Основные архитектурно-строительные конструкции для жилых, промышленных, сельскохозяйственных и общественных зданий. Понятия о конструкциях зданий Классификация строительных конструкций

Все конструкции зданий подразделяются на несущие и ненесущие (в основном – ограждающие ). В отдельных случаях функции несущих и ограждающих конструкций совмещаются (например, наружные несущие стены, чердачные перекрытия и т.п.).

По характеру статической работы несущие конструкции подразделяются на плоскостные и пространственные . В плоскостных все элементы работают либо отдельно, либо в виде жестко связанных между собой плоских систем (остных элементов – стоек, балок, стен, плит перекрытий). В пространственных все элементы работают в двух направлениях. Благодаря этому повышаются жесткость и несущая способность конструкций и снижается расход материалов на их возведение.

Основные конструктивные элементы гражданских зданий – фундаменты, степы и столбы, перекрытия, крыши, лестницы, окна, двери и перегородки (рис. 13.1).

Рис. 13.1. Основные элементы гражданских зданий (а – старой постройки; б – каркасно-панельного современного; в – из объемных блоков) :

1 – фундамент; 2 – цоколь; 3 – несущие продольные стены; 4 – междуэтажные перекрытия; 5 – перегородки; 6 – стропила крыши; 7 – кровля; 8 – лестничная клетка; 9 – чердачное перекрытие; 10 – ригели и колонны каркаса; 11 – навесные стеновые панели; 12 – сваи; 13–13 – объемные блоки (13 – комнаты; 14 – санузлов и кухонь; 15 – лестничной клетки); 16 – отмостка

Фундаменты служат для передачи нагрузок от собственного веса здания, от людей и оборудования, от снега и ветра на грунт. Они являются подземными конструкциями и устраиваются под несущими стенами и столбами. Грунт является основанием для фундаментов. Основание должно быть прочным и малосжимаемым при его нагружении. Верхние слои грунта, как правило, недостаточно прочные. Поэтому подошву фундамента располагают (закладывают) на некоторой глубине от поверхности земли. Глубина заложения фундамента определяется не только прочностью грунта, но и его составом и климатическими особенностями местности. Так, в глинистых, суглинистых супесчаных грунтах и в мелких песках глубина заложения фундамента должна быть ниже глубины промерзания грунта. Эта глубина дается в СНиП 29-99 "Строительная климатология". В отапливаемых зданиях

глубина заложения фундамента может быть уменьшена в зависимости от теплового режима в здании (центральное или печное отопление, расчетные внутренние температуры), так как отапливаемое здание прогревает грунт под ним и глубина промерзания уменьшается. Указанные выше виды грунтов подвержены пучению. Вода, скапливающаяся под подошвой фундамента, замерзает и увеличивается в объеме. Это приводит к неравномерному выпиранию грунта и появлению трещин в фундаментах и стенах.

В зданиях с подвалом глубина заложения фундамента зависит от высоты подвального помещения.

Подошва фундамента должна иметь такую площадь, чтобы нагрузка, передаваемая на грунт, не превышала допускаемого для этого грунта напряжения, составляющего обычно 1–3 кг/см2. Фундаменты обычно делают из водостойкого материала (бетонные блоки, монолитный железобетон). В зданиях исторической застройки фундаменты обычно делались из естественного камня (бута) или из бутобетона. Кирпич практически не применялся, за исключением очень хорошо обожженного так называемого инженерного кирпича, практически не впитывавшего воду.

Основные типы фундаментов следующие: ленточные, столбчатые, свайные и в виде монолитной железобетонной плиты иод всем зданием.

Ленточные фундаменты подразделяются на сборные и монолитные. Монолитные выполняются из кладки бутового камня.

Они трудоемки в изготовлении и применяются в настоящее время для малоэтажного строительства только там, где бутовый камень является местным строительным материалом. Более рационально изготавливать фундаменты из монолитного бетона с применением инвентарной щитовой опалубки. Ленточные фундаменты из сборных железобетонных блоков являются наиболее рациональным решением при наличии в районе строительства производства таких блоков и кранового оборудования для их монтажа.

Конструкции ленточных фундаментов показаны на рис. 13.2.

Рис. 13.2.

а – на песчаной подушке; б – бутобетонный фундамент малоэтажного дома; в – бутовый фундамент малоэтажного дома; г – бутовый фундамент с уступами; д – бутовый фундамент здания с подвалом; е – бутобетонный фундамент дома с подвалом; ж – сборный фундамент малоэтажного дома; з – сборный фундамент многоэтажного дома; и – сборный фундамент многоэтажного дома на сильносжимаемом или просадочном грунте; 1 – монолитный или сборный фундамент; 2 – фундаментная стена; 3 – фундаментный стеновой блок; 4 – гидроизоляция; 5 – стена надземной части здания; 6 – слой песка или щебня толщиной 50–100 мм; 7 – армированный пояс; 8 – уровень пола первого этажа; 9 – кирпичная облицовка; 10 – пол подвала; 11 – песчаная подушка; 12 – надподвальное перекрытие

Столбчатые фундаменты применяют при строительстве малоэтажных зданий, передающих на грунт давление меньше нормативного, или при возведении каркасных зданий (рис. 13.3). Столбчатые фундаменты могут быть монолитными или сборными. При стеновой конструктивной системе возводимого здания они устанавливаются под углами стен, а также в местах пересечения продольных наружных и поперечных внутренних стен, но не реже чем через 3–5 м. Фундаментные столбы связывают железобетонными фундаментными балками прямоугольного или таврового сечения. Для предотвращения повреждений от неравномерных осадок и от выпирания грунта при пучении между грунтом и балками устраивают зазор 5–7 см, а также делают песчаную подготовку на глубину до 50 см. Для каркасных зданий индустриального строительства устраиваются столбчатые фундаменты стаканного типа.

Рис. 13.3.

а – под кирпичную или деревянную (бревенчатую или брусчатую) стену: б–г – из блоков под кирпичные столбы; д, е – под железобетонные колонны; 1 – железобетонная фундаментная балка; 2 – подсыпка; 3 – отмостка; 4 – гидроизоляция; 5 – кирпичный столб; 6" – блоки-подушки; 7 – железобетонная колонна; 8 – колонна; 9 – башмак стаканного типа; 10 – плита; 11 – блок-стакан

Свайные фундаменты применяют в основном при слабых грунтах. По способу погружения в грунт различают забивные и набивные сваи. Забивные – предварительно изготовленные железобетонные сваи, забиваемые в грунт с помощью копров. В исторических зданиях могут быть деревянные и стальные сваи. Набивные сваи изготавливают непосредственно в грунте в заранее пробуренных скважинах. По характеру работы в грунте различают сваи-стойки, передающие нагрузку через слабый грунт на глубоко расположенный прочный слой грунта, и висячие сваи, передающие нагрузку за счет сил трения между поверхностью сваи и грунтом (рис. 13.4).

Рис. 13.4.

а – сваи-стойки; б, в – сваи трения, или висячие; 1 – забивные сваи; 2 – набивные сваи; 3 – железобетонный ростверк

Конструкции фундаментов, стен подвала и перекрытий над подвалом называют конструкциями нулевого цикла. Они требуют устройства гидроизоляции. Выбор конструктивного решения гидроизоляции зависит от характера воздействия грунтовой влаги, которая может быть безнапорной (капиллярная влага и вода от дождевых осадков и таяния снега) и напорной (при расположении уровня грунтовых вод выше пола подвала).

На рис. 13.5 показана гидроизоляция фундаментов и подвалов при различной высоте уровня грунтовых вод (УТВ) над полом подвала. Деформационный шов в полу подвала устраивается потому, что осадка фундамента под стеной может быть больше, чем осадка пола подвала. Без шва в этом месте возникают трещины, которые называют "забытыми швами". При УГВ более 1 м над уровнем пола подвала железобетонная плита пола подвала должна заводиться под стенку подвала, так как в противном случае она может всплыть по закону Архимеда. Вертикальная гидроизоляция стен подвала защищается кирпичными защитными стенками от обрезков арматуры и битого стекла, которые могут повредить ее при обратной засыпке котлована. В последнее время для этой цели используется оклейка стен подвала, защищенных гидроизоляцией, специальными синтетическими плитками.

Рис. 13.5.

а, б – гидроизоляция при отсутствии напора грунтовых вод; в–д – то же, при напоре грунтовых вод (а – здание без подвала; на других рисунках здания с подвалом); 1 – горизонтальная гидроизоляция; 2 – вертикальная гидроизоляция; 3 – мятая жирная глина; 4 – бетонная подготовка; 5 – чистый пол; 6 – стена подвала; 7 – обмазка горячим битумом; 8 – гидроизоляционный ковер; 9 – защитная стенка; 10 – бетон; 11 – железобетонная плита, 12 – деформационный шов, заполненный мастикой, гидроизоляция с компенсатором

Между стенкой фундамента и подвала и стеной и перекрытием над подвалом устраивается горизонтальная гидроизоляция, защищающая стену от увлажнения капиллярной влагой. В настоящее время, как правило, устраивается оклеенная вертикальная и горизонтальная гидроизоляция из рулонных битумных или синтетических материалов. Обмазка горячим битумом допускается только при УГВ значительно ниже пола подвала. В этом случае под бетонной плитой пола подвала желательно устройство слоя крупного гравия, покрытого провощенной бумагой, препятствующего подъему капиллярной влаги из грунта в плиту пола подвала за счет крупных пустот между гравием, прерывающих капиллярность. Провощенная бумага препятствует проникновению в слой гравия цементного молока, которое при затвердевании создаст капиллярный подсос.

Цокольная часть стены защищается отделочными плитами, повышающими долговечность цоколя. Для отвода дождевой воды вокруг здания устраивают бетонную отмостку, которую часто покрывают асфальтобетоном. Отмостка должна быть шириной 0,7-1,3 м с уклоном i = 0,03 от здания. Она предотвращает проникновение поверхностной воды к подошве фундамента, сохраняет грунт у стены подвала сухим и служит элементом внешнего благоустройства (рис. 13.6).

Рис. 13.6.

Стены делятся на несущие, самонесущие и ненесущие (навесные и стены-заполнения). По месту расположения в здании они могут быть наружными и внутренними. Несущие стены обычно называют капитальными (независимо от их капитальности это слово обозначает основные, главные, более массивные). Эти стены опираются на фундаменты. Самонесущие стены передают на фундаменты нагрузку только от собственного веса. Ненесущие стены несут нагрузку от собственного веса только в пределах одного этажа. Они передают эту нагрузку либо на поперечные несущие стены, либо на междуэтажные перекрытия. Внутренние ненесущие стены – это обычно перегородки. Они служат для деления в пределах этажа больших помещений, ограниченных капитальными стенами, на более мелкие помещения. Они, как правило, не опираются на фундаменты, а устанавливаются на перекрытиях. Во время эксплуатации здания без нарушения его конструктивной целостности перегородки можно удалять или переносить на другое место. Такие перестройки ограничиваются только административными положениями.

Стены традиционных строительных систем возводятся из мелкоразмерных элементов (это традиционный тип конструкции стены). Это кирпич, мелкие керамзитобетонные и газобетонные блоки или блоки из пиленого природного камня, туфа или ракушечника с малой теплопроводностью (рис. 13.7). Стены традиционных построек могут быть также деревянными из бревен, брусьев или каркасно-щитовыми. К этому типу относятся фахверковые здания в средневековых городках Европы. Здесь каркас стен из бревен заполняется кирпичом на глиняном или известковом связующем (рис. 13.8).

Рис. 13.7. :

а, б, г-ж – внутренние стены – несущие и связевые (т.е. диафрагмы жесткости); а–в – кирпичные стены; г–ж – стены из сплошных или пустотелых легкобетонных камней; г, ж, е – стены из природного камня; з, и – кирпичебетонные стены; к – кирпично-шлаковая стена с кирпичными диафрагмами; л – кирпичная стена с термовкладышами из легкобетонных камней; м – кирпично-шлаковая стена с растворными диафрагмами, армированными плитками асбестоцемента (или скобами); н – кирпичная или каменная стена, утепленная снаружи камышитом или фибролитом

Рис. 13.8.

Наиболее распространенным материалом для стен традиционной постройки служит кирпич керамический полнотелый и пустотелый (пустотелый имеет по сравнению с полнотелым лучшие теплотехнические характеристики). Вес кирпича не превышает 4,3 кг, для того чтобы его свободно поднимал рукой каменщик. Размеры рядового кирпича – стандартные: 250 × 120 × 65 мм. Самая большая грань, на которую кладут кирпич, называется постель, длинная боковая – ложок и малая – тычок. Керамические камни – это кирпич удвоенной высоты – 250 × 120 × 138 мм. Глиняные кирпичи обжигаются в специальных печах. Это придает им прочность и водостойкость. Кроме обжиговых керамических изделий существуют силикатные кирпичи (смесь извести и кварцевого песка). Их нельзя применять в конструкциях фундаментов и цоколей здания, так как они менее водостойки, и для кладки печей. В настоящее время в качестве мелкоразмерных стеновых элементов применяются керамзитобетонные и газобетонные блоки размером 200 × 200 × 400 мм, а также сверхтеплые кирпичи "Термолюкс" (рис. 13.9). Они обладают низким коэффициентом теплопроводности кладки 0,18–0,20 Вт/(м °С) и высокой прочностью, позволяющей возводить здания высотой до девяти этажей.

Рис. 13.9. Сверхтеплые кирпичи "Термолюкс"

Прочность каменной стены из мелкоразмерных элементов обеспечивается прочностью камня и раствора и укладкой камней с перевязкой вертикальных швов как в плоскости стены, так и в плоскостях примыкающих стен. На рис. 13.10 показана сплошная кирпичная кладка с различными системами перевязки. Здесь цепная является более прочной, а шестирядная – более технологичной, так как имеет бо́льшую скорость кладки.

Рис. 13.10. :

а – кирпичная стена двухрядной цепной кладки; б – кирпичная стена многорядной (шестирядной) кладки

Устойчивость таких стен обеспечивается их совместной работой с внутренними несущими конструкциями – стенами и перекрытиями. Для этого элементы наружных стен заводятся во внутренние стены путем перевязки кладки и связываются с внутренними стенами с помощью стальных закладных элементов – анкеров. В малоэтажных зданиях с деревянными перекрытиями шаг поперечных несущих стен не должен превышать 12 м, а в домах со сборными железобетонными перекрытиями он достигает 30 м.

Долговечность каменных стен обеспечивается морозостойкостью материалов, применяемых для наружной части кладки. В стенах из ячеистых бетонов, а также в стенах с наружной теплоизоляцией фасадную поверхность покрывают пористой гидрофобной штукатуркой или отделывают облицовочным кирпичом или фасадными плитами. Связь облицовки с кладкой обеспечивается стальными оцинкованными скобами.

Теплозащитная способность современных каменных стен обеспечивается с учетом требований теплоизоляции. С 1995 г. согласно нормам на большей части территории России однослойные кирпичные стены не обеспечивают требований теплозащиты. Поэтому для наружных стен стали применяться слоистые конструкции (рис. 13.11).

Рис. 13.11. :

а – из кирпича с утеплителем и воздушной прослойкой; б – из монолитного железобетона с утеплителем и облицовкой из кирпича

Основными элементами кирпичных стен являются проемы, перемычки, простенки, цоколь и карниз.

Перемычки из кирпича (рядовые или арочные) устраиваются над проемами из архитектурных соображений. Рядовые – над проемами не более 2,0 м по временным деревянным настилам. В нижний ряд по слою цементного раствора укладывается стальная арматура, заанкеренная в простенки. По ней выводят надоконную часть стены высотой не менее четырех рядов, иногда армированную. Арочные перемычки хорошо воспринимают нагрузку, но трудоемки в изготовлении. Они устраиваются из архитектурных соображений и могут иметь различное очертание – арочные и клинчатые. Наиболее распространенные перемычки в массовом строительстве – сборные брусковые из железобетона (несущие – усиленные и ненесущие). Для ненесущих перемычек заделка в простенки – не менее 125 мм, а для несущих – 250 мм. Различные типы перемычек показаны на рис. 13.12.

Рис. 13.12. :

а-г – сборные железобетонные перемычки (а, б – брусковые (тип Б); в – плитные (тип БП); г – балочные (тип БУ); д – арочная; е – плоская клинчатая; 1 – замковый камень; 2 – пята перемычки

Цоколь – нижняя часть наружной стены (рис. 13.13), подвергающаяся неблагоприятным атмосферным и механическим воздействиям, – выполняется из хорошо обожженного керамического кирпича, с последующей отделкой штукатуркой, облицовочным кирпичом, каменными или керамическими плитами. Цоколь подвергается воздействию от падающего на землю дождя, талой воды, прилегающего к нему снегового покрова. Эта влага смачивает материал цоколя и, при замерзании и оттаивании, способствует его разрушению. Цоколь имеет также и архитектурное значение, придает зданию впечатление большей устойчивости. Верхний уступ цоколя (обрез) располагают, как правило, на уровне пола первого этажа, подчеркивая тем самым начало используемого по основному назначению объема здания.

Рис. 13.13.

а – облицованный кирпичом; б – облицованный каменными блоками; в – облицованный плитами; г – оштукатуренный; д – из бетонных блоков вподрезку; е – из железобетонных панелей вподрезку; 1 – фундамент; 2 – стена; 3 – отмостка; 4 – гидроизоляция; 5 – обожжженый кирпич; 6 – цокольные каменные блоки; 7 – бортовой цокольный камень; 8 – облицовочные плиты; 9 – штукатурка; 10 – кровельная сталь; 11 – бетонный блок; 12 – панель фундаментной стены; 13 – конструкция пола первого этажа

Ниже пола первого этажа устраиваются цокольный этаж, подвал или подполье. Цокольный этаж – это помещение ниже первого этажа, высота которого больше чем наполовину выше уровня земли. Подвал – это помещение ниже первого этажа, высота которого меньше чем наполовину выше уровня земли. Подполье – это помещение под полом первого этажа, высота которого равна расстоянию от нижнего перекрытия до уровня земли. Подполье предохраняет конструкции здания от непосредственного воздействия грунтовых вод. Это может быть так называемое холодное подполье. Иногда устраивают полупроходные технические подполья для размещения различных инженерных коммуникаций (вводы водопровода, выпускные трубы канализации, трубы центрального отопления). В этом случае цокольная часть стены должна защищать технические подполья, а также цокольные и подвальные этажи от промерзания.

Карнизы (рис. 13.14) – горизонтальные выступы из плоскости стены. Они предназначены для отвода дождевой воды от поверхности стены и часто выполняют архитектурные функции. По высоте стены может быть несколько небольших карнизов в виде поясков, образующих архитектурные членения по высоте здания. Самый верхний карниз называют венчающим. Вынос карниза из кирпича не должен превышать 300 мм. Вынос железобетонного карниза может быть очень большим.

Рис. 13.14. :

а – общая схема стены с гидроизоляционными устройствами; б – карниз, образуемый напуском кирпича; в, г – карнизы из сборных железобетонных плит: д – карниз, образуемый свесом сплошной панели покрытия; е – карниз, образуемый свесом кровельной панели вентилируемого покрытия; ж – парапет при плоском покрытии с внутренним водоотводом; 1 – свес крыши; 2 – гидроизоляция архитектурного пояса; 3 – подоконный слив; 4 – гидроизоляция кордона цоколя; 5 – цоколь; 6 – гидроизоляция; 7 – отмостка; 8 – слив и желоб из оцинкованной стали; 9 – ограждение; 10 – водосточная труба; 11 – осушающий продух

Деревянные стены по своему конструктивному решению подразделяются на бревенчатые, брусчатые, каркасно-обшивные и щитовые. Древесина хвойных пород, наиболее распространенная в России, является эффективным строительным материалом и имеет хорошие механические и теплоизоляционные свойства. Раньше основными недостатками деревянных конструкций были их подверженность гниению и возгораемость. Современные технологии позволяют устранить эти недостатки.

Конструкции бревенчатых стен показаны на рис. 13.15. Брусчатые стены (рис. 13.16) возводят из заранее изготовленных на заводе брусьев, что исключает ручную обработку бревен и вязку углов. Особое внимание следует обращать на конопатку швов между венцами (горизонтальными рядами бревен или брусьев). В течение первых 1,5-2,0 лет сруб высотой в этаж дает осадку по высоте на 15–20 см, что следует учитывать при его возведении.

Рис. 13.15.

а – сруб из бревен; б – сопряжение бревен и балок потайным сковороднем; в – сопряжение бревен и балок сквозным сковороднем; г – рубка угла с остатком "в чашу"; д – рубка угла без остатка "в лапу"; е – обработка бревен под рубку без остатка; 1 – венцы сруба; 2 – конопатка; 3 – вставной шип; 4 –защитная доска; 5 – потайной шип; 6 – паз под потайной шип; 7 – отлив; 8 – цоколь

Рис. 13.16. :

а – сечения брусчатых стен; б–г – сопряжения брусьев в углу и с внутренней стеной; 1 – брус; 2 – конопатка; 3 – нагель; 4 – шип; 5 – коренной шип

Устойчивость бревенчатых и брусчатых стен обеспечивается связью их в углах и в местах пересечений с поперечными стенами, располагаемыми на расстояниях не более 6–8 м друг от друга. При больших расстояниях стены могут выпучиваться. Для предотвращения выпучивания их укрепляют сжимами из вертикальных парных брусьев, устанавливаемых с двух сторон стены и скрепляемых по высоте между собой через 1,0-1,5 м болтами.

Каркасно-обшивные деревянные стены (рис. 13.17) значительно проще в изготовлении и требуют меньшего количества древесины, чем бревенчатые или брусчатые. Они могут устраиваться непосредственно на месте. Расставленные с определенным шагом стойки с учетом расположения окон и дверей скрепляются снизу и сверху горизонтальными обвязочными брусьями и имеют связующие подкосы по углам здания. Каркас обшивается с внутренней стороны. Затем укладывается рулонная пароизоляция из специального паронепроницаемого материала или из полиэтиленовой пленки. После этого устанавливаются плиты утеплителя (минеральная вата, стекловолокно или пенополистирол). Снаружи стены обшиваются досками толщиной 2,5 см или сайдингом, т.е. искусственными облицовочными элементами в виде досок из металла или синтетического материала. Каркасно-обшивные долю обеспечивают любую степень теплозащиты. Недостатками являются многодельность, возможность осадки утеплителя в процессе эксплуатации. На рис. 13.18 показаны конструкции деревянных стен сэндвичного типа, позволяющие сохранить внешний облик бревенчатой или брусчатой стены, но обеспечивающие выполнение современных требований по теплозащите.

Рис. 13.17. :

а – общий вид каркаса; б – опирание балок на наружную стену в углу; в – опирание балок на внутреннюю стену; 1 – нижняя обвязка 2 (50 × 100 мм); 2 – стойка каркаса 50 × 100 мм; 3 – верхняя обвязка 2 (50 × 100 мм); 4 – балки перекрытий 50 × 200 мм; 5 – распорка 500 × 200 мм; 6 – балка-перемычка; 7 – укороченная стойка; 8 – раскосы жескости; 9 – доборные стойки в углах 50 × 100 мм; 10 – дополнительная стойка проема; 11 – цоколь; 12 – отмостка; 13 – утеплитель между стойками; 14 – утеплитель снаружи; 15 – штукатурка; 16 – фундаментная балка; 17 – анкерные болты

Рис. 13.18.

1 – деревянный брус; 2 – утеплитель; 3 – доска внутренней обшивки; 4, 6 – полубрсвно; 5 – оцилиндрованный брус; 7 – декоративный горбыль

Щитовые стены собираются из укрупненных элементов заводского изготовления – стеновых утепленных щитов. При этом дома могут быть каркасными и бескаркасными. Во втором случае вертикальные стойки обвязки щитов выполняют роль стоек каркаса. Щиты устанавливаются на нижнюю обвязку и скрепляются сверху верхней обвязкой.

Стоечно-балочная конструкция применяется в каркасных зданиях, а также в зданиях с неполным каркасом (наружные несущие стены, внутри – столбы и бачки). Столбы в зданиях с неполным каркасом устанавливают вместо внутренних несущих стен там, где оказывается необходимым раскрыть внутреннее пространство. Каркасные конструкции являются наиболее распространенными в общественных и промышленных зданиях (рис. 13.19, 13.20). Стойки (колонны) каркаса работают на центральное и внецентренное сжатие. Под нагрузкой они могут получить продольный изгиб.

Рис. 13.19.

1 – колонна сечением 400 × 400 мм; 2 – настилраспорка; 3 – ригель таврового сечения; 4 – настил перекрытия; 5 – стык колонн

Рис. 13.20. :

а – общий вид узла; б – конструкция и расчетная схема узла; 1 – колонна; 2 – ригель; 3 – настил-распорка; 4 – закладные детали; 5 – верхняя накладка; 6 – "скрытая консоль" колонны; 7 – сварные швы

Горизонтальный элемент стоечно-балочной системы – балка (ригель) – стержень, работающий на поперечный изгиб под действием вертикальной нагрузки (рис. 13.21). Он имеет сплошное поперечное сечение при пролетах до 12 м. При бо́льших пролетах целесообразно применять балочные конструкции сквозного сечения в виде ферм (рис. 13.22). Стены зданий с железобетонным каркасом могут быть самонесущими, стенами-заполнениями (устанавливаемыми на железобетонные перекрытия, передающими нагрузку на перекрытия и работающими на нагрузку от собственного веса в пределах одного этажа) и навесными, закрепляющимися на колоннах и ригелях каркаса.

Рис. 13.21.

а, г – односкатные и плоские двутаврового сечения; б – то же, для многоскатных покрытий; в – решетчатая для многоскатных покрытий; д – узел опирания балки на колонну; 1 – анкерный болт; 2 – шайба; 3 – опорная плита

Рис. 13.22.

а – сегментная; б – арочная безраскосная; в – с параллельными поясами; г – трапецеидальная

Перекрытия представляют собой горизонтальные несущие конструкции, опирающиеся на несущие стены или столбы и колонны и воспринимающие действующие на них нагрузки. Перекрытия образуют горизонтальные диафрагмы, разделяющие здание на этажи и служащие горизонтальными элементами жесткости здания. В зависимости от положения в здании перекрытия делятся на междуэтажные, чердачные – между верхним этажом и чердаком, подвальные – между первым этажом и подвалом, нижние – между первым этажом и подпольем.

В соответствии с воздействиями к конструкциям перекрытий предъявляются различные требования:

• статические – обеспечение прочности и жесткости. Прочность – это способность выдерживать нагрузки, не разрушаясь. Жесткость характеризуется величиной относительного прогиба конструкции (отношение прогиба к пролету). Для жилых зданий оно должно быть не более 1/200;
• звукоизоляционные – для жилых зданий; перекрытия должны обеспечивать звукоизоляцию разделяемых помещений от воздушного и ударного шума (см. разд. IV);
• теплотехнические – предъявляются к перекрытиям, разделяющим помещения с разными температурными режимами. Эти требования устанавливают для чердачных перекрытий, перекрытий над подвалами и проездами;
• противопожарные – устанавливаются в соответствии с классом здания и диктуют выбор материала и конструкций;
• специальные – водо- и газонепроницаемость, био- и химическая стойкость, например в санитарных узлах, химических лабораториях.

По конструктивному решению перекрытия можно подразделить на балочные и безбалочные, по материалу – на железобетонные плиты (сборные и монолитные) и на перекрытия со стальными, железобетонными или деревянными балками, по методу монтажа – на сборные, монолитные и сборно-монолитные.

Безбалочные (плитные) перекрытия выполняются из железобетонных плит (панелей), имеющих различные конструктивные схемы опирания (рис. 13.23–13.25). При опирании по четырем или трем сторонам плиты работают как пластины и имеют прогибы в двух направлениях. Поэтому и несущая арматура расположена в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Эти плиты имеют сплошное сечение. Плиты, опертые по двум сторонам, имеют рабочую арматуру, расположенную вдоль пролета. Для облегчения их чаще всего делают многопустотными (рис. 13.26). В случае опирания плит по углам и других нетипичных схемах опирания плиты армируются определенным образом с усилением армирования в местах опирания.

Рис. 13.23.

а – с продольными линиями опор; б – с поперечными линиями опор; в – с опиранием по трем или четырем сторонам (по контуру); 1 – панели перекрытия, опирающиеся на несущие стены; 2 – внутренняя продольная или поперечная несущая стена; 3 – наружная несущая стена; 4 – панель перекрытия, опирающаяся на прогон; 5 – прогоны; 6 – колонны; 7 – панель перекрытия размером на комнату, опирающаяся на четыре (три) несущие стены

Рис. 13.24. Плиты-настилы для пролетов 9 (я), 12 (б) и 15 (в) м:

1 – монтажные петли; 2 – продольные ребра; 3 – поперечные ребра

Рис. 13.25.

а – общий вид; б – схема опирания плиты на колонну; 1 – плита; 2 – капитель; 3 – колонна

Рис. 13.26.

Балочные перекрытия собирают из несущих балок и заполнения между ними – наката. Балки могут выполняться из дерева, железобетона или металла. Перекрытия по деревянным балкам устраивают только в одно- и двухэтажных домах. В более высоких домах перекрытия по деревянным балкам применять запрещено пожарными нормами. Устройство деревянных перекрытий показано на рис. 13.27. Для обеспечения звукоизоляции на накате располагается звукоизоляционный слой, утяжеляющий конструкцию для защиты от воздушного шума. Это может быть песок, кирпичный бой или эффективные пористые материалы, обладающие повышенным звукопоглощением. Дощатые полы в деревянных перекрытиях выполняют по лагам, уложенным на балки с упругими звукоизоляционными прокладками. Для вентиляции подпольного пространства по углам помещения устраивают вентиляционные отверстия, закрытые решетками. Потолки оштукатуриваются или подшиваются листами сухой штукатурки. Иногда доски наката шлифуют и покрывают бесцветным лаком, сохраняя фактуру дерева.

Рис. 13.27.

1 – черепные бруски; 2 – балка; 3 – паркет; 4 – черный пол; 5 – лага; 6 – штукатурка; 7 – накат; 8 – смазка глиной; 9 – засыпка

Перекрытия по железобетонным балкам состоят из балок таврового сечения, устанавливаемых с шагом 600, 800 или 1000 мм, и межбалочного заполнения из плит бетонного наката, пустотных легкобетонных блоков или пустотных керамических вкладышей (рис. 13.28). Снизу перекрытия штукатурят. Сверху устраивают выравнивающую цементно-песчаную стяжку, по которой укладывают конструкцию пола на звукоизоляционной прокладке.

Рис. 13.28.

а, б – монолитные; в, г – сборные по железобетонным балкам с гипсовыми плитами; д, е – то же, с легкобетоннымн вкладышами (б – узел сопряжения монолитного участка со сборным перекрытием по железобетонным балкам; д – пример устройства пола из линолеума); 1 – монолитный железобетон; 2 – упругая прокладка; 3 – дощатый пол но лагам; 4 – песок не менее 20 мм; 5 – условно показано сборное перекрытие; 6 – толь; 7 – железобетонная тавровая балка; 8 – плита гипсовая или легкобетонная; 9 – утеплитель (минеральная вата н др.); 10 – пароизоляция; 11 – деревянный каркас; 12 – двухпустотный легкобетонный вкладыш; 13 – линолеум по прослойке из холодной мастики из водостойких вяжущих; 14 – стяжка из легкого бетона 20 мм

Перекрытия по стальным балкам в настоящее время применяют чаще при реконструкции, чем при новом строительстве. Несущие балки двутаврового сечения устанавливают с шагом 1,0-1,5 м. Концы балок заводят на стены с устройством в местах опор бетонных распределительных подушек. Варианты конструкций показаны на рис. 13.29. В общественных зданиях, а также в гостиницах часто применяют перекрытия но металлическим балкам, на которые укладывается профнастил (профилированные стальные оцинкованные листы); далее по нему укладывается монолитная бетонная плита толщиной 60–100 мм над гребнями профнастила. Впадины профнастила служат одновременно опалубкой ребристой бетонной плиты и ее растянутой арматурой. Иногда в ребрах устанавливаются дополнительные арматурные каркасы, а поверх гребней укладывается арматурная сетка. По нижним поясам стальных балок устраивается подвесной потолок. В пространстве между ребристой плитой и подвесным потолком обычно располагаются различные коммуникации, вентиляционные короба, электропроводка и т.п. Устройство такого перекрытия показано на рис. 13.30.

Рис. 13.29.

а – опиранне концов балок на стены; б – деталь крепления анкера; в – перекрытие с заполнением железобетонной монолитной плитой; г – то же, кирпичными сводиками; 1 – стальная балка; 2 – бетонная подушка; 3 – стальной анкер; 4 – заделка бетоном; 5 – болт; 6 – железобетонная монолитная плита; 7 – легкий бетон; 8 – керамическая плитка по слою цементного раствора; 9 – стальная сетка; 10 – дощатый пол по лагам; 11 – два слоя толя; 12 – звукоизоляционный слой; 13 – штукатурка цементным раствором; 14 – кирпичный сводик

Рис. 13.30.

Монолитные перекрытия возводятся на строительной площадке при помощи разных типов опалубки. Они могут быть ребристыми, состоящими из главных и второстепенных монолитных балок и монолитной плиты, кессонными с взаимно пересекающимися балками одинаковой высоты и в виде сплошной монолитной плиты, опирающейся на вертикальные несущие конструкции (рис. 13.31). Для облегчения конструкции применяют сборно-монолитные перекрытия с устройством щитовой опалубки, установкой на ней рядов керамических или легкобетонных вкладышей. Между рядами вкладышей устанавливаются треугольные арматурные каркасы. Поверх вкладышей укладывается арматурная сетка. Затем перекрытие заливается бетоном. После твердения бетона опалубка снимается.

Рис. 13.31.

Фундаменты, стены, элементы каркаса и перекрытия – основные несущие элементы здания. Они образуют несущий остов здания – пространственную систему вертикальных и горизонтальных несущих элементов. Несущий остов несет все нагрузки на здание. Для того чтобы он был устойчивым при воздействии горизонтальных нагрузок (ветер, сейсмика, крановое оборудование в промышленных зданиях), он должен обладать необходимой жесткостью. Это достигается путем устройства продольных и поперечных стен – диафрагм жесткости, жестко связанных с колоннами каркаса или с несущими продольными или поперечными стенами. Жесткость обеспечивается также специальными связями и горизонтальными дисками перекрытий.

Несущий остов определяет конструктивную схему здания.

Крыша предохраняет помещения и конструкции от атмосферных осадков, а также от нагрева прямыми лучами солнца (солнечной радиацией). Она состоит из несущей части (стропила и обрешетка в зданиях из традиционных конструкций) и железобетонных кровельных плит в индустриальных зданиях, а также из наружной оболочки – кровли, непосредственно подвергающейся атмосферным воздействиям. Кровля состоит из водонепроницаемого так называемого гидроизоляционного ковра и основания (обрешетки, настила). Материал гидроизоляционного ковра дает название крыши (черепичная, металлическая, ондулиновая и т.п.), так как от его свойств зависят такие качества крыши, как водонепроницаемость, невозгораемость и вес. Крышам придают уклон для стока дождевых и талых вод. Крутизна уклонов зависит от материала кровли, ее гладкости, количества стыков, через которые может проникать вода. Чем более гладок материал, чем меньше стыков и чем они плотнее, тем более пологими могут быть скаты крыши. Лежащий на скатах снег во время оттепелей насыщается в своих нижних слоях талой водой, которая протекает через неплотности кровельного материала внутрь здания. Поэтому в черепичных и металлических крышах уклоны должны быть значительными. Однако с увеличением уклона крыши возрастает площадь кровли и объем чердака.

Для освещения и проветривания чердаков делаются слуховые окна, которые должны располагаться ближе к коньку крыши и служить для вытяжки воздуха из чердака. Для притока вентиляционного воздуха в чердачное пространство необходимо устраивать застрехи – проемы или щели в карнизном узле крыши.

Для этой же цели могут служить люки для выхода из чердака на крышу, располагающиеся ближе к краю крыши (рис. 13.32).

Рис. 13.32.

1 – застреха (приток); 2 – слуховое окно (вытяжка); 3 – вытяжное отверстие во фронтоне; 4 – решетка жалюзи

Такие чердаки называются холодными. Температура в них должна быть близка к наружной. В этом случае крыша не будет иметь протечек. В таких чердаках нельзя располагать инженерное оборудование и трубопроводы с водой, так как она может замерзнуть. В зданиях свыше 12 этажей, строящихся в центральных и северных районах, применяются теплые чердаки или технические этажи (рис. 13.33). Кровля таких чердаков имеет утепление. В теплых чердаках зимой поддерживается положительная температура за счет вентиляционного воздуха, поступающего в чердак из вентиляционных каналов, заканчивающихся на чердаке. Отработанный вентиляционный воздух удаляется из пространства чердака через трубы или каналы большого сечения (по одному на секцию). В теплых чердаках размещается различное инженерное оборудование. Теплые чердаки предохраняют также помещения от протечек кровли.

Рис. 13.33.

а, б – с холодным чердаком с рулонной (а) и безрулонной (6 ) кровлей; в, г – с теплым чердаком с рулонной (в) и безрулонной (г) кровлей; д, е – с открытым чердаком с рулонной (д) и безрулонной (е) кровлей; 1 – опорный элемент; 2 – плита чердачного перекрытия; 3 – утеплитель; 4 – неутепленная кровельная плита; 5 – рулонный ковер; 6 – водосборный лоток; 7 – опорная рама; 8 – защитный слой; 9 – пароизоляционный слой; 10 – полоса рубероида; 11 – опорный элемент фризовой панели; 12 – кровельная плита безрулонной крыши; 13 – гидроизоляционный слой из мастичных или окрасочных составов; 14 – П-образная плита-нащельник; 15 – водосточная воронка; 16 – вентиляционный блок (шахта); 17 – оголовок вентиляционного блока; 18 – легкобетонная однослойная кровельная плита; 19 – машинное отделение лифта; 20 – легкобетонная плита лотка; 21 – двухслойная кровельная плита; 22 – неутепленная фризовая панель; 23 – утепленная фризовая панель

Крыша, совмещенная с чердачным перекрытием (без технического этажа), называется невентилируемой совмещенной крышей или покрытием. Если между кровлей и чердачным перекрытием имеется воздушная прослойка, соединяющаяся с наружным воздухом, то такая крыша называется вентилируемой совмещенной крышей (рис. 13.34).

Рис. 13.34.

а – раздельной конструкции с рулонной кровлей; б – раздельной конструкции с безрулонной кровлей; в – совмещенной панельной однослойной конструкции; г – то же, трехслойной; д – то же, построечного изготовления; 1 – панель чердачного перекрытия; 2 – утеплитель; 3 – фризовая панель; 4 – кровельная панель безрулонной крыши; 5 – опорный элемент; 6 – однослойная легкобетонная кровельная панель; 7 – рулонный ковер; 8 – трехслойная кровельная панель; 9 – цементная стяжка; 10 – слой керамзита но уклону; 11 – слой прокладочного рубероида на мастике

Хорошо выполненные плоские совмещенные крыши можно использовать в качестве площадок для отдыха и для других целей.

Скатная стропильная крыша является традиционной. В зависимости от формы здания в плане формы крыш могут быть различными (рис. 13.35). Несущие конструкции традиционной скатной крыши называются стропилами. Стропила бывают наклонными, висячими. При больших пролетах применяются комбинированные конструкции стропил, где стропильные ноги опираются на стены и стойку посередине пролета, которая в свою очередь опирается на нижний пояс стропил, являющийся балкой подвесного чердачного перекрытия (рис. 13.36). Фермы висячих стропил располагают с шагом 3,0-3,6 м и объединяют их продольными горизонтальными балками, на которые опирают стойки более легких промежуточных наслонных стропил с шагом 1,0-1,2 м.

Рис. 13.35.

а – односкатная; б – двускатная; в – крыша с мансардой; г – шатровая; д,е – общий вид и план крыши дома; ж – пример построения ската крыши; з,и – полувальмовыс торцы двускатной крыши; 1 – свес крыши; 2 – слуховое окно; 3 – тимпан фронтона; 4 – фронтон; 5 – конек; 6 – скат; 7 – щипец; 8 – ендова (самая низкая линия покрытия для организации водостока); 9 – накосное ребро; 10 – вальма (скат шатровой крыши, имеющий треугольную форму и расположенный с торцовой стороны здания); 11 – полувальма

Рис. 13.36.

а – наклонные стропила для односкатных крыш; б – то же, для двухскатных; в – то же, висячие; г – то же, комбинированные; 1 – мауэрлат (брус, лежащий на стене и служащий для опирания стропильных ног или затяжки висячих стропил); 2 – внутренняя пилястра; 3 – ригель; 4 – схватка; 5 – стропильная нога; 6 – затяжка; 7 – подвеска; 8 – балка подвесного чердачного перекрытия

Все опорные узлы стропильных конструкций располагают на 400–500 мм выше верхнего уровня чердачного перекрытия. Устройство организованного наружного водоотвода показано на рис. 13.37, 13.38. Сравнение стальных желобов на кровле и карнизах и подвесных желобов показывает, что лучшими эксплуатационными качествами обладают подвесные желоба, при которых риск протечек гораздо меньше. Во избежание морозного разрушения системы наружного водоотвода и образования на желобах и карнизных свесях и в водосточных трубах наледей и сосулек целесообразно в зимнее время устраивать систему подогрева карнизных узлов.

Рис. 13.37.

а – разрез по кровле; б – фалец (соединение металлических плоских кровельных листов) лежачий одинарный; в – то же, двойной; г – стоячий одинарный; д – то же, двойной; 1 – Т-образный стальной костыль через 700 мм; 2 – воронки водосточной трубы; 3 – картина свеса кровли; 4 – настенный желоб; 5 – картина настенного желоба; 6 – лежачий фалец; 7 – кровельная сталь; 8 – стоячий фалец; 9 – доска коньковая; 10 – бруски и доски обрешетки; 11 – кляммеры; 12 – скрутка из проволоки; 13 – костыль

Рис. 13.38.

а – разрез по кровле: б – вариант устройства конька: в – устройство ендовы; 1 – крюк для подвесного желоба: 2 – кровельная сталь; 3 – волнистый асбестоцементный лист обыкновенного профиля; 4 – сплошные участки обрешетки у карниза и в ендовах; 5 – бруски обрешетки; 6 – коньковые брусья; 7 – фасонная коньковая деталь; 8 – гвоздь или шуруп; 9 – упругая прокладка; 10 – скрутка

Основанием кровли скатных крыш служит обрешетка под все виды листовых материалов и черепицы, прибитая к стропильным ногам и кобылкам. Обрешетка бывает разреженной (под листовую сталь и под черепицу), а также сплошной – под современные кровельные материалы типа "Икопал" или "Ондулин". В пониженных сопряжениях скатов (лотки, ендовы), а также вдоль карнизов, помимо сплошной обрешетки, до укладки основного кровельного материала в целях защиты от протечек устанавливают покрытие из стальных листов.

Лестницы служат для сообщения между этажами. Помещения, в которых располагаются лестницы, называются лестничными клетками. Стены лестничных клеток в зданиях выше двух этажей должны обладать высокой огнестойкостью, так как лестничные клетки являются путями эвакуации людей при пожаре. В зданиях высотой от 12 этажей и выше лестничные клетки должны быть незадымляемыми (рис. 13.39). Габариты ступеней следует определять исходя из нормального шага человека: 2а + b = 600: 630 мм (где а – высота, b – глубина ступеньки). Исходя из этого условия высоту подступенка (а) назначают 150–180 мм. В многоэтажных домах лестницы между этажами имеют ступени 150 × 300 мм. В деревянных лестницах внутри квартир высота подступенка может достигать 180 мм и более. Конструкции лестниц в основном состоят из маршей и площадок (рис. 13.40, 13.41) и ограждаются перилами. В домах традиционной постройки применяются лестницы из мелкоразмерных элементов по косоурам (косо уложенным балкам лестничных маршей) и подкосоурным балкам (рис. 13.42). Конструкция деревянной лестницы приведена на рис. 13.43.

Рис. 13.39.

Рис. 13.40.

1 – лестничные площадки; 2 – лестничные марши; 3 – фрагмент ограждения

Рис. 13.41.

1 – фризовая ступень верхняя; 2 – стойка огражденяя; 3 – лестничная площадка

Окна (светопроемы) устраиваются для освещения и проветривания (естественной вентиляции или аэрации) помещений.

Рис. 13.42.

Рис. 13.43.

Они состоят из оконных проемов, рам или коробок и заполнения проемов, называемого оконными переплетами. Окна проектируются в зависимости от требований норм по естественному освещению. Они связывают наружное пространство с внутренней средой и должны пропускать достаточное количество естественного света, обеспечивать инсоляцию, т.е. проникновение солнечных лучей в помещение, создавать визуальную связь внешнего и внутреннего пространства. В то же время окна должны защищать помещение от низких температур зимой, от перегрева летом, от уличного шума, от дождя и ветра. Проектирование светопроемов является сложной задачей. Ее решение изучается в курсе "Физика среды и ограждающих конструкций" и в магистратуре. В многоэтажных зданиях оконные проемы располагаются в стенах друг над другом. В этом случае нагрузка, передающаяся на наружные стены, воспринимается простенками. В каркасных зданиях окна могут располагаться на фасаде как угодно. На рис. 13.44 и 13.45 показана конструкция традиционных окон со спаренными и раздельными переплетами соответственно.

Рис. 13.44.

1 – просмоленная пакля (при производстве работ зимой) или пакля, смоченная в гипсовом растворе (при производстве работ летом); 2 – цементный раствор; 3 – мастика; 4 – наличник; 5 – борт слива высотой 20 мм; 6 – слив из оцинкованной стали; 7 – подоконник; 8 – металлическая полоса 20 × 40 мм (3 шт. на проем)

Рис. 13.45.

1 – коробка; 2 – просмоленная пакля; 3 – гвоздь; 4 – деревянная пробка; 5 – петля; 6 – обвязка переплета; 7 – стекло; 8 – раскладка; 9 – штапик; 10 – обвязка форточки; 11 – форточка; 12 – створки; 13 – отлив; 14 – горбылек; 15 – раствор; 16 – отлив из оцинкованной стали; 17 – подоконник

Двери бывают наружными входными, входными в квартиру, внутриквартирными и балконными. В связи с этим к ним предъявляются различные требования по защите от нежелательного проникновения, огнестойкости, теплоизоляции, защите от шума.

Рассмотренные конструктивные элементы характерны как для гражданских, так и для промышленных зданий. Однако промышленные здания имеют некоторые отличия по своей структуре. Промышленные здания бывают одно-, двух- и многоэтажные. Одноэтажные здания (рис. 13.46) используются для различных производств с тяжелым оборудованием или где производятся изделия значительного веса. Для работы с таким оборудованием применяются мостовые и подвесные краны. Пол устраивают на грунте. Одноэтажные промышленные здания обычно не имеют подвалов и чердаков. Конструкции промышленных зданий, за исключением исторических, в основном каркасные, состоящие из колонн, располагающихся рядами, на которые уложены стропильные конструкции, в основном фермы. Расстояние между двумя параллельными рядами колонн называется пролетом, величина его составляет от 12 до 36 м. Однако в зданиях, где производятся крупногабаритные изделия (самолеты, корабли, атомные реакторы), размер пролета может быть значительно больше (60, 72, 84 м и более). Если здание имеет несколько пролетов, оно называется многопролетным. Для естественного освещения средних пролетов в крыше здания устраиваются световые проемы – фонари. Некоторые тины фонарей могут использоваться также или специально для аэрации.

Рис. 13.46.

Многоэтажные промышленные здания (рис. 13.47) в качестве несущего остова обычно имеют каркас, состоящий из колонн и ригелей, по которым укладываются конструкции перекрытий. Технологическое оборудование устанавливается на перекрытиях, поэтому пролеты не превышают 12 м. По этим же соображениям многоэтажные промышленные здания предназначаются для производств с относительно легким оборудованием (электротехническая, легкая, текстильная, пищевая промышленность и т.п.). В многоэтажных промышленных зданиях обычно устраивают технические этажи и подвалы. При использовании естественного освещения ширина таких зданий не превышает 36 м.

Рис. 13.47.

а – фасад; б – план; в – поперечный разрез

Двухэтажные промышленные здания имеют в нижнем этаже небольшие пролеты (6–9 м). Во втором этаже пролеты могут быть такими же, как в обычных одноэтажных промышленных зданиях. В нижнем этаже размещаются вспомогательные производства и административно-бытовые помещения, а также склады и т.п. В верхнем этаже расположены основные производства, размещающиеся в больших пролетах. Такая компоновка промышленных зданий позволяет экономить дорогую площадь застройки.

Разделение строительных конструкций по функциональному назначению на несущие и ограждающие в значительной мере условно. Если такие конструкции, как арки, фермы или рамы, являются только несущими, то панели стен и покрытий, оболочки, своды, складки и т. п. обычно совмещают ограждающие и несущие функции, что отвечает одной из важнейших тенденций развития современных строительных конструкций. В зависимости от расчетной схемы несущие строительные конструкции подразделяют на плоские (например, балки, фермы, рамы) и пространственные (оболочки, своды, купола и т. п.). Пространственные конструкции характеризуются более выгодным (по сравнению с плоскими) распределением усилий и, соответственно, меньшим расходом материалов. Однако их изготовление и монтаж во многих случаях оказываются весьма трудоемкими. Новые типы пространственных конструкций, например структурные конструкции из прокатных профилей на болтовых соединениях, отличаются как экономичностью, так и сравнительной простотой изготовления и монтажа. По виду материала различают следующие основные типы строительных конструкций: бетонные и железобетонные, стальные, каменные, деревянные.

Бетонные и железобетонные конструкции -- наиболее распространенные как по объему, так и по областям применения. Для современного строительства особенно характерно применение железобетона в виде сборных конструкций индустриального изготовления, используемых при возведении жилых, общественных и производственных зданий и многих инженерных сооружений. Рациональные области применения монолитного железобетона: гидротехнические сооружения, дорожные и аэродромные покрытия, фундаменты под промышленное оборудование, резервуары, башни, элеваторы и т.п. Специальные виды бетона и железобетона используют при строительстве сооружений, эксплуатируемых при высоких и низких температурах или в условиях химически агрессивных сред (тепловые агрегаты, здания и сооружения черной и цветной металлургии, химической промышленности и др.). Применение высокопрочных бетонов и арматуры, рост производства предварительно напряженных конструкций, расширение областей использования легких и ячеистых бетонов способствуют уменьшению массы, снижению стоимости и расхода материалов в железобетонных конструкциях.

Стальные конструкции применяются главным образом для каркасов большепролетных зданий и сооружений, для цехов с тяжелым крановым оборудованием, домен, резервуаров большой емкости, мостов, сооружений башенного типа и др. Области использования стальных и железобетонных конструкций в ряде случаев совпадают. При этом выбор типа конструкций производится с учетом соотношения их стоимостей, а также в зависимости от района строительства и местонахождения предприятий строительной индустрии. Существенное преимущество стальных конструкций по сравнению с железобетонными -- их меньшая масса. Этим определяется целесообразность их применения в районах с высокой сейсмичностью, труднодоступных областях Крайнего Севера, пустынных и высокогорных районах. Расширение объемов использования сталей высокой прочности и экономичных профилей проката, а также создание эффективных пространственных конструкций, в том числе из тонколистовой стали, позволят значительно снизить вес зданий и сооружений.

Основная область применения Каменных конструкций -- стены и перегородки. Здания из кирпича, природного камня, мелких блоков и т. п. в меньшей степени удовлетворяют требованиям индустриального строительства, чем крупнопанельные здания. Поэтому их доля в общем объеме строительства постепенно снижается. Однако использование высокопрочного кирпича, армокаменных и комплексных конструкций (каменных конструкций, усиленных стальной арматурой или железобетонными элементами) позволяет значительно увеличить несущую способность зданий с каменными стенами, а переход от ручной кладки к применению кирпичных и керамических панелей заводского изготовления -- существенно повысить степень индустриализации строительства и снизить трудоемкость возведения зданий из каменных материалов.

Основное направление в развитии современных деревянных конструкций -- переход к конструкциям из клееной древесины. Возможность индустриального изготовления и получения конструктивных элементов необходимых размеров посредством склеивания определяет их преимущества по сравнению с деревянными конструкциями других видов. Несущие и ограждающие клееные конструкции находят широкое применение в сельском строительстве.

В современном строительстве значительное распространение получают новые типы индустриальных конструкций -- асбестоцементные изделия и конструкции, пневматические строительные конструкции, Конструкции из легких сплавов и с применением пластических масс. Их основные достоинства -- низкая удельная масса и возможность заводского изготовления на механизированных поточных линиях. Легкие трехслойные панели (с обшивками из профилированной стали, алюминия, асбестоцемента и с пластмассовыми утеплителями) применяют в качестве ограждающих конструкций вместо тяжелых железобетонных и керамзитобетонных панелей.

С точки зрения эксплуатационных требований строительные конструкции должны отвечать своему назначению, быть огнестойкими и коррозиеустойчивыми, безопасными, удобными и экономичными в эксплуатации. Масштабы и темпы массового строительства предъявляют к строительным конструкциям требования индустриальное их изготовления (в заводских условиях), экономичности, удобства транспортировки и быстроты монтажа на строительном объекте. Особое значение имеет снижение трудоемкости как при изготовлении строительных конструкций, так и в процессе возведения зданий и сооружений. Одна из важнейших задач современного строительства -- снижение массы строительных конструкций на основе широкого применения легких эффективных материалов и совершенствования конструктивных решений.

При проектировании того или иного здания (сооружения) оптимальные типы строительных конструкций и материалы для них выбираются в соответствии с конкретными условиями строительства и эксплуатации здания, с учетом необходимости использования местных материалов и сокращения транспортных расходов. При проектировании объектов массового строительства, как правило, применяются типовые строительные конструкции и унифицированные габаритные схемы сооружений.

Строительными несущими конструкциями промышленных и гражданских зданий и инженерных сооружений называются конструкции, размеры сечений которых определяются расчетом. Это основное их отличие от архитектурных конструкций или частей зданий, размеры сечений которых назначаются согласно архитектурным, теплотехническим или другим специальным требованиям.

Современные строительные конструкции должны удовлетворять следующим требованиям: эксплуатационным, экологическим, техническим, экономическим, производственным, эстетическим и др.

При сооружении объектов газонефтепроводов широко применяются стальные и сборные железобетонные конструкции, в т. ч. наиболее прогрессивные - предварительно напряженные, В последнее время получают развитие конструкции из алюминиевых сплавов, полимерных материалов, керамики и других эффективных материалов.

Строительные конструкции очень разнообразны по своему назначению и применению. Тем не менее их можно объединить по некоторым признакам общности тех или иных свойств и целесообразнее всего классифицировать по следующим основным признакам:

1) по геометрическому признаку конструкции принято разделять на массивы, брусья, плиты, оболочки (рис. 1.1) и стержневые системы:

Массив - конструкция, в которой все размеры одного порядка;

брус - элемент, в котором два размера, определяющие поперечное сечение, во много раз меньше третьего - его длины, т.е. они разного порядка: b «I, h «/; брус с ломаной осью принято называть простейшей рамой, а с криволинейной осью - аркой.

плита - элемент, в котором один размер во много раз меньше двух других: h «a, h «I. Плита является частным случаем более общего понятия - оболочки, которая в отличие от плиты имеет криволинейное очертание;

стержневые системы представляют собой геометрически неизменяемые системы стержней, соединенных между собой шарнирно или жестко. К ним относят строительные фермы (балочные или консольные) (рис. 1.2).

по характеру расчетной схемы конструкции делят на статически определимые и статически неопределимые. К первым относят системы (конструкции), усилия или напряжения в которых могут быть определены только из уравнений статики (уравнений равновесия), ко вторым - такие, для которых одних уравнений статики недостаточно и для решения требуется введение дополнительных условий - уравнений совместимости деформаций.

по используемым материалам конструкции делят на стальные, деревянные, железобетонные, бетонные, каменные (кирпичные);

4) по характеру напряженно-деформированного состояния (НДС), т.е. возникающих в конструкциях внутренних усилий, напряжений и деформаций под действием внешней нагрузки, условно можно поделить их натри группы: простейшие, простые и сложные (табл. 1.1).

Такое разделение позволяет привести в систему характеристики видов напряженно-деформированных состояний конструкций, которые широко распространены в строительной практике. В представленной таблицетрудно отразить все тонкости и особенности указанных состояний, но она дает возможность сравнить и оценить их в целом.

Основные конструктивные элементы зданий

Конструктивные элементы, или строительные кон­струкции зданий, представляют собой материальную основу зданий, обеспечивающую их эксплуатационные качества в те­чение всего срока службы.

Строительные конструкции предназначены для восприятия без разрушения и заметных деформаций всех действующих на здание нагрузок (собственный вес конструкций , мебели, обору­дования; нагрузки от находящихся в нем людей, ветра, снега, сейсмических колебаний и др.) и воздействий (от солнечной радиации, атмосферной влаги и т. д.), а также защиты помеще­ний от воздействия внешней среды (холода, жары, шума, ветра и других неблагоприятных несиловых воздействий).

По расположению в объеме здания конструктивные элемен­ты подразделяются на вертикальные и горизонтальные.

По функциональному назначению конструктивные элементы делят на несущие и ограждающие . При этом один элемент мо­жет выполнять и несущие, и ограждающие функции, например наружная стена.

Такие строительные конструкции называются Конструкциями совмещенного типа. Вертикальные несущие эле­менты в гражданских зданиях, как правило, дифференцируют на несущие и ограждающие.

Несущие конструкции предназначены для восприятия нагру­зок в месте их приложения и для передачи нагрузок на другие элементы . С геометрической точки зрения мы различаем: то­чечные элементы (узлы, опоры, шарниры); линейные элементы (балки, стержни ферм, тросы); плоскостные элементы (плиты, диски); корпусные (пространственные) элементы . Несущие конструкции должны отвечать требованиям прочности, геоме­трической неизменяемости, устойчивости и долговечности.

Несущие конструктивные элементы характеризуют тремя признаками (по одному из каждой пары):

1.плоскостные - про­странственные;

2.сплошные (сплошностенчатые) - решетчатые (сквозные, сетчатые);

3.безраспорные - распорные.

Ограждающие конструкции Защищают помещения от внеш­них воздействий или выгораживают отдельные помещения в объеме здания. По восприятию нагрузок и передаче их на дру­гие конструкции различают самонесущие, навесные и комби­нированные ограждающие конструкции.

Самонесущие ограждающие конструкции , Кроме собствен­ного веса (иногда еще и ветра), не воспринимают никаких дру­гих нагрузок. Они, как правило, опираются на собственные фундаменты или на фундаментные балки, которые, в свою оче­редь, опираются на фундаменты.

В Комбинированных строительных конструкциях Одни элемен­ты выполняют несущие, а другие - ограждающие функции.

Навесные ограждающие конструкции Опираются на несущие конструктивные элементы в уровне каждого этажа и из всех ви­дов нагрузок воспринимают лишь собственную массу, например крыши (покрытия). Они состоят из несущей конструкции в виде плоскостных, пространственных или линейных элементов и ог­раждающей (защищающей здание от атмосферных осадков).

Покрытие - верхняя часть здания, защищающая его от ат­мосферных осадков. Состоит из несущей и ограждающей (ос­нование под кровлю, кровля) частей. При наличии в объеме покрытия проходного или полупроходного пространства кры­ша называется Чердачной , При наличии жилых помещений в объеме крыши - Мансардной . Если в объеме чердака размещают инженерное оборудование, применяют термин Технический этаж .

Видимые плоскости крыши называют Скатами, им придают уклон для стока дождевых и талых вод. Атмосферную влагу с покрытий или сбрасывают по всей линии фасада (неорганизо­ванный водосток), или удаляют через систему водосточных труб (организованный водосток). В последнем случае различают на­ружный и внутренний водоотвод.

Классификация строительных конструкций

Разделение строительных конструкций по функ­циональному назначению на несущие и ограждающие в значи­тельной мере условно. Если такие конструкции, как арки, фер­мы или рамы, являются только несущими, то панели стен и покрытий, оболочки, своды, складки и т. п. обычно совмещают ограждающие и несущие функции, что отвечает одной из важ­нейших тенденций развития современных строительных кон­струкций. В зависимости от расчетной схемы несущие строи­тельные конструкции подразделяют на:

плоские (например, балки , фермы, рамы)

пространственные (оболочки, своды, купола и т. п.).

Пространственные конструкции характеризуются более выгодным (по сравнению с плоскими) распределением усилий и, соответственно, меньшим расходом материалов. Однако их изготовление и монтаж во многих случаях оказываются весьма трудоемкими. Новые типы пространственных конструк­ций, например структурные конструкции из прокатных профи­лей на болтовых соединениях, отличаются как экономичнос­тью, так и сравнительной простотой изготовления и монтажа. По виду материала различают следующие основные типы стро­ительных конструкций : бетонные и железобетонные, стальные , каменные, деревянные.

Бетонные и железобетонные конструкции - наиболее распро­страненные как по объему, так и по областям применения. Для современного строительства особенно характерно применение железобетона в виде сборных конструкций индустриального из­готовления, используемых при возведении жилых, обществен­ных и производственных зданий и многих инженерных сооруже­ний. Рациональные области применения монолитного железобе­тона - гидротехнические сооружения, дорожные и аэродромные покрытия, фундаменты под промышленное оборудование, ре­зервуары, башни, элеваторы и т. п. Специальные виды бетона и железобетона используют при строительстве сооружений, экс­плуатируемых при высоких и низких температурах или в усло­виях химически агрессивных сред (тепловые агрегаты, здания и сооружения черной и цветной металлургии, химической про­мышленности и др.). Применение высокопрочных бетонов и ар­матуры, рост производства предварительно напряженных кон­струкций, расширение областей использования легких и ячеис­тых бетонов способствуют уменьшению массы, снижению стоимости и расхода материалов в железобетонных конструк­циях.

Стальные конструкции Применяются главным образом для каркасов большепролетных зданий и сооружений, для цехов с тяжелым крановым оборудованием, домен, резервуаров большой емкости, мостов, сооружений башенного типа и др. Области использования стальных и железобетонных конструкций в ряде случаев совпадают. При этом выбор типа конструкций произ­водится с учетом соотношения их стоимостей, а также в зависи­мости от района строительства и местонахождения предприятий строительной индустрии. Существенное преимущество сталь ­ных конструкций по сравнению с железобетонными - их мень­шая масса. Этим определяется целесообразность их применения в районах с высокой сейсмичностью, труднодоступных об­ластях Крайнего Севера, пустынных и высокогорных районах. Расширение объемов использования сталей высокой прочности и экономичных профилей проката, а также создание эффектив­ных пространственных конструкций, в том числе из тонколис­товой стали, позволят значительно снизить вес зданий и соору­жений.

Основная область применения Каменных конструкций - сте­ны и перегородки. Здания из кирпича, природного камня, мел­ких блоков и т. п. в меньшей степени удовлетворяют требовани­ям индустриального строительства, чем крупнопанельные зда­ния. Поэтому их доля в общем объеме строительства постепенно снижается. Однако использование высокопрочного кирпича, армокаменных и комплексных конструкций (каменных кон­струкций, усиленных стальной арматурой или железобетонны­ми элементами ) позволяет значительно увеличить несущую способность зданий с каменными стенами, а переход от ручной кладки к применению кирпичных и керамических панелей за­водского изготовления - существенно повысить степень ин­дустриализации строительства и снизить трудоемкость возведе­ния зданий из каменных материалов.

Основное направление в развитии современных Деревянных конструкций - переход к конструкциям из клееной древесины. Возможность индустриального изготовления и получения кон­структивных элементов необходимых размеров посредством склеивания определяет их преимущества по сравнению с дере­вянными конструкциями других видов. Несущие и ограждающие Клееные конструкции Находят широкое применение в сельском строительстве.

В современном строительстве значительное распростра­нение получают новые типы индустриальных конструкций - Асбестоцементные изделия и конструкции, пневматические строи­Тельные конструкции, Конструкции из легких сплавов и с приме­нением Пластических масс. Их основные достоинства - низкая удельная масса и возможность заводского изготовления на ме­ханизированных поточных линиях. Легкие трехслойные панели (с обшивками из профилированной стали, алюминия, асбесто­цемента и с пластмассовыми утеплителями) применяют в каче­стве ограждающих конструкций вместо тяжелых железобетон­ных и керамзитобетонных панелей.

Строительные конструкции очень разнообразны по своему на­значению и применению. Тем не менее их можно объединить по некоторым признакам общности тех или иных свойств, т.е. про­классифицировать, уточнив при этом некоторые понятия.

Воз­можны различные подходы к классификации конструкций.

Имея в качестве основной конечной цели учебника расчет кон­струкций, целесообразнее всего проклассифицировать их по сле­дующим признакам:

1) по геометрическому признаку конструкции принято разде­лять на массивы, брусья, плиты, оболочки (рис. 1.1) и стержне­вые системы (рис. 1.3):

Рис. 1.1. Классификация конструкций по геометрическому признаку: а) массив; б) брус; в) плита; г) оболочка

Массив -конструкция, в которой все размеры одного поряд­ка, например у фундамента размеры могут бьггь такими: а= 1,8 м; Ъ - 1,2 м; И = 1,5 м. Размеры могут бьггь и другими, но порядок их один - метры;

Брус - элемент, в котором два размера во много раз меньше третьего, т.е. они разного порядка: Ь« /, А « /. Например, у же­лезобетонной балки они могут быть такими: Ь- 20 см, И = 40 см, а /= 600 см, т.е. они моїуг отличаться друг от друга на целый по­рядок (в 10 и более раз).

Брус с ломаной осью принято называть простейшей рамой, а с криволинейной осью - аркой (рис. 1.2, а, б);

Плита - элемент, в котором один размер во много раз мень­ше двух других: И « а, И « /. В качестве примера можно приве­сти ребристую железобетонную плиту (точнее, поле плиты), у ко­торой толщина собственно плиты И может быть 3-4 см, а длина и ширина порядка 150 см. Плита является частным случаем более общего понятия - оболочки, которая в отличие от плиты имеет криволинейное очертание (рис. 1.1, г). Рассмотрение оболочек вы­ходит за рамки нашего курса;

Стержневые системы представляют собой геометрически не­изменяемые системы стержней, соединенных между собой шар­нирно или жестко. К ним относятся строительные фермы (балоч­ные или консольные) (рис. 1.3).

Рис. 1.2. Разновидности брусьев: а) рама; б) арка

Рис. 1.3. Примеры простейших стержневых систем: а) балочная ферма; б) консольная ферма

Размеры во всех примерах приведены в качестве ориентира и не исключают их многообразия. Есть случаи, когда трудно отнес­ти конструкцию к тому или иному виду по этому признаку. В рам­ках данного учебника все конструкции вполне вписываются в приведенную классификацию;

2) с точки зрения статики конструкции делятся на стати­чески определимые и статически неопределимые. К первым от­носятся системы (конструкции), усилия или напряжения в ко­торых могут быть определены только из уравнений статики (уравнений равновесия), ко вторым - такие, для которых од­них уравнений статики недостаточно. В настоящем учебнике преимущественно рассматриваются статически определимые конструкции;

3) по используемым материалам конструкции делятся на сталь­ные, деревянные, железобетонные, бетонные, каменные (кирпичные)",

4) с точки зрения напряженно-деформированного состояния, т.е. возникающих в конструкциях внутренних усилий, напряже­ний и деформаций под действием внешней нагрузки, условно можно поделить их на три группы: простейшие, простые и слож­ные (табл. 1.1). Такое разделение не является общепринятым, но позволяет привести в систему характеристики видов напряжен­но-деформированных состояний конструкций, которые широко распространены в строительной практике и будут рассмотрены в учебнике. В представленной таблице трудно отразить все тон­кости и особенности указанных состояний, но она дает возмож­ность сравнить и оценить их в целом. Подробнее о стадиях на­пряженно-деформированных состояний будет сказано в соответ­ствующих главах.