Тема 4б. Понятие о несущем остове здания. Конструктивные элементы здания. Обеспечение пространственной жесткости при стеновом, кирпичном и комбинированном несущем остове
1. КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗДАНИЙ
Основные конструктивные элементы гражданских зданий – это фундаменты, стены, перекрытия, отдельные опоры, крыши, лестницы, окна, двери и перегородки (рис.1).

Рис. 1. Конструктивная схема многоэтажного здания:
1 - фундамент, 2 - стены подвала, 3 - гидроизоляция, 4 - приямок, 5 - отмостка, 6 - перемычки, 7 - наружные стены, 8 - облицовка, 9 - обрешетка кровли, 10 - стропила, 11 - карниз, 12 - чердачное перекрытие, 13 - внутренние стены, 14 - лестничные площадки, 15 - лестничные марши, 16 -санитарно-технические блоки, 17 - вентиляционный блок, 18 - перегородки, 19 - междуэтажное перекрытие, 20 - ригели каркаса, 21 - колонны каркаса, 22 -перекрытие над подвалом
Фундамент представляет собой опорную часть, через которую передается нагрузка от здания на грунт - основание. Основание называют естественным, когда грунт под подошвой фундамента находится в состоянии его природного залегания; если грунт предварительно искусственно укрепляют то такое называют искусственным. Фундаменты подвержены воздействию грунтовых вод, нередко агрессивных, и переменной температуры, поэтому для возведения фундаментов применяют материалы, обладающие высокой прочностью, водо- и морозостойкостью: железобетон, бетон, бутовый камень. В массовом строительстве фундаменты под стены зданий сооружают, как правило, сборными: из железобетонных плит и блоков. Обычно фундаменты, имеющие плоскую подошву, подразделяют на ленточные, которые закладывают под стены, или столбчатые - в виде прямоугольных, трапециевидных и других типов отдельных опор под отдельно стоящие колонны или столбы. Фундаменты бывают и свайные, когда здание опирается на погруженные в грунт деревянные бетонные или железобетонные сваи.
Верхняя плоскость фундамента, на которой располагаются надземные части здания, называют поверхность фундамента или обрезом, а нижнею его плоскость, непосредственно соприкасающуюся с основанием, - подошвой фундамента.
Расстояние от спланировочной поверхности грунта до уровня подошвы называют глубиной заложения фундамента, которая должна соответствовать глубине залегания слоя основания. При этом необходимо учитывать глубину промерзания грунта.
При определении типа фундамента и основания архитектор совместно с инженером руководствуется, прежде всего, характером и механическими качествами грунтов, слагающих основание под объект проектирования.

Воздействия на фундаменты: а — силовые воздействия: 1 — нагрузка от здания, 2 — боковое давление от грунта, 3 — сейсмические нагрузки, 4 — силы пучения грунта, 5 — упругий отпор грунта, 6 — вибрации; 7 — влага грунта; б — несиловые воздействия: 8 — температура помещения подвала, S — влага воздуха подвала, 10 — агрессивные примеси в воде и воздухе, 11 — биологические факторы, при этом следует помнить, что в качестве основания под фундаменты могут быть использованы:

Изготовление фундамента

Рис.2 Ленточные и прерывистые фундаменты:
а - ленточный сборный при отсутствии подвала, б - прерывистый сборный, в - ленточный из бутового камня, г - ленточный при наличии подвала и высоком уровне грунтовых вод
Ленточные и прерывистые фундаменты. Ленточные фундаменты (рис. 2, а, в, г) располагаются непрерывно под всеми несущими стенами здания. Такие фундаменты применяют при неглубоком заложении, при наличии подвалов, в слабых грунтах, а также при конструкциях надземной части здания, чувствительных к неравномерным осадкам.
Сборные ленточные фундаменты, применяемые в массовом строительстве многоэтажных гражданских зданий (рис. 2, а, г), монтируют из сплошных или пустотелых бетонных и железобетонных блоков, сплошных и ребристых блоков-подушек весом от 1 до 3 г. Применение пустотелых фундаментных блоков, а также ребристых подушек, позволяет сократить расход бетона. Однако при возведении фундаментов во влажных грунтах следует применять сплошные блоки, чтобы исключить проникание воды в пустоты.
Прерывистые фундаменты (рис. 2, б) в отличие от ленточных, непрерывных, состоят из блоков-подушек, уложенных на некотором расстоянии друг от друга, и возведенной на них фундаментной стены (из бетонных блоков). Применение прерывистых фундаментов способствует экономии средств и уменьшает количество типоразмеров блоков-подушек.
При устройстве ленточных фундаментов из бутового камня (рис. 2, в) их ширину поверху обычно делают больше толщины стен на 100-200 мм, оставляя с каждой стороны обрезы (уступы), необходимые для удобного перехода от неровной поверхности бутовой кладки фундаментов к кладке стен, выполненной из камней, имеющих точные размеры. Минимальная ширина ленточных бутовых фундаментов 500 мм.
Ширину подошвы фундаментов определяют расчетом. При небольших нагрузках фундамент делают прямоугольной формы, а при более значительных - расширяют к низу, придавая ему прямоугольную форму с подушкой или ступенчатую форму. При монолитных бутобетонных и бетонных фундаментах иногда придают им и трапециевидную форму.
Столбчатые фундаменты. Этот вид фундаментов применяют, как правило, под отдельные опоры (рис. 3, а, б), а также в каркасных зданиях под стойки и колонны (рис. 3, г).
Кроме того, во многих случаях, когда это оправдано экономическим и статическим расчетами, их устраивают и под несущие стены (рис. 3, в).
Стены зданий при столбчатых фундаментах обычно опираются на фундаментные балки (рис. 3, в, г). При неглубоком заложении фундаментов фундаментные балки каркасных зданий опираются непосредственно на фундамент (рис. 3, г), а при большом заглублении фундаментов - на бетонные столбики или консоли колонн. Сборные железобетонные колонны устанавливают в специальные гнезда (стаканы) в фундаментах (рис. 3, а). Зазоры между стенками стакана и колонной заполняют бетоном на мелком гравии. Столбчатые фундаменты, так же как и ленточные, можно выполнять из бутового камня (сечением не менее чем 600X600 мм), бутобетона, монолитного бетона и железобетона. Основной тип столбчатых фундаментов, применяемых в строительстве, - это сборные бетонные или железобетонные фундаменты.

Рис. 2. Столбчатые фундаменты:
а - сборный железобетонный под колонны, б - из бутового камня под столбы, в - сборный железобетонный под несущие стены, г - сборный железобетонный под каркасные стены
Стены по своему назначению и месту расположения в здании делятся на наружные и внутренние и являются вертикальными ограждениями и одновременно часто выполняют несущие функции. В зависимости от этого делятся на несущие и ненесущие. Несущие стены и воспринимают, и передают на фундаменты нагрузки не только от собственного веса, но и от других конструкций (перекрытия, крыши, лестницы), а также ветровые нагрузки. Несущими могут быть как наружные, так и внутренние стены. Ненесущие стены – это обычно перегородки. Они служат для деления в пределах этажа больших, ограниченных капитальными стенами помещений на более мелкие, причем для опирания перегородок не требуется устройство фундаментов. Наружные стены, кроме того, могут быть самонесущими, которые опираются на фундаменты и несут нагрузку только от собственной массы (на такие стены не опираются перекрытия или другие конструкции здания). Стены, которые только ограждают помещения зданий от внешнего пространства и передают собственный вес в пределах каждого этажа на другие несущие конструкции, называются ненесущими. Такие же стены, навешиваемые на вертикальные конструкции каркаса здания принято называть навесными. Как наружные, так и внутренние стены воспринимают ветровые нагрузки на здание, обеспечивают звуко- и теплоизоляцию помещений, защиту их от внешних климатических воздействий.
По роду применяемых материалов стены могут быть каменные (из искусственных и естественных камней), деревянные, грунтовые и из синтетических материалов.
По характеру работы стены бывают несущими, самонесущими и навесными. Несущими является стенами, которые выступают не только в качестве ограждений; на них опираются также конструкции покрытия или перекрытия. При конструктивной схеме с самонесущими стенами вертикальные нагрузки от перекрытий воспринимают столбы или колонны. В этом случае они воспринимают горизонтальные ветровые нагрузки, которые передают их на конструкции каркаса (балки и колонны). Такие стены воспринимают только нагрузки от вышерасположенных стен. Применение навесных стен, которые выполняют только ограждающие функции, характерно для каркасных зданий.
По конструкции и способу возведения каменные стены делят на четыре группы: из мелкоштучных элементов (мелких камней); из крупных камней (блоков); монолитные и крупнопанельные.

Несущая часть стены - стеновые камни, блоки или кирпич, толщина стены 200-250мм.

Несущая часть стены - стеновые камни из легкого бетона, толщина стены 200 мм.

Два слоя утеплителя из пенополистирола.
Внутренний слой монолитный, лёгкий или обычный бетон.

Две жёсткие скорлупы (наружняя и внутренняя) с утеплителем между ними.

Устройство утеплителя изнутри помещения при реконструкции существующего здания с целью увеличения термического сопротивления стены.
Отдельные опоры – несущие вертикальные элементы (колонны, столбы, стойки), передающие нагрузку от перекрытий и других элементов здания на фундаменты. Перекрытия опираются на уложенные по колоннам специальные балки, называемые прогонами или ригелями, а иногда и непосредственно на колонны. Расположенные внутри здания отдельные опоры и балки образуют внутренний каркас здания.
Перекрытия представляют собой горизонтальные несущие конструкции, опирающиеся на несущие стены или столбы и воспринимающие передаваемые на них постоянные и временные нагрузки. Одновременно перекрытия, связывая между собой стены, значительно повышают их устойчивость и увеличивают пространственную жесткость здания в целом. В зависимости от месторасположения в здании перекрытия делятся на междуэтажные (разделяющие смежные этажи), чердачные (между верхним этажом и чердаком), подвальные (между первым этажом и подвалом) и нижние (между первым этажом и подпольем).
Перекрытия должны быть:
• прочными, т. е. должны безопасно воспринимать соответствующие нормативные нагрузки;
• жесткими, т. е. не должны иметь прогибов выше установленных пределов или вибрации при технологических процессах;
• индустриальными, т. е. недорогими в производстве;
• экономичными, т. е. должны иметь наименьшую стоимость, трудоемкость, минимальную высоту (в сечении) и массу в расчете на 1 м2 перекрываемой площади.
• звуконепроницаемыми, т. е. не передавать производственный или бытовой шум между этажами;

Общий вид железобетонного безбалочного монолитного перекрытия

Междуэтажное монолитное железобетонное ребристое перекрытие:
а — балками вниз; б — балками вверх; 1 — паркет; 2 — асфальт; 3 — настил; 4 — шлакобетон; 5 — лаги через 700-800 мм; 6 — шлак; 7 — железобетонная плита; 8 — затирка; 9 — пароизоляция

Конструкции междуэтажного балочного перекрытия по железобетонным балкам:
а — с межбалочным заполнением из легкобетонных плит; б — с межбалочным заполнением из пустотных блоков; 1 — железобетонная балка; 2 — легкобетонная плита; 3 — слой толя; 4 — песок; 5 — лаги пола; 6 — полосовая упругая прокладка; 7 — дощатый пол; 8 — штукатурка; 9 — пустотелый блок; 10 — сплошной упругий слой; 11 — плита основания с полом на мастике
Крыша является конструктивным элементом, защищающим помещения и конструкции здания от атмосферных осадков. Она состоит из несущих элементов и ограждающей части. Крыша, совмещенная с перекрытием верхнего этажа, т. е. без технического этажа (или чердака), называется совмещенной крышей или покрытием. Хорошо выполненные плоские совмещенные крыши дешевле скатных как в строительстве, так и в эксплуатации. Кроме того, плоские крыши можно использовать в качестве площадок для отдыха и других целей.
Крыши обычно выполняют в виде наклонных плоскостей – скатов, покрытых кровлей из водонепроницаемых материалов. Формы скатных покрытий зависят от конфигурации и архитектурных особенностей здания. Покрытия бывают односкатные, двускатные, четырехскатные (вальмовые), шатровые, мансардные

Рис. 4. Формы скатных крыш:
а- односкатная; 6 — двускатная; в — вальмовая; г — полувальмовая
Наклонная линия пересечения двух скатов, образующих выступающий угол, называется ребром. Конек — это горизонтальная линия пересечения смежных скатов. Западающий угол, образованный двумя скатами, называется разжелобком (ендовой).
Несущими конструкциями скатных покрытий являются наслонные и висячие стропила, образующие пространственную систему.
Наклонные стропила перекрывают пролеты до 6 м. Конструктивные схемы покрытия с наклонными стропилами в зависимости от положения внутренних стен и их числа могут быть симметричными — с одной или двумя опорами либо несимметричными — с одной опорой (рис. 45 и 46).
Пространственная система такого покрытия состоит из:
• стропильных ног, представляющих собой наклонные балки на двух опорах;
• мауэрлатов (горизонтальных брусьев), уложенных по наружным стенам здания и предназначенных для распределения нагрузки от концов стропильных ног на стены;
• конькового прогона, лежня, стоек, подкосов (продольных и поперечных), обеспечивающих пространственную жесткость здания;

Рис. 5. Габаритные схемы крыш:
а — двускатной; б — односкатной

Рис. 6. Схемы скатных крыш с деревянными наследными стропилами:
а — односкатные крыши; б — двускатные крыши; 1 — мауэрлат; 2 — пилястра стены; 3 — ригель; 4 — затяжка; 5 — стропильная нога. Рис. 7. Схема скатной крыши с деревянными комбинированными стропилами:
1 — стропильная нога; 2 — подвеска; 3 — затяжка; 4 — балка подвесного чердачного перекрытия

Рис. 8. Схемы скатных крыш с деревянными висячими стропилами:
1 — ригель; 2 — стропильная нога; 3 — затяжка; 4 — подвеска
• ригелей, связывающих стропильные ноги между собой;
• кобылок (коротышей из досок), прибиваемых к нижнему концу стропильных ног для продления карнизного свеса;
• обрешетки, являющейся основанием для укладки по ней кровли. Висячие стропила устраиваются при отсутствии внутренних опор.
Лестницы служат для сообщения между этажами, а также для эвакуации людей из здания. Помещения, в которых располагаются лестницы, называются лестничными клетками. Конструкция лестниц в основном состоит из маршей (наклонных элементов со ступенями) и площадок. Для безопасности передвижения по лестницам марши ограждаются перилами.
Лестницы представляют собой несущие конструкции, состоящие из чередующихся наклонных ступенчатых элементов — маршей и горизонтальных плоскостных элементов — лестничных площадок. Для безопасности движения лестницы оборудуют вертикальными ограждениями. Лестницы размещают, как правило, в специально выделенных помещениях, называемых лестничными клетками. Вместе с тем возможно устройство (в южных районах) открытых наружных лестниц.
Лестницы можно классифицировать по следующим признакам:
• по местоположению в здании:
— внутренние;
— наружные;
— внутриквартирные;
• по назначению:
— основные, для повседневного сообщения между этажами и эвакуации;
— вспомогательные, связывающие лестничную клетку с чердаком или подвалом;
— аварийные, устраиваемые для эвакуации из здания;
— пожарные, имеющие выход на крышу;
• по числу маршей в пределах этажа:
— одномаршевые;
— двухмаршевые;
— трехмаршевые;
— винтовые;
— спиральные;
— распашные;


Рис. 9. Лестницы многоэтажных зданий:
а — лестничная клетка с вестибюлем; б — лестничная клетка внутри здания с вентиляционной шахтой; в — лестничная клетка, разрез; г — типовые элементы лестницы (площадка и марши)
Окна устраивают для освещения и проветривания помещений; они состоят из устанавливаемых в проемах рам или коробок и оконных переплетов.
Двери служат для сообщения между помещениями. Состоят из устанавливаемых в проемах стен из перегородок дверных коробок и дверных полотен.

В гражданских зданиях могут быть и другие конструктивные элементы (входные тамбуры, козырьки над дверьми, балконы и др.). Для обеспечения необходимых эксплуатационных и санитарно-гигиенических условий гражданское здание оборудуют санитарно-техническими и инженерными устройствами. К ним относятся отопление, горячее холодное водоснабжение, газификация, энергоснабжение, телефонизация и др. Оборудование ими зданий рассматривается в специальных курсах.
В зависимости от типа здания, его основных параметров, района строительства изменяется доля затрат на устройство того или иного конструктивного элемента.
2. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ЗДАНИЙ
Фундаменты, стены, отдельные опоры и перекрытия – основные несущие элементы здания. Они образуют остов здания – пространственную систему вертикальных и горизонтальных несущих элементов.
Остов определяет так называемую конструктивную схему здания. В зависимости от характера опирания горизонтальных несущих элементов (перекрытий) на вертикальные несущие элементы (стены, отдельные опоры и балки между ними) различают следующие конструктивные схемы гражданских зданий: с несущими продольными стенами; с несущими поперечными стенами; с неполным каркасом (рис.2); с полным каркасом. Кроме того, существуют здания, отдельные части которых состоят из различных конструктивных схем.
Бескаркасные здания

Рис. 2. Конструктивные схемы бескаркасных зданий:
а - с продольными несущими стенами, б - с поперечными и продольными несущими стенами
В зданиях с несущими продольными стенами последние устраивают из тяжелых материалов, имеющих надлежащую прочностью. Кроме того, наружные стены также должны удовлетворять теплозащитным требованиям. По такой конструктивной схеме строят чаще кирпичные и крупноблочные дома.
Устойчивость такой конструктивной схемы в поперечном направлении обеспечивается специально устраиваемыми поперечными стенами, которые не несут нагрузки от перекрытия. Такие поперечные стены возводятся лишь для ограждения лестничных клеток и в местах, где они нужны для придания устойчивости наружным стенам. Применение указанной конструктивной схемы дает большие возможности для решения планировки помещений, т. е. имеется большая свобода в решении планировочных вопросов. При данной конструктивной схеме требуется меньшее число типоразмеров сборных изделий.
В зданиях с поперечными несущими стенами обеспечивается большая жесткость системы, однако увеличивается общая протяженность несущих внутренних стен. Тем не менее такое решение в ряде случаев является рациональным, так как при этом к конструкциям наружных продольных стен предъявляются только теплозащитные требования и для их устройства можно использовать легкие эффективные материалы. Иногда применяют смешанные вариант, при котором опорами для перекрытий служат продольные и поперечные стены.
Если вместо внутренних продольных или поперечных стен устраивают систему столбов с опирающимися на них горизонтальными балками (прогонами), на которые, в свою очередь, опираются перекрытия, то такая схема соответствует зданию с неполным каркасом. Если вместо несущих наружных стен применены столбы, образующие вместе с внутренними столбами и балками (прогонами) как бы скелет здания, то такая конструктивная схема определяет здания с полным каркасом. В этом случае наружные стены выполняют только ограждающие функции и могут быть самонесущими или навесными. Самонесущие стены опираются на фундаменты или фундаментные балки и не воспринимают никаких нагрузок, кроме собственной массы. Навесные стены опираются на горизонтальные элементы на уровне каждого этажа.
Каркасные здания

Конструктивные схемы каркасных зданий первых массовых серий: а - с поперечным расположением ригелей; б — с продольным расположением ригелей; в — с перекрестным расположением ригелей; г – безригельное решение; 1 – столбчатый фундамент; 2 – наружная самонесущая стена; 3 – колонны; 4 – ригели, уложенные поперек здания; 5 – панели междуэтажного перекрытия; 6 – ригели, уложенные вдоль здания.
По характеру работы каркасы бывают рамные, связевые и рамно-связевые. Столбы и балки рамного каркаса соединяются между собой жесткими узлами, образуя поперечные и продольные рамы, воспринимающие все действующие вертикальные и горизонтальные нагрузки. В зданиях со связевым каркасом узлы между столбами и балками нежесткие, поэтому для восприятия горизонтальных нагрузок необходимы дополнительные связи. Роль этих связей выполняют чаще всего перекрытия, образующие диафрагмы и передающие горизонтальные нагрузки на жесткие вертикальные диафрагмы (стены лестничных клеток, железобетонные перегородки, шахты лифтов и др.). В практике строительства находят применение здания с комбинированным типом каркаса, который называют рамно-связевым. В нем в одном направлении ставят рамы, а в другом – связи. В гражданском строительстве наибольшее распространение получили здания со связевыми каркасами.
Необходимо отметить, что применение каркасной конструктивной схемы наиболее целесообразно для строительства крупнопанельных высотных жилых и общественных зданий.
Материалом для конструкций каркаса является железобетон, сталь, а для малоэтажных зданий столбы нередко выкладывают из кирпича. Для деревянных зданий каркас также выполняют из дерева.
3. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ЖЕСТКОСТЬ
Пространственная жесткость несущего остова — это характеристика системы, отражающая ее способность сопротивляться деформациям или, иначе, способность сохранять геометрическую неизменяемость формы. Если сооружение или отдельные его элементы теряют форму при действии нагрузки, то это сооружение или его элементы геометрически изменяемы. Назначение стен — не только тепловая защита; если их убрать, здания упадут как карточные домики. Эти стены называют также стенки жесткости, они сохраняют форму здания в целом. Но и эти стены, равно как и несущие, могут деформироваться как в своей плоскости, так и из плоскости (например, при сильном ветре либо выгибаться под действием большой вертикальной нагрузки). Жесткость из плоскости может быть обеспечена за счет толщины стен: если стена отдельно стоящая (как забор), то соотношение толщины стены к ее высоте не должно быть более 1/10... 1/12; это соотношение может быть увеличено до 1/20... 1/25 при заделке верхних и нижних частей стены в перекрытие или фундамент. Что же касается обеспечения жесткости стены в ее плоскости (т.е. вдоль стены), то при монолитных стенах, в том числе при каменной кладке на растворе, это достигается автоматически. Если же стена имеет каркасную основу (например, каркас из досок, бревен и т.п.), то этот вопрос решается за счет так называемых связей. Чтобы представить, что это такое, архитектору проще всего вспомнить любой подрамник, который он сколачивал: боковые ребра, сбитые в форме квадрата, очень податливы в плоскости подрамника, пока к ним не прибит лист фанеры. Этот лист играет роль диафрагмы жесткости, препятствующей любой деформации вдоль плоскости. Роль листа может сыграть любой брусок, прибитый в виде диагонали, или диагональный крест. Эти элементы образуют треугольники, т.е. геометрически неизменяемые фигуры. В строительной практике они получили название связи. Достаточно установить одну—две такие связи в стенах вдоль каждой из осей здания, и пространственная жесткость стен будет обеспечена. При этом необходимо иметь в виду, что каждое междуэтажное перекрытие также можно рассматривать как диафрагму жесткости в горизонтальной плоскости. Важно, чтобы само перекрытие под действием нагрузок прогибалось бы из своей плоскости (т.е. по вертикали) лишь в пределах нормативов. Эти прогибы обычно рассчитываются, но в первом приближении принимается: для деревянных балок 1/20... 1/25 пролета; для железобетонных и металлических — до 1/30; для железобетонных плит, опертых по контуру — до 1/40 пролета.
Все вышеуказанные элементы здания (стенки, перекрытия и т.п.), соединенные вместе, образуют систему, обеспечивающую геометрическую неизменяемость, т.е. пространственную жесткость всему зданию в целом.
Пространственная жесткость здания в продольном направлении обеспечивается фундаментными балками, а также дисками покрытия и перекрытия и связям.
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ
«УРАЛЬСКИЙ КОЛЛЕДЖ СТРОИТЕЛЬСТВА АРХИТЕКТУРЫ
И ПРЕДПРЕНИМАТЕЛЬСТВА»
СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 270.802.01
РЕФЕРАТ
На тему: «Понятие о несущем остове зданий. Конструктивные схемы зданий. Обеспечение пространственной жесткости.»
ГРУППА СД-34
Выполнил: Бахтиев С.Р.
Принял: Цыганкова Н.Д.
Екатеринбург, 2010 г
СОДЕРЖАНИЕ
Конструктивные элементы зданий
Фундамент
Стены
Отдельные опоры
Перекрытия
Крыша
Лестница
Окна
Конструктивные схемы зданий
Пространственная жесткость здания