Классификация конструктивных систем

Конструктивной системой называется совокупность взаимосвязанных конструкций, которые обеспечивают прочность, жёсткость и устойчивость здания. Наряду с термином «конструктивная система» в технической литературе в том же значении используется также термин «конструктивная схема». Последний термин предпочтительно применять для характеристики схемы расположения несущих конструкций, например: продольная, поперечная конструктивная схема.

Несущие конструкции здания разделяются на опорные, пролетные и комбинированные. И именно тип опорных и пролетных несущих конструкций определяет конструктивную систему здания.

Опорные конструкции воспринимают и передают фундаментам усилия от собственного веса, опирающихся на них пролетных конструкций, технологического оборудования и архитектурных деталей. К опорным конструкциям зданий относятся несущие стены, каркасы, стволы (ядра жесткости) и оболочки.

Пролетные конструкции используются для перекрытия внутренних и наружных помещений здания. Основные типы пролетных конструкций: балки, ригеля, арки, плиты перекрытий и покрытий, своды, купола, оболочки, лестничные площадки и марши. К пролетными конструкциям также относятся перемычки над проемами в стенах, но они не влияют на тип конструктивной системы. Поэтому при их классификации учитываются только те пролетные конструкции, которые перекрывают помещений здания.

Комбинированные конструкции одновременно являются опорными и пролетными конструкциями. Например, оболочки, перекрывающие большие зальные помещения (выставочных помещений, крытых стадионов и т. п.) и опирающиеся непосредственно на фундаменты, являются характерным примерами комбинированных конструкций здания.

Многоэтажные здания, как правило, имеют жесткие в собственной плоскости перекрытия. Конструктивные особенности таких перекрытий не существенно влияют на особенности совместной пространственной работы несущей системы здания. Поэтому конструктивные системы таких зданий, в основном, определяются типом опорных несущих конструкций.

Одноэтажные здания, в отличие от многоэтажных, имеют самые разнообразные типы пролётных конструкций (балки, плиты, арки, своды, купола, оболочки) но, как правило, всего два типа опорных конструкций (каркасы и стены). Поэтому конструктивную систему одноэтажного здания в основном определяет тип пролетной конструкции его покрытия.

Рис.1. Основные конструктивные схемы зданий и сооружений

Пространственная система, образованная конструкциями, способными воспринимать все действующие на здание или сооружение силовые нагрузки и воздействия (статические и динамические), обеспечивать его прочность, жесткость и устойчивость, представляет собой конструктивную схему.

Конструктивные элементы здания или сооружения, воспринимающие основные нагрузки (напор ветра, вес снега, находящихся в здании людей, технологического оборудования, давление грунта на подземные части здания и т. п.), называются несущими конструкциями.

По характеру этих нагрузок различают несущие конструкции:

- работающие на сжатие (колонны, отдельные опоры, фундаменты, стены, несущие стеновые панели, арочные конструкции и др.);

- работающие преимущественно на изгиб (панели и балки перекрытий, стропильные и мостовые фермы, ригели рам и др.); работающие в основном на растяжение (мембраны, подвески, оттяжки и т. д. ).

В зависимости от характера восприятия и передачи нагрузок несущие конструкции делятся на горизонтальные и вертикальные.

Вертикальные несущие конструкции воспринимают воздействующие
на здание все виды нагрузок и передают их последовательно вниз через ниже расположенные конструкции, вплоть до основания (фундамента).

Горизонтальные несущие конструкции воспринимают поэтажные нагрузки и вместе
с собственной массой передают их вертикальным несущим конструкциям.


Существует несколько способов передачи горизонтальных нагрузок.
Горизонтальные нагрузки могут быть равномерно распределены между
вертикальными несущими конструкциями, либо передаваться на
специальные вертикальные элементы жесткости (диафрагмы, связи, стволы
жесткости). Возможно и промежуточное решение с распределением
горизонтальных нагрузок в различных пропорциях между вертикальными
несущими конструкциями и элементами жесткости.

Горизонтальные несущие конструкции зданий массового
строительства, как правило, однотипны и обычно представляют собой
железобетонные диски. В отличие от горизонтальных, вертикальные
несущие конструкции разнообразны. К ним относятся плоскостные
элементы (стены, диафрагмы жесткости), стержневые элементы сплошного
сечения (стойки каркаса), объемно-пространственные элементы высотой в
этаж (объемные блоки), внутренние объемно-пространственные полые
стержни на высоту здания в виде стволов (ядер) жесткости, внешниеобъемно-пространственные несущие конструкции на высоту здания в виде
тонкостенной оболочки замкнутого сечения.

Тип вертикальной несущей конструкции определяет тип
конструктивной системы здания. Различают основные, комбинированные и
смешанные конструктивные системы. Основных систем пять: бескаркасная
(стеновая), каркасная, объемно-блочная, ствольная и оболочковая. В пределах одной конструктивной системы пространственное
положение вертикальных несущих конструкций может меняться. Вариант
конструктивной системы по признаку размещения в пространстве
(продольного, поперечного, перекрестного) вертикальных несущих
конструкций называется конструктивной схемой здания.

В зависимости от геометрической формы несущие конструкции подразделяют на:

- линейные (балки, колонны, стержневые системы);

- плоскостные (плиты, панели, настилы);

- пространственные (оболочки, своды, объёмные элементы).

Несущие конструкции здания (сооружения) в совокупности образуют его несущий остов, который должен обеспечивать пространственную неизменяемость, прочность, жёсткость и устойчивость здания (сооружения).

Выбор конструктивной схемывлияет на объёмно-планировочное решение здания и определяет тип его основных конструкций.

Бескаркасная (стеновая) конструктивная схема является основной в
строительстве зданий мелкоячеистой объемно-планировочной
структуры: квартирных жилых домов, общежитий, гостиниц, спальных
корпусов домов отдыха, больниц и др.

Преимущество данной схемы - повышенная пространственная жесткость конструкции здания. Горизонтальные нагрузки воспринимаются и передаются основанию пространственной структурой из несущих стен и перекрытий.

Каркасная конструктивная система является основной в
проектировании производственных и сельскохозяйственных зданий, а
также общественных зданий и жилых зданий повышенной этажности По сравнению с бескаркасной эта система имеет ряд преимуществ.
Так, замена протяженных несущих стен на редко расставленные колонны обеспечивает значительное снижение массы здания и максимальную
свободу планировочного решения. Основным преимуществом
полнокаркасных зданий является четкое разграничение функций между
каркасом, воспринимающим все нагрузки и стенами, являющимися только
ограждениями.

Вертикальные несущие конструкции в каркасной схеме -
стержневые (колонны). Их соединения с горизонтальными несущими
элементами (ригелями, балками, фермами) могут быть жесткими и
шарнирными. Способ соединений определяет характер работы каркасов
под нагрузкой. Исходным для всех типов каркасов является рамный.

Рис. 2 Виды рам:

а - пространственная;

б - однопролётная одноярусная;

в - многопролётная одноярусная;

г - однопролётная двухярусная;

д -многопролётная многоярусная

е - монолитный каркас.

Наибольшее распространение в строительстве получил стоечно-балочный каркас, основу которого составляют многоэтажные рамы, образованные колоннами и ригелями, и соединенными жесткими (неподвижными) узлами.

Объемно-блочная конструктивная система уже давно не применяется на практике. Прямым олицетворением такой конструкции могут стать отдельно стоящие железобетонные модули индивидуальных гаражей.

Для строительства высотных зданий может применяться ствольная конструктивная система башенного типа. Вертикальным несущим элементом,
воспринимающим все вертикальные и горизонтальные нагрузки, является
жесткий сердечник — ствол центрального лестнично-лифтового узла. Стены стволов
монтируют из отдельных панелей, жестко соединенных друг с другом и с
фундаментом, либо выполняют монолитными. Применяются перекрытия
консольного типа.

Рис.4. Оболочковая

конструктивная система

Рис.3. Ствольная

конструктивная

система

Оболочковая конструктивная система или система с несущими
наружными объемно-пространственными жесткостными конструкциями
используется редко - в зданиях высотой до 100 и более этажей.


В основном варианте системы несущая часть здания представляет собой
наружную оболочку - вертикальную пространственную замкнутую
конструкцию, жестко заделанную в фундамент или в конструкции
подземных этажей, которая воспринимает все вертикальные и
горизонтальные нагрузки на здание. Поперечную жесткость оболочки обеспечивают жесткие
конструкции перекрытий.
Наиболее
часто применяется оболочка в
виде безраскосной пространственной рамы из
стоек и поэтажных ригелей.

Современные способы оптимизации пространственных покрытий в виде единых (монолитных) пространственных систем позволяют расширить область применения оболочек, одновременно улучшить их архитектурную выразительность.

Как уж часто практикуется, принимаются комбинированные варианты – каркасно-ствольные системы, рамно-связевые каркасы

6 а)

б)

Рис.5. Комбинированные конструктивные системы: а) - каркасно-связевая (каркасно-диафрагмовая) система; б) - каркасно-ствольная система; 3 - колонна; 4 - ригель; 5 - перекрытие; 6 - связь (диафрагма) жесткости;
7 * ствол (ядро) жесткости; 8 - жесткий стык; 9 - гибкий (шарнирный) стык

Стены

Определение: стены – протяженные по длине вертикальные плоские конструкции, образующие пространственные объемы здания или сооружения в пределах уровня этажа в виде отсеков, помещений.

По характеру статической нагрузки наружные стены подразделяют на:

- несущие, которые, кроме собственного веса, воспринимают и передают нагрузки от конструкций выше расположенных этажей (стен, перекрытий, покрытий, давление ветра и др.) на ниже расположенные стены и на фундамент;

- самонесущие, осуществляющие несущую нагрузку только от собственного веса всех конструкций стен по вертикали здания и опирающиеся на фундамент, а также обеспечивающие устойчивость (жесткость) каркаса здания, в том числе и от ветровой нагрузки;

- ненесущие (в т. ч. навесные), воспринимающие собственный вес только в пределах одного этажа и передающие его на каркас или другие опорные конструкции здания.

Внутренние стены могут быть несущими или ненесущими (последние, называются перегородками, предназначены только для разделения помещений, их устанавливают непосредственно на перекрытии). Во внутренних стенах часто устраивают каналы и ниши для вентиляции, газоходов, водопроводных и канализационных труб и т. д.

Ненесущие стены, вес которых должен быть минимален, изготовляют из многослойных железобетонных панелей с эффективным утеплителем, панелей из особо лёгких бетонов, асбестоцементных панелей.

По способу возведения стены подразделяют на:

- сборные из готовых элементов заводского изготовления (из блоков и панелей);

- монолитные — обычно бетонные, возводимые в передвижной или скользящей опалубке;

Перекрытия

Перекрытия– горизонтальные комплексные конструкции, разделяющие здание на этажи.

В состав междуэтажных перекрытий входят несущие элементы, плита перекрытия, выполняющая функции пола или потолка. В состав чердачных, подвальных и других типов перекрытий дополнительно включают различные прослойки.

Перекрытие - внутренняя горизонтальная ограждающая конструкция здания. Различают перекрытия: междуэтажные, чердачные, подвальные, цокольные, над проездами и др.

Перекрытия воспринимают и передают на стены и другие вертикальные опоры нагрузки от находящихся на них людей, оборудования, перегородок, мебели и т. п.; одновременно выполняют роль горизонтальных диафрагм жёсткости здания.

По конструктивной схеме различают балочные и безбалочные
перекрытия. В состав балочных входят балки (ригели) и
опирающиеся на них плиты.

В состав схем балочных перекрытий входят, как правило, железобетонные
ригели и панели. Тип
панелей по конструктивному исполнению и размерам определяется
назначением здания и величинами пролетов. Наиболее часто встречающимися панелями являются: сплошные и многопустотные, имеющие гладкую поверхность как сверху, так и снизу; ребристые и коробчатые с длинномерными размерами.

А) б) в)

Рис.6. Типы панелей перекрытий:

а - сплошная панель; б - многопустотная панель; в - ребристая панель

В безбалочных перекрытиях плиты опираются
непосредственно на стены или колонны.

В современной технологии строительного производства все большее применение находит технология изготовления монолитных перекрытий, при которой укладка бетонной
смеси осуществляется в опалубку - форму, соответствующую размерам и конфигурации
будущего перекрытия.

Допускается изготавливать монолитные плиты, перекрывающие всю площадь помещения и опирающиеся по контуру на несущие стены помещения, а также на выступающие консольные опоры (капители) несущих колонн (безбалочная схема).

При больших пролетах и применения более массивных, в том числе с повышенными показателями предела огнестойкости, для обеспечения несущей способности монолитной плиты используют обычную балочную конструктивную схему.

Крыши

Крыши - наружные венчающие здание несущие и ограждающие
конструкции, в состав которых входят несущие элементы, паро- и
теплоизоляционные слои, а также гидроизоляция -наружная оболочка кровли для защиты от атмосферных воздействий.

По архитектурно-конструктивным решениям, крыши классифицируют на совмещенные и чердачные.

Чердак (определение) —пространство между поверхностью крыши (покрытия), наружными стенами и перекрытием верхнего этажа для обеспечения вентиляции, примыканий, безопасного перемещения и эксплуатации техническим персоналом (прил.Б СП 17.13330.2011).

Конструктивно чердачные помещения имеют покатую крышу, как правило, двухскатную со значительным уклоном, вследствие чего использование рулонных, тем более на битумной основе, практически не представляется возможным. Поэтому наиболее широкое применение находят штучные материалы и волнистые листы: черепица, кровельные плитки волнистые, хризотилцементные, цементо-волокнистые, стальные, медные и алюминиевые листы.

Рис. 7 Конструктивные схемы сборных железобетонных и металлических (ферм) чердачных покрытий

Основанным видом несущей конструкции покрытия (крыши) являются не сколько известные нам фермы из железобетона или металла, но и их разновидность в виде стропил и других вспомогательных узлов и связей.

Рис.8 Двускатная крыша с деревянными стропилами

В соответствии с пунктами 6.2.1, 6.3.1, 6.4.2, 6.4.11, 6.4.18, 6.4.22, 7.3, 7.4 СП 17.13330.2011, в качестве основания под кровлю используются сплошные настилы или обрешетки из обрезных досок хвойных пород, фанеры, ориентированно-стружечные плиты по деревянным стропилам.

Следует отметить, что в соответствии с табл.21 Технического регламента о требованиях пожарной безопасности, несущие конструкции чердачных помещений в оценке их огнестойкости и установлении степени огнестойкости здания в целом не участвуют.

Особенность бесчердачных крыш - совмещение всех слоев в единой конструкции. Совмещенными крышами называют пологие бесчердачные покрытия, в которых крыша совмещена с конструкцией чердачного перекрытия и нижняя поверхность является потолком помещения. Чаще всего совмещенные покрытия выполняют из железобетонных элементов.

Рис.9. Совмещенные перекрытия:

1- плита перекрытия;

2- утеплитель;

3- стяжка;

4 – гидроизоляция