ЛЕКЦИЯ 3. КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫЗДАНИЙ
Здания состоят из некоторого ограниченного числа основных взаимосвязанных архитектурно-конструктивных элементов, выполняющих вполне определенные функции.
Основными конструктивными элементами здания являются фундаменты, стены, перекрытия, отдельные опоры, крыши, перегородки, лестницы, окна и двери (рис. 2). Эти элементы подразделяются на несущие и ограждающие.
Рис. 2. Основные конструктивные элементы гражданского здания:
1 – пол подвального этажа; 2 – стык элементов колонн; 3 – колонны; 4 – прогоны;
5 – панели перекрытий; 6 – наружные несущие стены; 7 – стены лестничной клетки.
Несущие элементы воспринимают все нагрузки, возникающие в здании: собственную силу тяжести, нагрузки от оборудования, людей, готовой продукции.
Ограждающие элементы предназначены для защиты внутренних объемов здания от атмосферных воздействий, а также для изоляции одного помещения от другого.
К ограждающим конструкциям относятся наружные и внутренние стены, перекрытия и перегородки, заполнение дверных и оконных проемов. Стены и перекрытия могут выполнять совмещенные функции несущих и ограждающих конструкций.
Основания и фундаменты
Прочность и устойчивость любого здания или сооружения прежде всего зависит от надежности оснований и фундаментов.
Основанием называется массив грунта, испытывающий давление от возведенного здания. Надежность основания является важнейшим условием, обеспечивающим прочность и устойчивость любого здания или сооружения.
Основания подразделяются на естественные и искусственные.
Естественными основаниями являются грунты, способные в своем природном состоянии выдержать нагрузку от возведенного здания.
Грунты, расположенные в основании, должны удовлетворять следующим требованиям:
- обладать достаточной несущей способностью, а также малой и равномерной сжимаемостью;
- не подвергаться пучению;
- не допускать просадок и оползней;
- не размываться и не растворяться грунтовыми водами.
В соответствии с нормами принята следующая классификация грунтов:
- скальные – каменные породы, залегающие в виде сплошного массива, образующего подобие сухой кладки;
- крупнообломочные – несвязные грунты, содержащие свыше 50 % обломков скальных пород;
- песчаные – сыпучие в сухом состоянии, не обладающие свойством пластичности;
- глинистые – связные грунты, обладающие пластичностью;
- лессовые – глинистые грунты с содержанием большого количества пылеватых частиц и наличием крупных пор, видимых невооруженным глазом.
Под действием нагрузки от здания грунты в основании испытывают сжимающие напряжения и, уплотняясь, вызывают осадку здания.
Скальные грунты являются практически несжимаемыми.
Крупнообломочные и песчаные грунты обладают небольшой и быстро протекающей сжимаемостью, которая заканчивается с возведением здания.
Уплотнение глинистых грунтов происходит в течение двух-трех лет.
Для выбора надежного основания на отведенном под строительство участке производят инженерно-геологические и гидрогеологические исследования (рис. 3).
Рис. 3. Профиль геологического разреза:
УВГВ – уровень высоких грунтовых вод; УНГВ – уровень низких грунтовых вод.
При гидрогеологическом исследовании определяют положение уровня грунтовых вод. В случае расположения грунтовых вод в зоне фундаментов грунтовые воды подвергают химическому анализу.
В случаях, когда грунты в природном состоянии неспособны служить надежным основанием, прибегают к их искусственному усилению.
Фундамент – это подземная конструкция, воспринимающая всю нагрузку от здания и передающая ее на грунт.
Типы фундаментов представлены на рисунке 4.
Рис. 4. Типы фундаментов:
а – ленточный из бутового камня; б – ленточный монолитный; в – ленточный из сборных элементов; г, д – столбчатые; е – в виде монолитной железобетонной плиты;
ж, з – на забивных сваях;
1– природный камень; 2 – арматура; 3 – опалубка; 4 – раствор; 5 – фундаментные блоки;
6 – блоки-подушки; 7 – кирпичный столб; 8 – железобетонные перекрестные ленты;
9 – колонны; 10 – забивные сваи; 11 – ростверк; 12 – грунт.
Фундаменты должны обладать достаточной прочностью, устойчивостью, долговечностью, быть экономичными. По роду материалов бывают сваи железобетонные, бетонные, деревянные, стальные и комбинированные
По характеру работы под нагрузкой фундаменты делят на жесткие – бутовые, бутобетонные и бетонные, и гибкие – железобетонные.
Основными типами фундаментов являются (рис. 4):
- ленточные – располагаемые по всей длине наружных и внутренних стен;
- столбчатые – располагаемые под отдельно стоящие опоры;
- сплошные – представляющие собой монолитную железобетонную плиту под всей площадью здания;
- свайные – в виде свай, погруженных в грунт.
Нижняя плоскость ленточного и столбчатого фундамента, опирающаяся на основание, называется подошвой фундамента. Верхняя плоскость фундамента называется обрезом. Расстояние от планировочной поверхности земли до уровня подошвы называется глубиной заложения фундамента.
Сборные ленточные фундаменты выполняются из железобетонных блоков-подушек и бетонных блоков (рис. 5).
Рис. 5. Элементы сборных бетонных и железобетонных фундаментов:
а – бетонный блок; б – блок-подушка
В случае расположения грунтовых вод менее 2 метров от нижней границы промерзания грунта подошву фундамента располагают ниже глубины промерзания грунта.
Глубина заложения фундаментов под внутренние стены и столбы отапливаемых зданий принимается независимо от глубины промерзания грунта, но не менее 0,5 метра.
Связь между сборными фундаментами продольных и поперечных стен осуществляется перевязкой блоков.
Сборные ленточные фундаменты могут устраиваться непрерывными и прерывистыми (рис. 6).
Рис. 6. Сборные ленточные фундаменты непрерывные:
1 – бетонные блоки; 2 – железобетонные блок-подушки; 3 – заполнение раствором.
Столбчатые фундаменты под кирпичные столбы могут выполняться бутовыми, бетонными и железобетонными, а также сборными в виде железобетонных блоков-подушек или фундаментных железобетонных плит.
Под сборные железобетонные колонны применяют железобетонные фундаменты типа стакана.
Располагают столбчатые фундаменты в углах здания и в местах пересечения стен. Пролеты между столбами перекрываются железобетонными фундаментными балками (рис. 7).
Столбчатые фундаменты в основном применяют в промышленном и сельском строительстве; в гражданском строительстве их устраивают, как правило, для малоэтажных зданий и сооружений, при незначительных нагрузках на фундаменты.
Рис. 7. Столбчатый фундамент под стены:
1 – железобетонная фундаментная балка; 2 – подсыпка; 3 – отмостка; 4 – гидроизоляция;
5 – элементы сборного фундамента.
Свайные фундаменты применяют при слабых грунтах, залегающих на значительную глубину.
По характеру работы в грунте сваи подразделяются на сваи-стойки и сваи висячие.
Сваи, проходящие через слабые слои грунта и опирающиеся своими нижними концами на прочный грунт, называются сваями-стойками, а сваи, не достигающие прочного грунта, а лишь уплотняющие слабые слои, называются висячими (рис. 8).
. 
Рис. 8. Сваи-стойки и сваи висячие:
1 – сваи; 2 – ростверк.
Висячие сваи воспринимают нагрузку от здания за счет сил трения, возникающих между их боковой поверхностью и грунтом.
По способу погружения в грунт сваи подразделяются на забивные, изготавливаемые заранее и погружаемые в грунт специальными механизмами путем забивки, и набивные, изготавливаемые путем предварительного устройства буровых скважин и последовательного заполнения их бетоном.
Устройство свайных фундаментов под здания взамен ленточных позволяет значительно уменьшить объемы земляных работ и сократить расход бетона. При возведении гражданских зданий сваи располагают под несущими стенами (наружными и внутренними).
Подвальное помещение также можно отнести к разновидности заглубленного фундамента. Подвальным считается этаж, у которого уровень пола помещений ниже уровня планировочной отметки земли более чем на половину их высоты. Высоту подвала принимают равной 1,9...2,2 м.
Подвалы должны обладать достаточной устойчивостью против горизонтального давления земли, а при отапливаемых подвалах – и надлежащими теплозащитными качествами.
Внутренние стены подвалов обычно выполняют такими же, как и внутренние наземные.
Подвальные этажи должны быть защищены от грунтовой сырости и грунтовых вод в случае расположения их уровня в зоне подвала. Защита от грунтовой сырости осуществляется устройством горизонтальной и вертикальной гидроизоляции (рис. 9).
В целях защиты основания от увлажнения поверхностными водами по всему периметру здания с наружной стороны устраивается водонепроницаемая отмостка шириной не менее 0,5 метра с уклоном от здания.
Стены
Стены наружные и внутренние являются в здании вертикальными ограждениями. Наружные стены служат для ограждения помещений от внешней среды и обеспечивают в них необходимый температурный и влажностный режим. Внутренние стены разделяют здание на отдельные помещения.
Часто стены выполняют и несущие функции. В зависимости от этого их подразделяют на несущие, самонесущие и ненесущие (навесные).
Несущие стены воспринимают нагрузки от перекрытий и крыши и вместе с собственным весом передают их фундаментам. Эти стены выполняют из кирпича или блоков из легких бетонов при строительстве небольших бескаркасных зданий, а также зданий с неполным каркасом.
Самонесущие стены опираются на фундаменты, но несут нагрузку только от собственного веса. Такие стены выполняют из навесных панелей, блоков и кирпича, а их вес и давление от ветра передаются на фундаменты через фундаментные балки.
Ненесущие или навесные стены являются только ограждениями и опираются в каждом этаже на другие элементы здания
Стены зданий должны удовлетворять следующим основным требованиям: статическим, противопожарным, теплотехническим, экономическим.
По роду материала стены можно подразделить на каменные, деревянные и другие, в том числе и из синтетических материалов.
По конструкции и способу возведения каменные стены делятся на кладки из мелких или крупных камней (кирпич, блок), монолитные и крупнопанельные.
Стены из мелких камней по структуре делятся на сплошные, выполняемые из полнотелого, пустотелого или легкого кирпича, и облегченные, включающие слои из других, менее теплопроводных материалов.
Кирпичная стена толщиной 25 см (в один кирпич) способна нести любую равномерно распределенную нагрузку. Для расчетной температуры наружного воздуха минус 30°С (большинство районов центральной части России) наружные стены, выложенные сплошной кладкой из полнотелого кирпича, должны иметь толщину 64 см (2,5 кирпича). Чтобы сократить расход кирпича, уменьшить массу стен и нагрузку на фундаменты, наружные стены выкладывают либо из пустотелого кирпича, либо полнотелого, но с образованием пустот, колодцев, уширенных швов, применяя эффективные утеплители, теплые кладочные и штукатурные растворы. Применение сплошной кладки из полнотелого кирпича толщиной более 38 см (1,5 кирпича) экономически нецелесообразно. Неэкономичной оказывается стена, выложенная сплошной кладкой из полнотелого кирпича.
Кирпичные стены имеют большую тепловую инерционность: они медленно прогреваются и также медленно остывают. Причем эта инерционность тем больше, чем толще стена и больше ее масса. В кирпичных домах температура внутри помещений имеет незначительные суточные колебания и это является достоинством кирпичных стен.
Стены из мелких бетонных блоков по сравнению с кирпичными стенами имеют при тех же теплотехнических показателях меньшую толщину, вес и трудоемкость, но при этом и меньшую прочность. Это стены из легкобетонных или ячеистобетонных блоков.
Стены из природного камня используются при возведении стен неотапливаемых зданий или в южных районах нашей страны.
Кладкой называют конструкцию, выполняемую из отдельных камней, швы между которыми заполняются строительными растворами. Камни и блоки в стене должны располагаться горизонтальными рядами и в ряду должны отделяться вертикальными швами – продольными и поперечными. Вертикальные швы в смежных рядах не должны совпадать. Такое несовпадение называется перевязкой швов (рис. 10).
Рис. 10. Сплошная кирпичная кладка:
1 – тычок; 2 – ложок.
Перевязка обеспечивает совместную работу камней в стене и равномерное распределение нагрузки. Поперечная перевязка осуществляется при помощи камней, уложенных длинной стороной поперек стены (тычками); продольная перевязка при помощи камней, уложенных вдоль стены (ложками).
Растворы для заполнения швов применяются известковые, сложные или цементные.
Монолитные стены выполняются путем укладки бетонной смеси в специальную форму – опалубку, которая по мере возведения стен передвигается по высоте, а иногда и по длине стены.
Монолитные стены из легких бетонов обладают хорошими эксплуатационными качествами: они почти не уступают кирпичным в прочности и долговечности, но зато легче их, менее теплопроводны и на 40-60 % дешевле. Строительство дома монолитным способом превращает его в единый блок, работающий как пространственная структура, в которой не обязательна соосность несущих стен по высоте. Дом состоит как бы из сот, объединенных в единую систему.
Основное преимущество монолитного строительства – это возможность создания свободных планировок с большими пролетами и необходимой высотой потолка. Еще один плюс данной технологии – формирование любых криволинейных форм, которые расширяют палитру архитекторов при создании уникальных образов зданий.
Стены, выполненные с помощью монолитного строительства, практически не имеют швов, и, соответственно, не возникает проблем с герметизацией стыков. Это тоже повышает показатели тепло- и звуконепроницаемости. А в сочетании с использованием эффективных утеплителей позволяет улучшить режим эксплуатации дома в зимнее время, снизить массу и объем ограждающих конструкций (толщина стен и перекрытий существенно уменьшается). В результате монолитные здания оказываются на 15-20 % легче кирпичных. Если нормативный срок эксплуатации современных панельных домов – 50 лет, то построенных по монолитной технологии – не менее 200 лет.
Крупнопанельными называются стены из отдельных крупноразмерных плит заводского изготовления, называемых стеновыми панелями.
Наружные стены крупнопанельных зданий состоят из панелей, размер которых по высоте равен одному или двум этажам, а по ширине — одной или двум комнатам. Панели могут быть глухими (без проёмов), с оконными или дверными проёмами. По конструкции различают стеновые панели однослойные (сплошные) и многослойные (слоистые). Однослойные панели изготовляются из материалов, обладающих теплоизоляционными свойствами и одновременно способных выполнять несущие функции, например из лёгкого бетона, ячеистых бетонов, керамических пустотелых камней и т. п. Слоистые стеновые панели делаются двухслойными или трёхслойными; толщина их зависит от климатических условий района строительства и физико-технических свойств материалов, применяемых для утепляющего слоя и для наружных (несущих) слоев.
Панельный дом строится по принципу конструктора: на стройплощадку подводятся уже готовые детали будущего дома, из которых «составляют» жилой дом.
Такая технология строительства обуславливает стандартную планировку. Стандартная планировка предполагает строго определенное количество и площадь помещений в квартире. Один вариант панельного дома копируется тысячами, отсюда так называемые «серии» домов.
Панельное домостроение после успешного старта в массовом строительстве пятиэтажных домов в 50-60-х годах практически перестала применяться после перехода массового строительства на возведение домов повышенной этажности.
Причиной отказа послужила ограниченная несущая способность однослойных легкобетонных наружных стен и недостаточная теплоизоляция.
Необходимо отметить, что сооружение зданий из крупных панелей, изготовленных на домостроительных комбинатах и заводах, позволяет в 1,5-2 раза сократить сроки строительства (по сравнению с возведением домов из кирпича или других традиционных материалов) и снизить затраты труда на строительной площадке.
Из крупнопанельных конструкций могут быть смонтированы все основные части здания: наружные и внутренние стены, перекрытия, покрытия, лестницы и другие элементы.
Деревянные стены – панельные, каркасные, бревенчатые (рубленые) и брусчатые не требуют устройства массивных фундаментов.
Бревенчатые и брусчатые стены наиболее теплые, прочные, малозвукопроводные. Этим стенам свойственны недостатки кустарного строительства. Рубка углов и ручная выемка пазов непроизводительна, дает много отходов древесины, требует работы плотников высокой квалификации.
Бревенчатые (рубленые) стены представляют собой конструкцию, в которой стены собирают из бревен (круглого леса). Для бревенчатых срубов лучше использовать свежесрубленные бревна, они меньше деформируются при естественной сушке в собранном виде и легче обрабатываются.
Брусчатые стены по конструкции проще бревенчатых. Брусчатые стены собирают из заготовленных на заводе, опиленных на четыре канта брусьев (венцов) квадратного или прямоугольного сечения. Сборка происходит сразу на фундаменте.
Обшивка и облицовка брусчатых и бревенчатых стен делается лишь через год-полтора после их возведения, когда произойдет полная усадка.
Каркасные стены самые экономичные, древесины на них идет вдвое меньше, чем на бревенчатые, они не подвержены усадке и служат при хорошей антисептической обработке не менее 30-50 лет.
Каркасная стена представляет собой деревянный каркас, заполненный утеплителем и обшитый с двух сторон досками или листовым материалом. К недостаткам каркасных стен относится то, что при использовании сыпучих, мягких или органических заполнителей возникает опасность их оседания. Это приводит к образованию пустот, гнили, разведению грызунов и насекомых-вредителей.
Панельные стены обладают более совершенной конструкцией. Основной несущий и ограждающий элемент их – панель. Дома этой конструкции легко собираются и имеют сравнительно небольшое число швов (стыков).
Панели состоят из деревянного каркаса – рамы, изготовленной из брусков. С одной стороны каркас обшивают древесноволокнистой плитой или необрезными досками, вложив внутрь параизоляционный слой пергамина и минераловатные плиты, с другой – древесноволокнистые плиты. Преимущество стен из сборных деревянных панелей заводского изготовления – легкость и быстрота возведения. Сборные строения можно переделать, разобрать и установить в другом месте.
Основными элементами стен являются проемы и простенки (рис. 11).
Рис. 11. Детали стен:
1 – цоколь; 2 – оконный проем; 3 – дверной проем; 4 – перемычки; 5 – простенок рядовой;
6 – простенок угловой; 7 – карниз венчающий; 8 – карниз промежуточный; 9 – поясок; 10 – сандрик.
Проемами называют крупные отверстия, оставляемые при кладке стен для окон или дверей.
Участки стен между проемами называют простенками. Различают простенки рядовые и угловые.
Конструкция, перекрывающая проем сверху, называется перемычкой. Различают перемычки несущие и ненесущие.
Несущей называют перемычку, которая кроме собственного веса и вышележащей кладки несет нагрузку от элементов перекрытия или других конструкций. Ненесущая перемычка, кроме веса кладки и собственного, никаких нагрузок не несет.
Перемычки из железобетона используют для перекрытий дверных и оконных проемов при строительстве разных типов зданий из кирпича, искусственных и природных камней. Использование перемычек в строительстве позволяет добиться большей прочности здания
Кирпичные перемычки бывают рядовые и арочные.
Рядовые перемычки представляют собой обычную кладку на растворах повышенных марок, сложенную над проемами в виде сплошного пояса. Для ведения кладки в проемах устраивают деревянную опалубку, по которой расстилают слой раствора. В этот слой во избежание выпадения камней нижнего ряда укладывают стальную арматуру. Стержни должны иметь на концах крюки и заводиться в простенки не менее чем на 250 мм.
Арочные перемычки встречаются в старых зданиях и обладают достаточной прочностью и долговечностью.
Нижняя часть наружной стены, несколько отличающаяся от ее основной плоскости, называется цоколем. Верхняя граница цоколя всегда делается строго горизонтальной, из-за чего цоколь зрительно воспринимается как постамент, на котором возведено здание.
Цоколь подвергается атмосферным и механическим воздействиям, его выполняют сплошной кладкой из полнотелого глиняного кирпича или бетонных блоков.
Основными видами цоколей являются (рис. 12):
- кирпичный, облицованный плиткой, лицевым кирпичом с расшивкой швов или природным камнем;
- из бетонных блоков, оштукатуренных прочными растворами;
- из бетонных фундаментных блоков.
Рис. 12. Цоколи:
а – облицованный плиткой; б – облицованный природным камнем; в – из бетонных блоков оштукатуренный;
1 – фундамент; 2 – кладка; 3 – плитка; 4 – отмостка; 5 – природный камень; 6 – слой штукатурки.
Горизонтальные выступы стен называются карнизами.
В кирпичных зданиях верхний карниз называют венчающим или главным. Он отводит от стен стекающую с крыши воду и одновременно имеет архитектурное значение, придавая зданию законченный вид.
Небольшие карнизы над окнами и дверями называют сандриками.
Во внутренних стенах отапливаемых зданий устраивают вентиляционные каналы.
Чтобы исключить деформацию, возникающую в зданиях большой длины и ширины или состоящих из нескольких объемов различной высоты и нагрузок, в наружных стенах устраивают деформационные швы.
Деформационные швы представляют собой сквозные вертикальные щели, оставляемые в местах, где можно ожидать появления трещин от изменения температуры или от неравномерной осадки здания (рис. 13).
Рис. 13. Деформационные швы:
а – температурный; б – осадочный; в – конструкции швов;
1 – стена наружная; 2 – стена внутренняя; 3 – конопатка; 4 – штукатурка.
Температурные швы оставляют в наружных стенах зданий большой длины. Они разрезают стену от фундамента доверху. Расстояние между швами зависит от расчетной зимней температуры, материала стен, марок раствора, температурного режима помещений и колеблется в больших пределах (от 20 до 200 мм).
Осадочные швы делают на границах участков здания с разнородными основаниями, с разницей в высоте более 10 м, с разной очередностью постройки. Осадочные швы начинаются от подошвы фундамента и устраиваются также во внутренних стенах, в перекрытиях и крыше. Они одновременно являются и температурными.
Балконы, эркеры, лоджии – элементы здания, создающие определенные эксплуатационные удобства. Их конструкции непосредственно связаны с конструкцией стен.
Балкон – выступающая из плоскости стены фасада огражденная площадка, служащая для отдыха в летнее время.
Эркер – выходящая из плоскости фасада часть помещения, частично или полностью остекленная, улучшающая его освещенность и инсоляцию.
Лоджия – перекрытое и огражденное в плане с трех сторон помещение, открытое во внешнее пространство, служащее для отдыха в летнее время и солнцезащиты.