I.2.1. Строительные системы. Классификация и характеристика.
I.2.2. Конструктивные схемы зданий.
I.2.3. Типизация, унификация, модульная координация зданий.
I.2.1. Понятие строительная система служит 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, а также два основных метода возведения – традиционный и индустриальный. Например, для кирпичных зданий традиционна ручная кладка стен, а для деревянных – применение рубленых стен из бревен. Наиболее распространено использование одной строительной системы при возведении зданий. Такие строительные системы принято называть основными.(рис.1.4) Однако, часто функциональные особенности проектируемого здания, а также соображения экономической целесообразности вызывают необходимость сочетания в одном здании различных строительных систем, что, таким образом, приводит к формированию комбинированных строительных систем
Рис.1.4. Классификация основных строительных систем.
Строительные системы зданий со стенами из кирпича и мелких блоков , используемые с незапамятных времен, весьма востребованы и в настоящее время. В настоящее время, в связи с изменением нормативных требований к сопротивлению теплопередаче наружных стен, последние выполняются в виде облегченной(слоистой) кладки с эффективным утеплителем внутри, однако несущая способность таких стен ограничена пятью этажами.
Полносборные здания из бетона представлены крупноблочной, панельной, каркасно-панельной и объемно-блочной системами.
Крупноблочная строительная система применявшаяся для возведения жилых и массовых общественных зданий высотой до 16-ти этажей из блоков массой 3 – 5 тонн, в настоящее время практически не используется, поскольку она ориентирована на однослойные конструкции наружных стен с сопротивлением теплопередаче в пределах 1,0 … 1,1 кв.м град.С/Вт, то есть в 2,5…3 раза ниже ныне требуемых.
Панельная система применяется в зданиях высотой до 30-ти этажей и включает в себя несущие стены из крупноразмерных элементов(панелей) высотой в этаж, протяженностью до 7,2 м, массой д.о 10 т. Основным преимуществом панельного домостроения перед традиционным служит значительное сокращение таких показателей как материалоемкость(на 30-40%) и трудоемкость возведения(более чем на 30%).
Каркасно-панельная строительная система применяется в гражданских зданиях высотой до 30-ти этажей. Главным преимуществом такой системы является обеспечение планировочной гибкости объемно-планировочных и конструктивных решений зданий.
Объемно-блочная строительная система используется преимущественно в гражданском строительстве и предполагает возведение зданий из крупных объемно-пространственных элементов высотой до 16-ти этажей и весом до 25 т, заключающих в себе жилую комнату или иной фрагмент(помещение) здания. Объемные блоки устанавливают друг на друга без перевязки швов. Объемно-блочное домостроение обеспечивает существенное снижение суммарных трудозатрат(на 12 -15% по сравнению с панельным).
Монолитная и сборно-монолитная строительные системы применяют преимущественно при возведении зданий средней и повышенной этажности. К системам монолитного домостроения относят случаи изготовления всех несущих конструкций из монолитного бетона непосредственно на строительной площадке; к сборно-монолитной – случаи выполнения несущих конструкций частично из монолита, частично из сборных железобетонных конструкций. Методы возведения рассматриваемых зданий: - для бескаркасных - в скользящей, объемно-переставной, щитовой или блочной опалубках;
- для каркасных - методом подъема этажей(МПЭ) и подъема перекрытий(МПП).
I.2.2. С древнейших времен известны три конструктивные системы: - стоечно-балочная(рис. 5а), где горизонтальный элемент(балка) работает на изгиб;
Рис.1.5. Традиционные конструктивные системы: а - стоечно-балочная;
б - сводчатая и арочная; в - подвесная.
- сводчатая и арочная(рис. 1.5б), где материал работает на сжатие, последовательно передавая полезную нагрузку и собственный вес верхних элементов на нижележащие;
- подвесная(рис. 1.5в), где горизонтальные элементы работают на растяжение.
В современном массовом строительстве в основном используется стоечно-балочная система, которая реализуется в следующих конструктивных схемах(рис. 1.6):
- с несущими наружными и внутренними стенами (здания бескаркасные);
- с несущими наружными и внутренними отдельными опорами (здания с неполным каркасом);
- с несущими отдельными опорами (здания с полным каркасом).
Конструктивная схема с несущими стенам, в свою очередь, включает в себя следующие разновидности:
- с продольными несущими стенами;
- с поперечными несущими стенами;
- с продольными и поперечными несущими стенами (здания смешанного типа).
В первом случае плиты перекрытия опираются на продольные стены, а торцевые и промежуточные поперечные стены не несут нагрузки от перекрытия и поэтому являются самонесущими.(рис.1.6а). Во втором варианте плиты перекрытия опираются на поперечные стены, а продольные стены в этом случае являются самонесущими.(рис. 1.6б) Данная конструктивная схема весьма эффективна при строительстве гостиниц, санаториев и прочих зданий, где возникает необходимость в членении внутренней структуры здания на однотипные ячейки, а также требуется устройство в наружных стенах значительных по величине проемов.
К зданиям смешанного типа чаще всего относятся многоэтажные крупнопанельные жилые дома, в которых используются перекрытия размером на комнату опирающиеся по четырем сторонам, то есть по периметру помещения. Кроме того, подобная конструктивная схема используется в зданиях со сложной нерегулярной планировкой, где расположить плиты перекрытия в одном направлении не представляется возможным.(рис.1.6в).
Конструктивные схемы с несущими стенами очень надежны и относительно просты по своему устройству. Но им присущи некоторые недостатки. Во-первых, из-за ограниченной длины плит перекрытия( до 7,2 м) в таких зданиях невозможно запроектировать крупногабаритные помещения и обеспечить так называемую гибкость планировочного решения - качество объемно-пространственной структуры, характеризуемое
минимальным количеством внутренних опор в помещении и раскрывающее широкие возможности для последующей реконструкции , связанной с модернизацией функцио- нального процесса. Во-вторых, здания с несущими стенами отличаются повышенной материалоемкостью. Если вместо внутренних несущих стен поставить отдельные опоры(колонны), соединить их горизонтальными балками(ригелями), на которые опереть плиты перекрытия, то получится конструктивная схема с неполным каркасом.
Рис1.6. Конструктивные схемы зданий – бескаркасных(а,б,в) и с неполным каркасом(г,д)
а - с продольными несущими стенами; б - с поперечными несущими стенами;
в - смешанная; г, д - с неполным каркасом.
. Наиболее полно требованиям современного строительства отвечают здания с полным каркасом (каркасные), в которых несущий остов представляет собой совокупность колонн, балок или ригелей, плит перекрытия и диафрагм жесткости(связи), наружные стены выполняют ограждающую функцию и могут быть самонесущими, либо навесными, а внутренние стены используются в качестве перегородок.(рис.1.7)
Рис.1.7. Конструктивные схемы каркасных зданий:
а - с перекрестным расположением ригелей; б - то же, с продольным; в - то же, с поперечным; г - с безбалочным сборным перекрытием; д - с безбалочным монолитным перекрытием
(методом подъема этажей); 1 - надколонные плиты; 2 - плита-капитель; 3 - пролетная плита с опиранием по контуру; 4 - монолитная плита перекрытия, изготовленная на нулевой отметке; 5 - то же, установленная на проектную отметку; 6 - ядро жесткости.
Расстояние между осями продольных стен или продольных рядов колонн называется пролетом, а расстояние между осями поперечных стен или рядов колонн называется шагом. В каркасных зданиях система продольных и поперечных осей образуют на плане прямоугольную сетку, которая называется сеткой колонн.
По характеру работы каркасы бывают трех типов: рамные, связевые и рамно-связевые.
Рис.1.8. Расположение вертикальных связей жесткости в каркасных зданиях: а - с поперечными рамами; б - то же, с продольным; в - при связевом каркасе; г - с ядрами жесткости; 1 - прогон(ригель рамы); 2 - диафрагма жесткости; 3 - жесткий диск перекрытия; 4 - крепление перекрытия к ядру жесткости; 5 - ядро жесткости.
Рис.1.9. Виды вертикальных связей жесткости:
а - стальные крестовые; б - то же, портальные; в - сборные железобетонные диафрагмы (перего-родки); 1 - колонна каркаса; 2 - перекрытие; 3 - жесткое крепление диафрагмы к колонне каркаса, между собой и к перекрытию.
В рамном каркасе ригели располагаются в продольном и поперечном направлениях и имеют жесткое соединение с колоннами, образуя рамные конструкции, которые воспринимают все вертикальные и горизонтальные нагрузки. Такие каркасы, как правило, выполняются в монолитном железобетоне и применяются достаточно редко.
При связевом каркасе ригели имеют шарнирное соединение с колоннами, поэтому для восприятия горизонтальных нагрузок вводятся дополнительные элементы – вертикальные связи жесткости, изготавливаемые из металлических профилей
(рис.1. 8;1. 9).
Рамно-связевый каркас представляет собой комбинированную версию, когда в одном направлении предусматриваются рамы с жестким соединением ригелей и колонн, а в другом - вертикальные связи жесткости. Данный каркас легко выполним в сборных железобетонных конструкциях.
I.2.3. Индустриализация строительства, основанная на изготовлении конструкций в заводских условиях, обусловила необходимость уменьшения количества типоразмеров строительных изделий, увеличения серийности их выпуска и, как следствие, обеспечение рентабельности заводского производства. Отбор наилучших с технической и экономической сторон объемно-планировочных и конструктивных решений, как зданий в целом, так и отдельных его частей, деталей и узлов, предназначенных для многократного использования в строительной практике, называется типизацией.
Типизация включает в себя следующие основные направления:
- проектирование типовых зданий;
- проектирование типовых объемно-планировочных элементов зданий;
- проектирование типовых конструкций и изделий;
- проектирование типовых узлов и деталей зданий.
Комплекс мероприятий по ограничению количества типов и размеров изделий, выработке единой системы исходных данных для проектирования получил название – унификация, то есть, приведение к единообразию. Унификация позволяет обеспечить взаимозаменяемость одних конструктивных элементов другими, не изменяя основных проектных решений. Основу унификации составляет согласованность в размерах строительных конструкций, изделий и деталей с размерами (параметрами) объемно-планировочных и конструктивных элементов здания. Правила, по которым осуществляется выбор согласованных между собой размеров всех строительных компонентов носят название «Единая модульная система» (ЕМС).
Основным принципом ЕМС является кратность все строительных параметров некоторой величине, называемой модулем(М) и равным 100мм(основной). Для удобства пользования, кроме основного модуля разрешается применять укрупненные и дробные модули. Например, при назначении общих размеров здания(величина пролета, шаг, высота этажа) применяют укрупненные производные модули – 2М(200мм), 6М(600мм) 12М(1200мм) , 30М(3000мм), 60М(6000мм). При назначении размеров мелких изделий(толщины плит, сечения колонн, балок и пр.) применяют основнойМ=100мм) и дробные модули, кратные основному – 1/2М(50мм), 1/5М(20мм), 1/10М(10мм), 1/50М(2мм), 1/100М(1мм). Для точного определения положения вертикальных несущих и ограждающих конструкций в строительных чертежах применяется система модульных осей, которая на плане выглядит как прямоугольная сетка линий, расстояние между которыми кратно выбранному планировочному модулю. Те из модульных осей, которые совпадают с расположением несущих и ограждающих конструкций (стен, колонн)
называются координационными осями (рис. 1.10;1.11).
В ЕМС различают следующие виды размеров:
- номинальный (модульный) размер – проектные расстояния между модульными осями, а также условный размер конструктивного элемента с включением примыкающих швов и зазоров (всегда кратен модулю);
- конструктивный размер - проектный размер конструкции или изделия, (меньше номинального на суммарную величину швов и зазоров);
- натурный размер - фактическое расстояние между координационными осями возведенного здания, а также фактический размер конструктивного элемента либо изделия после его изготовления.
Рис.1.10. Модульная система в строительстве:
а - система модульных плоскостей; б - разрез многоэтажного здания; в - размеры плиты перекрытия; г - размеры балки покрытия; д - разрез одноэтажного здания; е - размеры плиты покрытия; ПМ - планировочный модуль; ВПМ - вертикальный планировочный модуль; h - высота этажа(кратна ВПМ); H - высота здания (кратна ВПМ); L - пролет (кратен ПМ); Lн - номинальный(модульный) размер изделия; Lк - конструктивный размер изделия; б - нормированный зазор между изделиями;
с - строительная высота перекрытия; а - внутренняя привязка; b – наружная привязка; ур. ч. п. - уро-
вень чистого пола.
Расположение конструктивных элементов относительно координационных осей называют привязкой (рис. 1.11). Конкретные правила привязки зависят от конструктивной схемы и указываются при описании несущих остовов зданий различных видов.
Рис.1.11. Модульные и координационные оси.