их воздухообмен. Необходимость обеспечения этих теплофизических свойств дает представление о желательной структуре материала стен с позиций теплопроводности предпоттительнее пористые структуры и, наоборот, более плотные с позиций теплоустойчивости и воздухопроницания. Одновременно стена должна обладать еще и таким сопротивлением па- ропроницанию, при котором недопустимо или ограничено накопление в ней влаги за холодный период года, поскольку увлажнение стен приводит к снижению морозо-, био- и влагостойкости материалов. Но самое важное это ухудшение теплозащитных свойств стены. Основная причина проникновения влаги в стену — диффузия паров рис. 11.13) из помещений, в которых парциальное давление этих паров влаги всегда больше, чем снаружи. Крайне нежелательно увлажнение материала стен при выпадении конденсата. Конденсат выпадает обычно в холодное время года, когда температура в теле стены имеет отрицательные значения. Диффузирующие пары влаги, перенасыщаясь при остывании, могут конденсироваться в зоне Выпадение 'конденсата помимо снижения теплозащитных свойств стены может явиться к тому же и причиной разрушения поверхностных слоев. Механизм такого возможного разрушения состоит в следующем. В процессе замораживания воды, конденсировавшейся в порах материала, образовавшийся лед, увеличиваясь в объеме, давит на стены этих пор, которые вследствие этого испытывают растягивающие усилия. Они и могут служить причиной возникновения трещина также и разрушений поверхностных слоев стены. Меры по ограничению паропроница- ния сводятся к следующему. В тех случаях, когда материал стен или теплоизоляция стен имеет пористую структуру, на внутренней поверхности стен необходим защитный слой паро- изоляции. В случае, если материал стен имеет плотную структуру, наиболее плотные слои следует располагать ближе к внутренней поверхности. К защитным от паров влгаи мероприятиям следует отнести и меры по их удалению, если некоторая часть паров проникает в стены через неплотности, трещины, что неизбежно. В этих целях материалы большей пористости рациональнее размещать ближе к наружным слоям стены ноне на самой наружной поверхности, которая подвержена воздействию осадков, ветра и т. п. Поэтому на наружной поверхности необходим защитный слой из плотных структур. Из рассмотренного наметились методические предпосылки по проектированию стены как ограждающей конструкции. Но всем видам стен в той или иной мере присущи еще и несущие функции. Есть два метода совместного учета ограждающих и несущих свойств стеновых конструкций совмещение этих функций и их разделение. Впер- вом случае конструкция получается однослойной, а во втором—многослой- ной или ее еще называют слоистой. Во втором случае каждый слой обычно имеет свое назначение теплоизоляционный, звукоизоляционный, пароизоляционный, отделочный и т. п. Принципиальная схема возможных решений наружных стен представлена на рис. 11.14, а—г. Здесь позиция означает любой эффективный однородный материал, способный совмещать несущие и изолирующие функции, -керамзитобетон, эффективный кирпич, деревянные брусья и т. п. Для остальных случаев позиции 4 предполагает любой материал плотной структуры с несущими функциями. Воздушная Глава It. Общие принципы проектир. несущих и ограждающих конструкций зданий прослойка 9 — один из возможных вариантов эффективных средств теплозащиты. Воздушная прослойка в ограждениях эффективна только в случае изоляции ее пространства от проникновения и перемещения в ней частиц наружного и внутреннего воздуха. Это в равной мере относится не только к прослойкам в стеновом ограждении, но и к любым видам прослоек двойных или тройных светопрозрачных ограждений и т. п. Стеновые ограждения будут эффективны, если в дополнение к сказанному будут применены конструктивные приемы, предупреждающие местные промерзания — мостики холода. К ним относятся случаи, когда в наружную стену включаются конструктивные элементы из материалов большей теплопроводности плиты балконов, заглубленные с наружной стороны (рис, д, железобетонные колонны или балки, втопленные с внутренней стороны (рисе) и т. п. В этих местах оставшихся участков стен недостаточно для тепловой защиты, и эти температурные мостики являются причиной местного понижения температуры внутренней поверхности и образования конденсата. Меры борьбы — введение слоя эффективного утеплителя (рис, ж, и). Конкретные реализации этих методических предпосылок рассмотрены в разд. Междуэтажные перекрытия. Факторы, воздействующие на них, показаны на рис. 11.15. Важнейшая ограждающая функция перекрытий - звуко- г изоляция. Механизм прохождения звуковых волн через междуэтажные перекрытия различен в зависимости от источника звука. Различают ударный ив iоздушный звуки. Ударный (поз. рис. 11.15 получается при ударах на конструкцию, танцах, ходьбе. Он вызывает мембранные колебания самих конструкций. Небольшая часть звуковых волн проходит через материал конструкции непосредственно. Воздушный звук (речь, звуки радио и т. п.) передается ограждающим конструкциям в виде воздушных звуковых волн, большая часть которых отражается поверхностями. Через ограждения воздушный звук может проникать двумя путями через неплотности, трещины перекрытий — основной путь второе Рис. 11.14. Схемы вариантных решений наружных стен и меры борьбы с «мостиками холода»: а — схема однослойной стены б—г—мно- гослойныхд- мостики холода приза- глублении тгалконных плите то же, при заглублениях колонн со стороны помещений внутренняя штукатурка несущая стена из эффективного материала наружный отделочный слой — несущий слой 5 — утеплитель 6 г наружная отделка 7 — слой из раствора связь из антикоррозионной стали воздушная прослойка 10 — теплопроводное включение с наружной стороны тоже, с внутренней 12 изотермы температур / — неправильное решение // — правильное решение Глава II. Общие принципы проектир. несущих и ограждающих конструкций зданий (степенный — вследствие колебаний конструкций как мембраны. Исходя из этого, мероприятия по звукоизоляции перекрытий сводятся к следующему. Одна из эффективных мер борьбы с воздушным звуком — тщательная заделка всех неплтностей в стыках между сборными элементами. в местах сопряжений перекрытий со стенами и т.д. 2. Для устранения мембранных колебаний можно применить два способа. Первый состоит в увеличении массивности конструкций, их веса. Второй в устройстве многослойнфх конструкций со слоями различной звукопрони- цаем&схи. Смысл первого способа состоит в обеспечении такой инерционности массивных конструкций, при которой энергия звуковых волн не возбуждала бы в них колебаний. Смысл же второго способа состоит в том, что на границах двух смежных сред (слоев) энергия звуковых волн уменьшается за счет отражения от каждой новой (походу движения) среды (слоя). Конструкции, выполненные попер- вому способу, называются акустически однородными (они, исключая конструкцию пола, однослойны); по второму акустически неоднородными. Преимущества первого способа заключаются в сравнительной простоте изготовления преимущества второго— в значительно меньших массе конструкций, и расходе материалов. Так. масса акустически однородных междуэтажных ограждений жилых зданий ориентировочно не должна быть менее кг/см 2 ; массаже акустически неоднородных обычно не превышает кг/м 2 3. Эти меры необходимы и достаточны для изоляции как от воздушного, таки от ударного звуков, но при одном обязательном условии глушении ударного звука в пределах конструкции пола, до того, как звуковые волны попадут на несущие элементы перекрытий. Дело в том, что плотные материалы этих элементов не только Рис. 11.15. Схема распределения воздействий среды на перекрытия и перегородки — перекрытия эркер /// — неотапливаемый чердак IV — проезд под зданием V — перегородки; /—движение теплового потока 2 — диффузия водяного пара 3 — воздушный шум 4 — ударный шум 5 — воздухопроницание; 6 — возможное газо- проницаниё; 7 — вентиляция перекрытий хорошо отражают воздушные звуковые волны, но и хорошо проводят попадающие непосредственно на них ударные. Изоляция от ударного звука обеспечивается применением .упвугих_ пгкжл а док ^дежду конструктивными элементами тола и несущими конструкциями перекрытий; применением упругого основания пола (из релина, тапифлекса и т. п.). На рис. 11.16 схематически показаны методические принципы проектирования акустически однородных (аи неоднородных (б — е) конструкций. Неоднородность достигается обычно включением воздушной прослойки при различных комбинаторных сочетаниях раздельных пола и потолка. В пределах воздушной прослойки, которая может полностью или частично заполнена звукоизолирующим материалом, в значительной мере поглощаются звуковые волны. Способы устройства подвесных потолков приведены в гл. Все сказанное относится к прямой передаче звука — в направлении . Глава И. Общие принципы проектир. несущих и ограждающих конструкций зданий Рис. 11.16. Схемы изоляции перекрытий: а — аКустичестйГ однородное перекрытие б—е — акустически неоднородное перекрытие ж, и — чердачное перекрытие к j- совмещенное (вентилируемое) покрытие; л — совмещенные (невентилируемое) покрытие 1 — пол упругая основа пола 3 — несущая конструкция 4 — стяжка 5 — слои звукоизоляционного материала 6 — плита пола 7 — звукоизоляционная прокладка 8 — подвесной потолок — раздельное перекрытие 10 — воздушная прослойка 11 — утеплитель 12 — парогазоизоляция; 13 жесткая стяжка 14 — выравнивающий слой 15 гидроизоляционный ковер движения звуковых волн. Помимо этого существует и косвенная (обходная) передача звуковых волн, возбуждаемых в конструкции, другим конструкциям, смежным с ней. Это особенно часто встречается в современных зданиях при наличии жестких связей между конструкциями из материалов большой плотности. Одна из существенных мер изоляции от такого шума, называемого структурным, состоит в надежном глушении звуков в перекрытиях, в которых находятся источники звуков. Надежного звукоглуше- ния можно достигнуть устраивая 'раздельные полы и потолки. Другие типы перекрытий. В чердачных перекрытиях, как ив наружных стенах, важнейшей ограждающей лоизоляционного слоя дополнительной теплоизоляции отдельных мест, в которых возможно образование мостиков холода (рис. 11.16, и предупреждению увлажнения изоляционных материалов. Толщина слря_ теплоизоляции устраивается с учетом того, является ли чердак отапливаемым или нет. В малоэтажном строительстве чердаки, как правило, не отапливаются. В многоэтажном жилом строительстве возможны оба варианта. Основные средства, предупреждающие увлажнение утеплителя парами влаги из помещений (см. рис. 11.15, 2): устройство защитного слоя пароизоляций пред утеплителем походу движения паров, т. ею в данном случае ниже утеплителя проветривание чердаков для удаления паров влаги, прошедших через неплотности, и т. п. Над эркером // (см. рис. 11.15), над отапливаемым чердаком совмещаются, функции чердачного перекрытия и кровли. Такая ограждающая конструкция совмещенное бесчердааное покрытие -. применяется не только в упомянутых местах, но является основным типом покрытий производственных зданий, многих общественных и ряда жилых. Методически конструкция этого ограждения может выполняться двумя способами: 1. Крыша и перекрытие, играющее роль чердачного, остаются в виде раздельных частей со сплошным воздушным продувом (рис. II. 1, к). 2. Кровля и чердачное перекрытие объединяются. Взамен несущих элементов крыши устраивается основание кровли (стяжки) в виде сплошного слоя жесткого материала, укладывае- мого поверх утеплителя (рис. 11.16, л). В первом варианте получаются вентилируемые совмещенные покрытия, которые правильнее называть совмещенными бесчердачными крышами (по аналогии с чердачными крышами. Во втором имеет место не только совмещение функций кровли и чердачного Глава П. Общие принципы проектир. несущих и ограждающих конструкций зданий 41 перекрытия, но и упрощение их конструктивных решений. За счет этого второй вариант дешевле первого на Ш...15% и менее трудоемок. Такие покрытия бывают невентилируемыми и частично вентилируемыми. Подробнее о них см. § Особенности перекрытий под эркером и над проездом IV см. рис. состоят в том, что в отличие от между- этал^аых они должны предусматривать теплоизоляцию. Защитный слой паро- изоляции, который должен располагаться перед теплоизоляцией, в данном случае укладывается выше утеплителя под конструкцией пола. Эти же перекрытия должны иметь защитный слой на нижней поверхности для предохранения от воздухопрони- цания, а иногда и газопроницания (см. рис. 11.15, в. Кроме того, этот слой является отделочным (подробнее об этом см. гл. Водонепроницаемость — свойство, необходимое перекрытиям помещений с влажностным режимом эксплуатации (душевые и санитарные узлы в бытовых помещениях, моечные в банях, санузлы в жилых домах. В подобных случаях подполом устраивается гидроизоляционный ковер, края которого заводят по контуру на стены II РАЗДЕЛ АРХИТЕКТУРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ МАЛОЭТАЖНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ III |