Шшшшдшш

Б

Рис. 5.4. Арочно — сводчатые конструкции: а — арка; б — арка с затяжкой; в — цилиндрический свод; г — цилиндрический свод на стоечно — подкосных опорах; д — крестовый свод; е — сомкну­тый (монастырский) свод; ж — зеркальный свод; ЯАиКв — вертикальные реакции опор; Н — рас­пор; f — стрела подъема арки; 1 — распалубка; 2 — лоток 54

Замок

КИИЙН

ИИ НИН

При увеличении ширины арки в направлении, перпендикулярном ее пролету, об­разуется конструкция пространственной формы, называемая цилиндрическим сводом, В этой конструкции арочная кривая служит направляющей, а горизонтальная прямая — образующей поверхности свода. Поверхность цилиндрического свода относится к чис­лу линейчатых поверхностей, т. е. поверхностей, образованных перемещением по на­правляющим одной или группы прямых линий. Линейчатые криволинейные поверхно­сти наиболее широко применяются в строительстве, так как наличие прямолинейных образующих облегчает возведение конструкций, устройство опалубки и пр.

Конструкция цилиндрического свода при пространственной геометрической форме в статическом отношении является плоскостной. Если конструкцию свода мыс­ленно рассечь на ряд параллельных друг другу арок, то все они (при равномерно рас­пределенной нагрузке) будут иметь идентичное напряженное состояние и не окажут су­щественного воздействия на смежные арки,

В соответствии с функциональными и эстетическими задачами цилиндрический свод получил в архитектуре много модификаций. На базе пересечения двух цилиндриче­ских сводов с одинаковой стрелой подъема построен крестовый свод, состоящий из че­тырех фрагментов цилиндрической поверхности — распалубок и опертый на четыре точ­ки; при компоновке конструкции из четырех других фрагментов пересекающихся сводов — лотков образуется сомкнутый свод, опертый по контуру; при срезе вершины сомкну­того свода горизонтальной плоскостью образуется зеркальный свод и т. п. Все перечис­ленные модификации в отличие от цилиндрического свода являются пространственны­ми конструкциями не только по геометрической форме, но и по статической работе.

Конструкции сводов совмещают несущие и ограждающие функции. Применение арочных несущих конструкций требует дополнения их специальными ограждениями.

Разнообразные модификации цилиндрических арок и сводов были разработаны и широко применялись в эпоху Древнего Рима (I в. до н. э. — IV в. н. э.). Возводились эти конструкции из кирпича, тесаного камня и бетона. Дальнейшее развитие каменные сводчатые конструкции получили в эпоху романики и готики (X! — XV вв.) на базе ци­линдрических, а затем более сложных по форме стрельчатых сводов (рис. 5.5), возник­ших в зодчестве Арабского халифата (VIF — IX вв. н. э.) и занесенных в Европу в эпоху крестовых походов.

В современной строительной практике сводчатые конструкции выполняются преимущественно из железобетона, а арочные — из дерева, стали или железобетона.

Оболочки представляют собой тонкостенные жесткие конструкции с криволи­нейной поверхностью. Толщина оболочек весьма мала по сравнению с другими ее раз­мерами, Тонкостенность конструкции исключает возможность работы оболочки на по­перечный изгиб и обеспечивает ее работу на осевые усилия. Геометрические и статиче­ские свойства оболочек зависят от их кривизны и ее непрерывности. Геометрию поверх­ности оболочек характеризует их кривизна относительно двух взаимно перпендикуляр­ных плоскостей, пересекающих оболочку по нормали к ней. В общем случае поверхно­сти оболочек имеют кривизну в двух направлениях. Такие конструкции называют обо­лочками двоякой кривизны. Полной характеристикой кривизны поверхностей является гауссовая кривизна К — величина, обратная произведению радиусов кривых, образуе­мых пересечением оболочки двумя взаимно перпендикулярными плоскостями, проходя­щими через нормаль к ее поверхности;

K = \/RrR1.

Рис. 5.5. Стрельчатые арки и сво­ды: а, б — двухцентровая и четы — рехцентровая арки; в — стрельча­тый крестовый свод (построе­ние); 1′ — ребристый стрельчатый крестовый свод

Знак кривизны зависит от расположения центров радиусов кривизны по отноше­нию к поверхности. При расположении центров по одну ее сторону К имеет положи­тельное значение, по обе стороны — отрицательное (рис. 5,6). К поверхностям положи­тельной гауссовой кривизны относятся все купольные оболочки (сфероид или эллипсо­ид вращения и т. п.), оболочки переноса, бочарные своды и т. п. характерным примером поверхности отрицательной кривизны является гиперболический параболоид, форми­руемый перемещением параболы с ветвями вверх по параболе с ветвями вниз (рис. 5.7).

Рис. 5.6, Поверхности двоякой положительной (а, б) и отрицательной (в) кривизны

Если поверхность оболочки в одном из направлений имеет конечную величину кривизны, а в перпендикулярном ему — нулевую, то ее называют поверхностью нулевой кривизны (цилиндрическая и коническая поверхности). Такие поверхности относятся к линейчатым, имеющим прямолинейную образующую.

Оболочки являются пространственными конструкциями как по форме, так и по существу статической работы, Их большая по сравнению с плоскостными конструкци­ями несущая способность определяется не дополнительным расходом материалов, а только изменением формы конструкции, способствующей повышению ее жесткости.

Рис. 5.7. Гиперболический параболоид: 1 — парабола с вершиной вверх; 2 — то же, с вершиной вниз; 3 — прямолинейные образующие; 4 — пространственный четырехугольник — гипар

Рис. 5.8. Схемы конструкций: а — плоской плиты; б — цилиндрического свода — оболочки; в — ци­линдрического свода; I — оболочка; 2 — бортовой элемент оболочки; 3 — диафрагма жесткости

Это становится очевидным при сопоставлении конструкций плоской плиты с простран­ственной конструкцией длинного цилиндрического свода — оболочки нулевой кривиз­ны, примененных в условиях равенства пролетов и нагрузок (рис. 5.8). Стабильность формы цилиндрической оболочки обеспечивается торцовыми диафрагмами жесткости. Статическая работа, геометрическая форма и размещение в пространстве цилиндричес­кого свода-оболочки существенно отличаются от работы свода. Цилиндрический свод — оболочка-безраспорная конструкция, работающая на поперечный изгиб как балка про­странственной формы, свод — распорная конструкция, работающая преимущественно на осевые усилия. Для обеспечения последнего условия кривая свода принимается по­логой, в то время как для повышения жесткости свода-оболочки целесообразна большая кривизна формы, наконец, продольная ось длинного цилиндрического свода-оболочки размещается параллельно перекрываемому пролету, а продольная ось свода — перпенди­кулярно ему.

Цилиндрические и коноидальные своды-оболочки используются по большей ча­сти в многоволновых одно — и многопролетных сочетаниях; применяют консольные и бесконсольные, параллельные и веерные оболочки, разнообразные формы жесткостных элементов (рис. 5.9).

Складки — пространственная конструкция, образуемая сочетанием под углом от­дельных плоскостей (складок) и диафрагм жесткости. Эта конструкция, как и цилинд­рические с воды-оболочки, изобретена в XX в. и имеет аналогичную схему статической работы. Геометрические формы складчатых конструкций различны: отдельные складки могут иметь треугольное и трапециевидное сечение и иметь друг с другом параллель­ные, веерные или встречные сочетания (рис.5.10). Складки применяются в покрытиях

57

Рис. 5.9. Многоволновые оболочки: а — консолированные; б — веерные; в — с серповидными диафрагмами жесткости; г — на отдельных опорах

Пролетом до 40 м и в высоких стенах при необходимости повышения их жесткости. По­лучило распространение сочетание складчатых стен и покрытий с жесткими сопряже­ниями между ними в виде пространственной рамной конструкции. Складки используют в арочных и шатровых покрытиях для помещений с прямоугольным, трапециевидным, многоугольным или криволинейным планом.

Конструкции покрытий из многоволновых оболочек и складок осуществляются в монолитном или сборном железобетоне. В последнем случае сборные элементы покры­тия представляют собой предварительно напряженный одноволновой (или односклад — чатый) элемент. Значительно реже конструкции складок и оболочек выполняют из стержневых металлических или деревянных элементов.

Оболочки двоякой крнвизны являются распорными конструкциями. В связи с разнообразием геометрических форм оболочек горизонтальная составляющая опорной реакции (распор) может иметь различную направленность: наружу — в куполах и волни­стых сводах, внутрь — в гипарах и лотковых сводах. Тонкостенные конструкции оболо­чек нулевой и двоякой кривизны в целом являются изобретением XX в. (инж. Дишингер и Бауэрсфельд). Исключение составляют лишь конструкции куполов, имеющие древ­нейшее происхождение. Однако в связи с тем, что до XX в. купола возводились только из камня, современные купольные конструкции из железобетона, армоцемента, метал­лических стержней существенно отличаются от каменных. Технические возможности применения камня в купольных сооружениях были исчерпаны в! тысячелетии н. э. при перекрытии здания Пантеона в Риме куполом диаметром 43,2 м., опертым на кольцевую стену, толщина которой для погашения распор достигала 8 м (рис. 5.11, см. вклейку в конце книги) и храма св. Софии в Константинополе куполом диаметром 31,5 м, опертым через систему из четырех сферических парусов только на 4 опоры (рис. 5.12, см. вклей­ку в кот(е книги). В отличие от массивности опорных конструкций Пантеона в храме св. Софии распор купола передан на арочные усты и полукупола смежных пролетов. 58

V

/мук

\М/

АДА

| 2-Зи____________________ [

Рис. 5.10 Складчатые конструкции: а — формы и габариты сечений монолитных и сборных складок; б — схемы размещения устройств верхнего света; формы покрытий; в — парал­лельными складками; г — то же, веерными; д — то же, встречными; е — складчатые рамы; при­меры фрагментов покрытий: ж — встречными складками; и — сочетанием веерных и встреч­ных складок

В XX в. при возведении куполов из железобетона и металла наступил новый этап развития купольных конструкций. Изменились геометрические параметры куполов: толщина оболочки, пролет, стрела подъема. Устойчивость каменной конструкции купо­ла требовала стрелы подъема около половины его диаметра. Железобетон позволил уменьшить стрелу подъема купола до 1/5-1/60 и одновременно достичь такой тонко — стенности его конструкции, которая превосходит тонкостенность биологических струк­тур (табл. 5.1.)

Тонкостенные железобетонные купольные оболочки проектируют гладкими, а также волнистыми или складчатыми. Стальные купола проектируют ребристыми, реб­ристо-кольцевыми или сетчатыми (рис. 5.13).

В XX в. получило распространение применение сферических или эллиптических оболочек не только в виде отдельного сегмента сфероида или эллипсоида (купола), но и в виде так называемых парусных оболочек, образованных сечением сферического (эл­липсоидного, торового) сегмента вертикальными плоскостями. Это позволило приме­нять парусные оболочки для покрытия помещений с треугольным, квадратным или мно­гоугольным планом. Контур среза оболочки вертикальными плоскостями усиливают ди­афрагмами или криволинейными балками. Для перекрытия круглых в плане помещений наряду с гладкими применяют ребристые, складчатые или волнистые своды и купола (рис. 5.14).

Геометрические характеристики куполов

Таблица 5.1.

Характеристики

Объекты

Римский Пантеон, 125 г.

Собор св. Софии, 537 г.

Большой олимпийский Дворец спорта в Риме 1959 г.

Куриное яйцо

Пролет 0, м

43,2

31,5

122

0,04

Толщина 5, см

120-180

60-80

8

0,04

5/0

1/30

1/45

1/1525

1/100

Отношение высоты к диаметру купола

1/2

1/2

1/6

1/2

Волнистые своды и купола представляют собой варианты оболочек, гладкая по­верхность которых заменена волнистой. Применение волнистой поверхности может быть вызвано статическими (повышение жесткости), функциональными (устройство светопрозрачных включений по боковой поверхности волн или в их торцах) или компо­зиционными требованиями. Чаще всего волнистые купола и своды применяются в по­крытиях большепролетных общественных зданий — крытых рынков, цирков, выставоч­ных павильонов и т. п.

Из оболочек отрицательной кривизны наибольшее применение получили гипары благодаря выразительности и вариантности формы, а также относительной простоте возведения. В строительстве и проектировании используют одиночные гипары и их раз­нообразные сочетания — шатры и купола из нескольких гипаров (рис. 5.15). 60

Рис. 5.13. Современные купольные конструкции: а, б — тонкостенные гладкие; в — волнистый купол из железобетона; г — ребристый; д — ребристо — кольцевой, е — сетчатый купол из стальных стержней

Рис, 5.14. Тонкостенные оболочки положительной Гауссовой кривизны: а, б — оболочки переноса на прямоугольном и квадратном плане; в — сферическая парусная оболочка покрытия на треугольном плане; 1 и 2 — образующая и направляющая оболочки переноса; 3 — диафрагма жесткости; 4 — оболочка

Комбинированные оболочки. Начиная с последней трети XX в. получили ши­рокое применение для покрытий большепролетных зданий конструкции, скомбиниро­ванные из фрагментов оболочек с одинаковыми или разными знаками кривизны. Такие комбинации позволяют не только добиться выгодных технических параметров (умень­шение конструктивной высоты покрытия и пр.), но получить индивидуальную вырази­тельную форму для покрытий залов с различной формой плана. Комбинированные обо­лочки выполняют сборными или монолитными. Наряду с покрытиями залов тонкостен­ные оболочки эффективны в применении для инженерных сооружениях — башен, резер­вуаров и пр. (рис. 5.16).

Висячие конструкции изобретены выдающимся ученым и инженером В. Г. Шу­ховым в 1896 г,, но стали широко использоваться только с середины XX в. Основными несущими элементами висячих конструкций являются гибкие тросы, ванты, цепи или кабели. Они работают только на растяжение и несут подвешенные к ним ограждающие горизонтальные, а иногда и вертикальные конструкции. Висячие конструкции проекти­руют плоскостными или пространственными. В плоскостных системах опорные реак-

61

Рис. 5.16. Примеры комбинированных тонкостенных оболочек для: а — покрытий; б — башен; в — резервуаров (по проектным предложениям МНИИТЭГ1)

Ции параллельных рабочих тросов передают на опорные пилоны, способные воспринять вертикальные реакции и распор, иногда последний передают на перекрытия обстраива­ющих зал помещений, либо на оттяжки, заанкерованные в фундаментах (рис. 5.17).

В пространственных системах обязательным конструктивным элементом помимо рабочих тросов является жесткий плоский или пространственный опорный контур (же­лезобетонный или стальной), воспринимающий распор от системы тросов, которые об­разуют криволинейную поверхность для укладки покрытия. Вертикальные реакции по­крытия передаются на стойки, поддерживающие опорный контур, или другие верти­кальные конструкции (рис. 5.18).

Работа основных элементов висячей системы только на осевое растяжение позво­ляет наиболее полноценно использовать несущие свойства материалов, применять са­мые эффективные из них (например, высокопрочную сталь) и обеспечивать минималь­ную массу конструкции. Однако такая легкая конструкция обладает повышенной дефор — мативностью при переменных кратковременных нагрузках (порыва ветра и т. п.). Для обеспечения геометрической неизменяемости висячей системы применяют различные способы ее стабилизации. В плоскостных системах для этого чаще всего прибегают к предварительному натяжению тросов путем укладки по ним сборных железобетонных плит с пригрузкой и замоноличиванием швов между плитами. После удаления пригруза тросы, стремясь сократиться до первоначальной длины, обжимают замоноличенное же­лезобетонное покрытие, превращая его в висячую опрокинутую жесткую оболочку.

Для стабилизации пространственных висячих конструкций часто применяют две системы тросов — рабочих и стабилизирующих (двухпоясная конструкция). Тросы обе­их систем располагаются попарно в плоскостях, перпендикулярных поверхности по-

Рис. 5,17. Однопоясные висячие покрытия: А — схема конструкции, Б — варианты передачи распора: а — на оттяжки, б — на конструкции трибун, в — на устои, г — на конструкции обстраивающих помещений; В — пример применения системы: общий вид и разрез спортивного зала а Берлине: 1 — ванты, 2 — поперечные рамы трибун

Рис. 5.18. Двухпоясные висячие покрытия на круглом плане: А — схема конструкций: а — с раздель­ными опорными контурами для рабочих и стабилизирующих тросов, б — то же, с общим опорным контуром, в — со стабилизирующими тросовыми фермами; В — пример применения варианта сис­темы "а": общий вид и разрез по залу здания Дворца спорта "Юбилейный" в С.-Петербурге

Крытия, и соединяются друг с другом жесткими распорками, создающими предвари­тельное натяжение тросов. В статической работе такой системы конструкция покрытия не участвует и может быть устроена по несущим (провисающим) или стабилизирую­щим (выпуклым) тросам.

Наиболее легкими и экономичными типами висячих конструкций являются мем­бранные и тентовые покрытия, совмещающие ограждающие и несущие функции.

Мембранные покрытия чаще всего имеют в качестве основного несущего элемен­та тонкий металлический лист, работающий на растяжение и закрепленный в опорном контуре. Конструкция мембраны может быть различной — плетенка из алюминиевых лент, сварная из отдельных стальных лепестков и т. п. Мембранные покрытия использу­ют в большепролетных общественных и промышленных зданиях. Максимальный про­лет (224×183) перекрыт металлическим мембранным покрытием, очерченным по эллип­соидной поверхности над Олимпийским дворцом спорта в Москве.

Материалом тентовых покрытий служат ткани или синтетические пленки, натяну­тые с помощью системы тросов-подборов или системы рабочих и стабилизирующих тро­сов. Основная область использования тентовых покрытий — временные сооружения боль­ших пролетов — цирки шапито, выставочные залы или спортивные павильоны, склады.

3 — 10507

Тентовые или висячие конструкции из мягких оболочек изобретены в середине XX века и получили применение наряду с временными сооружениями (склады, ангары, цирки шапито) в уникальных, но также ориентированных на недолгий срок эксплуатации объектах, например в Олимпийских спортивных сооружениях в Мюнхене (рис. 5.19) или выставочном павильоне «Миллениум» в Лондоне.

Рис. 5.19. Мюнхен. Олимпийский дворец спорта, Висячие покрытие мягкой оболочкой. Разрез и план: 1 — рабочий трос; 2 — трос — подбор; 3 — стойка

Пневматические конструкции изобретены в XX в. и применяются в строитель­стве с 40-х годов. Конструкция выполняется из воздухонепроницаемой прорезиненной ткани, синтетической пленки или другого мягкого материала. Конструкция занимает проектное положение благодаря избыточному давлению заполняющего ее воздуха. Раз­личают два типа пневматических конструкций — воздухоопорные и пневмокаркасные (рис. 5.20). Воздухоопорные конструкции используются в виде оболочек, полностью пе­рекрывающих запроектированное помещение. Проектное положение воздухоопорной пленки обеспечивается избыточным давлением крайне незначительной величины (0,002 -0,001 ат), которое не ощущается людьми, находящимися в помещении. Для сохране­ния постоянного уровня избыточного давления входы в помещения осуществляют через специальные шлюзы, оборудованные герметически закрывающимися дверьми, а в сис­тему инженерного оборудования здания включены вентиляторы, подкачивающие воз­дух в эти помещения. Характерные величины пролетов воздухоопорных оболочек — 18­24 м, но в уникальных сооружениях они могут быть значительно больше. 66

Рис. 5.20. Пневматические конструкции. Принцип действия и схемы: а — воздухоопорная; б — пневмокаркасная; 1 — воздухоопорная оболочка; 2 — шлюз; 3 — компрессор; 4 — анкер для крепления к земле; 5 — окно — иллюминатор из свегопрозрачного пластика; 6 — пневматическая арка; 7 — продольные связи — растяжки

Пневматические каркасы выполняют из длинных узких баллонов, в которых под­держивают избыточное давление в 0,3-1,0 атм. Конструктивная форма такого каркаса — арочная. Арки устанавливают вплотную друг к другу (образуя сплошной свод или ку­пол) либо на расстоянии. При устройстве сплошного купола или свода смежность бал­лонов обеспечивается устройством их из двух сплошных полотнищ, прошитых парал­лельными швами по ширине баллонов с образованием пневмопанели. При раздельной установке арок их устойчивость из плоскости обеспечивают растяжками, которые так­же служат промежуточными опорами для водо — и воздухонепроницаемости ткани по­крытия, натягиваемой по аркам. Шаг арок принимают 3-4 м., пролеты — от 12 до 18 м. Пневматические конструкции применяют преимущественно для временных сооруже­ний, требующих быстрого монтажа и демонтажа. Разнообразные пневматические кон­струкции активно используются в рекламных целях при возведении временных выста­вочных павильонов. Широко применяют пневматические конструкции в качестве опа­лубки при возведении монолитных железобетонных оболочек.

При проектировании зданий выбор типа несущих конструкций осуществляют с учетом назначения здания, его капитальности, величины перекрываемого пролета и тех­нико-экономических показателей вариантов. При относительно малых величинах про­летов (до 9-12 м) преимущественное применение получают стоечно-балочные и стено­вые конструкции. С ростом величины пролета (свыше 24 м) возрастает экономическая эффективность применения пространственных криволинейных, складчатых, висячих и других конструкций. В уникальных по назначению сооружениях при выборе несущих конструкций помимо технических большое значение приобретают художественные за­дачи — возможность использования в архитектурной композиции выразительности кон­структивной формы. Из числа основных материалов несущих конструкций предпочте­ние отдается железобетону, позволяющему обеспечить сокращение расхода металла, а также долговечность и огнестойкость сооружения. Металлические конструкции приме­няют при особо значительных величинах пролетов, либо при больших динамических нагрузках.

З*

5.2. Ограждающие конструкции

Согласно их наименованию конструкции несут в здании только ограждающие функции и в зависимости от их расположения могут быть наружными или внутренни­ми, вертикальными, горизонтальными или наклонными. Они, как правило, не участву­ют в пространственной работе конструктивной системы здания в целом, поэтому их ча­сто называют ненесущими. В то же время такие конструкции должны обладать необхо­димой несущей способностью в рамках своей ограждающей функции. Так навесные панели наружных стен должны обладать необходимой прочностью для восприятия на­грузки от собственной массы, ветра и других горизонтальных воздействий приходя­щихся на панель.

Вертикальными наружными ограждающими конструкциями служат фасадные стены, витражи, витрины. Особой композиционной особенностью ненесущих наруж­ных стен (в отличие от несущих стен) является возможность в соответствии с архитек­турным замыслом выполнять их с различным отклонением от вертикали.

Своеобразными наружными ограждающими конструкциями служат стационар­ные солнцезащитные элементы перпендикулярные наружной стене внешние стенки — солнцеломы, параллельные фасадной плоскости солнцезащитные ажурные решетки, го­ризонтальные козырьки сплошные или решетчатые. Материал стационарных солнцеза­щитных элементов — железобетон. Основная функция солнцезащитных ограждающих конструкций — защита внутреннего пространства помещений от избыточной солнечной радиации. Дополнительная (очень существенная) служить активным выразительным средством в общей архитектурной композиции здания. Выбор типа солнцезащитного устройства связан с ориентацией фасадов. Для южных — эффективно применение гори­зонтальных, для западных — вертикальных.

Вертикальными внутренними ограждающими конструкциями служат перегород­ки всех видов (стационарные, складные, раздвижные), а также конструктивные элемен­ты, совмещенные с инженерными системами — вентиляционные шахты и блоки, шахты лифтов, стенки санитарно-технических кабин.

К горизонтальным (и наклонным) наружным ограждающим конструкциям отно­сят светопрозрачные ограждения крытых атриумов, световых фонарей, к внутренним — элементы подвесных потолков и покрытий.

Основная ограждающая функция конструкции определяется ее местоположением в здании. Для наружной конструкции — теплозащитная, для внутренней — акустическая (в зависимости от типа здания — звукоизоляция, звукопоглощение или звукоотражение).

Дополнительные функции наружных ограждающих конструкций — долговечность, огнестойкость, эстетичность, технические качества (в зависимости от типа здания — све — топрозрачность, светопоглощение, светоотражение). Дополнительными функциями внут­ренних ограждающих конструкций являются огнестойкость и эстетические качества. Об­щими для ограждающих, как и для любых конструкций зданий являются требования эко­номичности (по единовременным и эксплуатационным затратам) и индустриальное™.

Следует иметь в виду, что возможность применения конструкций, выполняющих только ограждающие функции зависит от типа проектируемого здания. Так, например, в большинстве промышленных зданий и в большепролетных общественных, наружные стены, как правило, проектируют ненесущими. В то же время в мелкоячеистой объем­но-планировочной структуре жилых зданий наиболее общим принципом является про­ектирование конструкций, совмещающих несущие и ограждающие функции: конструк — 68 ции наружных стен выполняют функции прочности и теплоизоляции, междуэтажные перекрытия — несущие и звукоизоляционные функции, чердачные и цокольные пере­крытия — несущие и теплоизоляционные.

5.3. Конструктивные системы

Конструктивная система представляет собой взаимосвязанную совокупность вертикальных и горизонтальных несущих конструкций здания, которые совместно обеспечивают его прочность, жесткость и устойчивость. Горизонтальные конструкции — перекрытия и покрытия здания воспринимают приходящиеся на них вертикальные и горизонтальные нагрузки и воздействия, передавая их поэтажно на вертикальные несу­щие конструкции. Последние в свою очередь передают эти нагрузки и воздействия че­рез фундаменты основанию.

Горизонтальные несущие конструкции массовых капитальных гражданских зда­ний, как правило, однотипны и обычно представляют собой железобетонный диск (сборный, монолитный или сборно-монолитный).

Вертикальные несущие конструкции разнообразны. Различают стержневые (стойки каркаса) несущие конструкции, плоскостные (стены, диафрагмы), внутренние объемно-пространственные стержни полого сечения на высоту здания (стволы жестко­сти), объемно-пространственные наружные конструкции на высоту здания в виде тон­костенной оболочки замкнутого сечения. Соответственно примененному виду верти­кальных несущих конструкций различают четыре основные конструктивные системы гражданских зданий — каркасную (рамную), стеновую (бескаркасную), ствольную и оболочковую (рис. 5.21). Наряду с основными широко применяют и комбинированные конструктивные системы (рис. 5.22). В этих системах вертикальные несущие конструк­ции компонуют, сочетая разные виды несущих элементов. К их числу относятся систе­мы: каркасно-связевая со связями в виде стен — диафрагм жесткости (каркасно-диафраг — мовая), с неполным каркасом (несущие наружные стены и внутренний каркас), каркас — но-ствольная, ствольно-стеновая, ствольно-оболочковая и др.

ЎIII!

I Iff т т 1 щ III

¦¦¦ t ¦ т

J i i i

—t———————————————— f—

——Ф——————————————- ^—-¦

I I

I

I i * *

I

II

Гггггг Несущие наружные стены *** Внутренние стены

^^ Нснссущне наружные стены = Консоли стеши

Рис. 5.21. Основные конструктивные системы зданий: I — каркасная; И — бескаркасная (стеновая); III — ствольная; IV— оболочковая

1 + П + 1П

4-4—Ы— » * ! ¦ +

Рис. 5.22. Комбинированные конструктивные системы: I — наружные несущие стены4 2 — то же, несущие; 3 — несущие внутренние стены

»Н!

Ы-М-4

Г + га

11 +IV

1-Ш

±1

Тт

Области применения основных и комбинированных систем различны.

Бескаркасная система является основной в массовом жилищном строительстве домов различной этажности, каркасная и каркасно-диафрагмовая — в строительстве жи­лых и массовых общественных зданий, ствольную, ствольно-стеновую, каркасно — ствольную применяют для жилых и общественных зданий высотой более 20 этажей, оболочковую, ствольно-оболочковую, оболочково-дафрагмовую — для многофункцио­нальных зданий выше 40 этажей.

Конструкции семейств ствольных и ствольно-оболочковых систем применяют преимущественно в уникальных высотных зданиях. Массовые объекты строительства проектируют преимущественно на базе разнообразных вариантов каркасных и бескар­касных систем. Варианты бескаркасных систем различают по признаку размещения вертикальных несущих конструкций в здании и расстояния между ними. Так, например, в зависимости от расположения несущих стен в бескаркасном здании различают пере — кресно-стеновой, поперечно-стеновой и продольно-стеновой варианты конструктивной системы (рис. 5.23). Конструкции перекрытий, применяемые в массовом строительстве, в зависимости от величины перекрываемого пролета условно делят на перекрытия ма­лого (2,4 — 4,5 м) и большого (6,0 — 7,2м) пролета.

Соответственно для перекрестно — и поперечно-стенового вариантов бескаркас­ной системы в технической литературе получили широкое распространение термины — бескаркасная система с малым, смешанным и большим шагом поперечных стен, кото­рые будут использованы в дальнейшем изложении.

Системы малого и смешанного шага получили массовое применение в жилищ­ном строительстве, системы продольно-стеновая и поперечно-стеновая большого шага — в массовых общественных зданиях школ, поликлиник и т. п.

Каркасные здания различают в первую очередь по расчетной схеме каркаса — рамной или связевой (см. рис. 5.1)

Несмотря на то, что рамный каркас (благодаря отсутствию вертикальных связе — вых конструкций) обеспечивает максимальную свободу планировочных решений, пре­имущественное применение в практике массового строительства получил связевый кар­кас. Здесь решающую роль сыграли его производственные преимущества (максималь­ная унификация конструкций и простота узловых сопряжений). 70

Рис. 5.23. Варианты бескаркасной системы

В семействе каркасных конструктивных систем в зависимости от расположения и наличия ригелей различают варианты системы с поперечным, продольным расположе­нием ригелей, неполным и безригельным каркасом (рис. 5.24). Основная область приме­нения каркасных систем — проектирование общественных и промышленных зданий. При выборе варианта конструктивной системы каркасных зданий учитывают объемно — планировочные требования: она не должна связывать планировочные решения, ригели каркаса не должны пересекать плоскость потолков помещений, а проходить по их грани­цам и т. п. Поэтому каркас с поперечным расположением ригелей применяют преимуще­ственно в зданиях с регулярной планировочной структурой (гостиниц, общежития, пан­сионаты и т. п.), совмещая шаг поперечных перегородок с шагом ригелей. Каркас с про­дольным расположением ригелей применяют, проектируя общественные здания слож­ной планировочной структуры (школы, лечебно-профилактические учреждения и др.).

71

Рис. 5.24. Варианты каркасной конструктивной системы: а — с продольным расположением риге­лей; б — то же, с поперечным; в — безригельный каркас

Неполный каркас применяют в зависимости от местных условий строительства, диктующих, например, применение несущих наружных стен.

Безригельный каркас в течение длительного времени применялся, главным обра­зом, в проектировании многоэтажных промышленных зданий. С конца 1980-х гг. в об­легченном конструктивном варианте он получил распространение в строительстве жи­лых и общественных зданий.

В промышленном строительстве основной является каркасная система. При этом в многоэтажных промышленных зданиях применяют как полный каркас (с ригелями), так и безригельный,

5.4. Строительные системы

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 индивидуальный. Например, для кирпичных зданий тради — ционна технология ручной кладки несущих стен, а для деревянных — применение руб­ленных бревенчатых стен. Наиболее распространенным является использование одной строительной системы при возведении здания. Такие строительные системы называют основными. Схема их классификации дана на рис. 5.25.

Однако часто функциональные особенности проектируемого здания или эконо­мические соображения приводят к необходимости сочетать по высоте (или протяженно­сти) здания различные системы, а в последних в свою очередь сочетать различные кон­струкционные материалы и технологии возведения. В таких случаях формируют комби­нированную строительную систему здания. Примеры комбинированных конструктив­ной, строительной и систем для многоэтажных домов с нежилыми первыми этажами даны на рис. 5.26.

За годы формирования в России многоукладной экономики объем применения и вариантность комбинированных строительных систем, особенно в индивидуальном проектировании, так называемых, многоэтажных элитных домов и в коттеджных мало-

Этажных, существенно возросли. Однако их конструктивная система преимущественно остается единой — бескаркасной, иногда комбинированной — каркасной в цокольных и подземных гаражных этажах и бескаркасной — в надземных жилых.

Строительная система зданий с несущими стенами из кирпича и мелких блоков являлась исторически одной из основных и за последнее время ее доля даже возросла в возведении жилых зданий различной этажности.

Известное повышение трудозатрат и стоимости при применении рассматривае­мой строительной системы внесли резкое изменение нормативных требований (увели­чение в 2-3 раза) к сопротивлению теплопередаче наружных стен. Практически для большинства районов России это привело к необходимости перехода от традиционных стен сплошной кладки к слоистым — трехслойным с эффективным утеплителем, несу­щая способность которых ограничена пятью этажами. Из большинства традиционных решений удается сохранить сплошную кладку из пустотелых керамических блоков и блоков из автоклавного ячеистого бетона, только в немногочисленных южных районах.

Полносборные каменные системы со стенами из заранее отформованных крупных кирпичных (керамических, каменных) блоков или панелей, изобретены и широко приме­нялись в б. СССР в 50-е — 60-е гг., но затем постепенно ушли из практики. С 1990-х гг. высокий энергоэкономическнй эффект и индустриальность слоистых кирпичных пане­лей стимулировали рост их производства в США и Канаде.

Полносборные здания из бетона возводят в крупноблочной, панельной, каркасно — панельной и объемно-блочной системах.

Крупноблочная строительная система применяется для возведения жилых и мас­совых общественных зданий (школ, поликлиник и т. п.). Предельная высота зданий — 16 этажей, масса блоков 3-5 т. Традиционно для наружных стен блоки формуют однослой­ными из легкого (или ячеистого) бетона, для внутренних — из тяжелого бетона. Разрез­ка стен на блоки (по высоте этажа) преимущественно двухрядная — на простеночные и

73

Рис. 5.26. Пример комбинированной панельной и каркасной системы по высоте жилого дома с встроенным магазином: а — поперечный; б продольный разрез: I — колонна; 2 — ригель каркаса нижнего яруса здания; 3,4 — несущие балки-стенки технического этажа; 5 — несущие стены жилых этажей

Перемычечные элементы. Установку крупных блоков ведут по принципу каменной кладки: на цементно-песчаный раствор и с перевязкой вертикальных швов. Создание крупноблочной строительной системы было первым этапом индустриализации строи­тельства зданий с бетонными несущими стенами. Внедрение панельной системы с бо­лее высоким уровнем индустриальности привело к сокращению объемов крупноблоч­ного строительства. Повышение нормативных теплотехнических требований к наруж­ным стенам способствует дальнейшему вытеснению крупноблочной строительной сис­темы, поскольку она ориентирована на однослойные конструкции стен, сопротивление теплопередаче которых в 2-3 раза ниже ныне требуемых. Поэтому крупноблочную сис­тему вытесняет из практики строительства комбинированная-блочно-панельная с круп­ноблочными внутренними стенами и панельными (многослойными) наружными.

Панельная система применяется в проектировании гражданских зданий высо­той до 30 этажей в обычных условиях строительства и до 14 в сейсмических. Несущие стены панельных зданий состоят из панелей высотой в этаж, протяженностью до 7,2 м, массой до 10 т. В отличие от крупных блоков стеновые панели не самоустойчивы: при возведении их устойчивость обеспечивают монтажные приспособления, в эксплуатации — специальные конструкции стыков и связей. Панели несущих стен устанавливают на цементно-песчаный раствор без перевязки вертикальных стыков.

С конца 1950-х гг. железобетонное панельное домостроение в СССР (как и в ря­де европейских стран) стало основой массового жилищного строительства, как его на­иболее экономически эффективная форма. К концу 1980-х гг. в стране функционирова­ло 600 домостроительных предприятий, обеспечивающих свыше 60% жилищного стро­ительства в стране в целом, а в крупнейших городах — 90%. В 1990-е гг. панельное до­мостроение в России, как и большинство передовых в технологическом отношении от­раслей промышленности переживало резкий спад. Он был связан с рядом организаци­онных просчетов в приватизации и резкого сокращения государственных инвестиций в социальную сферу — строительство жилья, школ и детских учреждений, поликлиник, являвшихся главными потребителями продукции домостроительных предприятий. К объективным причинам спада объемов производства в домостроительной промышлен­ности было отнесено и однообразие ее продукции. Руководителей предприятий устраи­вала политика в течение десятилетий «гнать план» типовой продукции с морально ста­реющими типовыми решениями домов и квартир. Героические усилия архитекторов и конструкторов по совершенствованию проектных решений массовых объектов удава­лось реализовать в ничтожных объектах.

В условиях рыночной экономики и поиска негосударственных инвестиций домо­строительная промышленность с 2000-х гг. вступила в период организационной перест­ройки. Сегодня она возрождается и базируется на учете требований рынка к разнообра­зию домов и квартир, внедрению элементов гибкой планировки и энергоэкономичных объемно-планировочных и конструктивных решений. Организационно это диктует рас­ширение производства преднапряженных длинномерных настилов перекрытий (для обеспечения гибкой планировки квартир), панелей наружных стен с высоким сопротив­лением теплопередаче, доборных изделий для зданий с комбинированными конструк­тивными системами (например, каркасно-стеновыми) или комбинированными строи­тельными системами (сборно-монолитными, кирпично-панельными и др.)

Четкая организационная структура домостроительной промышленности позво­ляет решать такие задачи оперативно. Так, в очень сжатые сроки домостроительные предприятия перешли с производства однослойных на трехслойные панели наружных стен с повышением почти втрое сопротивления теплопередаче. Домостроительная про­мышленность возрождается и в 2002 г. например, в Москве обеспечивает до 70% объе­мов городского жилищного строительства домов различной этажности, с квартирами различных уровней комфортности — коммерческого, муниципального и социального на­значения.

Неизменными остаются преимущества панельного домостроения перед традици­онным в меньшей массе конструкций (на 30-40%), суммарных затрат труда и сроков строительства более, чем на 30% и стоимости на 3-5%.

Ведущим техническим преимуществом панельного домостроения по сравнению с традиционным является его высокая пространственная жесткость, позволившая прак­тически без дополнительного увеличения затрат конструкционных материалов перейти

75

От 5-этажной к! 6-25 — этажной застройке и обеспечивающая сейсмостойкость сооруже­ний при разрушительных землетрясениях.

Каркасно-панельная строительная система

Каркасная система является основной в проектировании одноэтажных и много­этажных промышленных зданий и реализуется чаще всего из сборных железобетонных, реже металлических конструкций.

Каркасно-панельная система является также основной в проектировании общест­венных зданий высотой от I до 30 этажей. Внедрена в СССР в экспериментальное стро­ительство наряду с панельной во второй половине 1940-х гг., а в 1960-е стала основной в процессе индустриализации строительства массовых общественных зданий. В жи­лищном строительстве применяется редко (только при наличии соответствующей про­изводственной базы), так как уступает панельной по показателям затрат труда, сроков строительства и расхода стали.

Однако в проектировании массовых общественных зданий она лидирует, так как ее экономические недостатки искупаются компоновочными преимуществами. Каркас­ная система обеспечивает гибкость планировочных решений при проектировании и от­носительно недорогие мероприятия по модернизации и даже перепрофилированию зда­ний в процессе их эксплуатации. Такой относительно незначительный компоновочный недостаток каркасно-панельной системы, как наличие выступающих в интерьер риге­лей преодолим при использовании безригельных каркасов или подвесных потолков.

Естественно каркасно-панельное строительство (аналогично панельному) испы­тало те же затруднения, связанные с перестройкой экономики.

Наряду с этим каркасная система с середины 1990-х гг. получает развитие в мо­нолитном и сборно-монолитном вариантах многоэтажного коммерческого жилища, в котором колонны (или пилоны) служат обеспечению свободы планировочных решений квартир и встроенных в нижней ярусы здания паркингов.

Объемно-блочная строительная система

Система и конструкции бетонных объемных блоков (несущих и ненесущих) были разработаны и внедрены в экспериментальное строительство в СССР в конце 1950-х гг. В 1970-е гг. были отработаны технологические схемы производства объемных блоков различных конструктивных модификаций, методы их монтажа и завершен отбор более целесообразных монтажных механизмов, заводы объемно-блочного домостроения вы­шли на проектную мощность и новые конструкции получили внедрение в массовое жилищное строительство как в обычных, так и в сложных инженерно-геологических условиях.

Объемно-блочные здания возводят из крупных объемно-пространственных бе­тонных элементов весом до 25 т, заключающих в себе жилую комнату или другой фраг­мент здания. Объемные блоки устанавливают друг на друга как правило «столбами» — без перевязки швов.

Объемно-блочное домостроение обеспечивает существенное снижение суммар­ных трудозатрат (на 12-15% по сравнению с панельным) и прогрессивную структуру этих затрат. Объемно-блочную систему применяли при проектировании жилых зданий, гостиниц, общежитий, пансионатов различной этажности — от одного до 16 этажей.

Наибольший экономический эффект объемно-блочное домостроение обеспечи­вает при большой концентрации строительства, необходимости его осуществления в сжатые сроки и дефиците рабочей силы. В связи с тем, что такой мощной концентрации строительства в настоящее время не возникает, эта строительная система стала временно невостребованной. 76

Монолитная и сборно-монолитная строительные системы

Эти системы применяют преимущественно при возведении жилых зданий сред­ней и повышенной этажности со стеновой или каркасно-стеновой конструктивными си­стемами. К системам монолитного домостроения относят случаи возведения всех несу­щих конструкций из монолитного бетона, к сборно-монолитным — выполнения несущих конструкций частично из монолитного бетона, частично — из сборных железобетонных изделий. Монолитные здания, как правило, проектируют бескаркасными, сборно-моно­литные — и каркасными и бескаркасными. Применяют также монолитную каркасную или стеновую систему с наружными слоистыми стенами из кирпича (кирпично-моно — литную). Первые примеры эпизодического применения монолитного бетона для возве­дения стен и перекрытий гражданских зданий в нашей стране относятся к 1880-м гг. В!930-х гг. вновь возник интерес к этой системе, но она получила преимущественное применение при строительстве специальных сооружений — бункеров, силосов, силос­ных батарей и т. п. Качественно новый этап применения монолитного бетона в нашей стране начался в 1960-е гг. в известной мере под влиянием успешного опыта монолит­ного домостроения в Англии, Франции и некоторых других западных странах.

В 1970-х гг. проведены работы по созданию индустриальных опалубок, освое­нию технологии, возведению домов — представителей и всесторонней проверке эксплу­атационных качеств таких зданий в отечественных природно-климатических условиях. С 1980-х гг. монолитное домостроение составляет существенную и интенсивно разви­вающуюся отрасль жилищного строительства. С 1990-х гг. монолитное домостроение в России получает дополнительный стимул к развитию в связи с активизацией деятельно­сти совместных и зарубежных фирм, импортирующих разнообразное технологическое оборудование, что обеспечивает широкий диапазон технических решений и отбор наи­более совершенных.

На архитектурно-планировочные и конструктивные решения зданий существен­но влияет избранный метод бетонирования несущих конструкций зданий. При возведе­нии бескаркасных зданий преимущественно применяют скользящую, объемно-пере­ставную, щитовую (крупно-и мелкощитовую) и блочную опалубки, при возведении кар­касных — методы щитовой опалубки, подъема этажей (МПЭ) и подъема перекрытий (МПП). Своеобразной разновидностью сборно-монолитного домостроения в последнее десятилетие стала конструктивно-технологическая система зданий, возводимых в ос­тавленной опалубке из полимерных материалов.

Строительные системы зданий с несущими и ограждающими металличес­кими конструкциями получили распространение в малоэтажном строительстве легко­металлических производственных, а затем и общественных зданий комплектной по­ставки и в мобильных одноэтажных зданиях из блок — контейнеров различного типа.

Система легкометаллических зданий получила распространение в строительстве одно-, двухэтажных зданий микрорайонного и районного значения. Наиболее широко она внедряется в строительство предприятий торговли, общественного транспорта, свя­зи, питания и досуга. Легкометаллические конструкции зданий комплектной поставки освоены отечественной промышленностью в 1970-е гг., в 1980-е оно приняло массовый характер; были построены тысячи объектов, в 1990-е возник определенный «строитель­ный бум» в возведении наиболее легких типов таких зданий (преимущественно торго­вых и складских) с широким участием отечественных, совместных и зарубежных фирм.

В полный комплект конструкций зданий комплектной поставки входят стальные колонны, легкие пространственные конструкции, покрытия (чаще всего типа структу-

77

Ра), трехслойные панели наружных стен и покрытий с металлическими обшивками и эффективным утеплителем, специальные профили-нащельники стыков, витражи, окон­ные блоки, комплектующие изделия. Основные экономические преимущества системы заключаются в минимальных сроках строительства (быстровозводимые здания), сниже­нии массы конструкций и трудоемкости строительства. Соответственно применение та­ких конструкций особенно целесообразно в холодном и умеренном климате.

Строительные системы с несущими и ограждающими конструкциями из де­рева и пластмасс как в традиционном так и в полносборном вариантах имеют основ­ной областью внедрения малоэтажное массовое жилищное строительство. По противо­пожарным требованиям в зданиях выше двух этажей имеет место только выборочное использование деревянных конструкций, например для внутриквартирных перекрытий и лестниц в домах с квартирами в двух уровнях и т. п.

Наряду с этим расширяется объем применения строительной системы древесно — клееных конструкций комплектной поставки для большепролетных малоэтажных об­щественных зданий — спортивных залов, крытых рынков, выставочных павильонов, а также для промышленных зданий (преимущественно складских).

Возможность применения таких конструкций (рам, арок, каркасов, оболочек и др.) связана с внедрением прогрессивных технологий склейки древесины водостойкими синтетическими клеями, надежных методов их защиты от возгорания и гниения.



Краска для авто mobihel мобихел avtokraska.ua/mobihel..