Принципы проектирования конструкций зданий с учётом модульной системы в строительстве, как основы индустриального строительства

Строительная отрасль постоянно развивается, т.к. потребности людей растут с развитием науки, техники, возможностей общества. Однако материальные возможности растут медленнее, чем потребности. В связи с этим существует постоянная необходимость совершенствовать строительные конструкции, использовать новые материалы, сокращать сроки возведения зданий и т.д. Практика строительства привела в этих условиях к разработке большого разнообразия конструктивных решений зданий даже одного назначения. В задачу изучаемого курса входит необходимость познакомить учащихся с наиболее приемлемыми и часто встречающимися оптимальными решениями конструкций, использующих доступные материалы, методы возведения с минимальными затратами ручного труда за счет переноса многих процессов в условия предприятий стройиндустрии, использование типовых унифицированных конструкций.

При разработке конструкций зданий требуется обеспечивать все требования, о которых говорилось в предыдущем разделе курса: это прочность, устойчивость, долговечность и многие другие требования для несущих конструкций. Для ограждающих конструкций кроме этих требований учитывается специфика требования по защите искусственной среды от внешних воздействий – теплозащита, защита от ветра, снега, дождя, шума и т.д.

Часто целесообразно совмещать в ограждающей конструкции, например, в стене, кроме ограждающей функции еще и несущую функцию, т.к. по первому условию (основному) приходится назначать размеры, обеспечивающие не только защитные качества, но и несущую способность. Например, кирпичная стена по условиям теплозащиты помещений наделяется толщиной, при которой можно без дополнительных затрат обеспечить несущую способность при опирании на неё конструкций перекрытий. В этих условиях целесообразно совместить в таких стенах роль ограждающей и несущей конструкции.

При проектировании зданий целесообразно строго придерживаться требований модульной системы при назначении размеров конструкций, т.е. принимать размеры, кратные какому-то условно принятому размеру. Со времён древних строителей модульные размеры применялись очень широко, что позволяло использовать своеобразное повторение уже опробованных, проверенных решений. Например, римляне, греки, египтяне за основной размер брали диаметр несущих колонн. На Руси размеры деталей принимались кратными локтю, в Японии – размеру циновки-татани.

У нас в строительстве при назначении размеров используется единый модуль М размером 100 мм. Для удобства на его основе применяют кратные и дробные модули n*М, принимая n = 3, 6 и т.д. или в долях 1/n = 1/20, 1/10, 1/5 и т.д.

Например, размеры (расстояние) между осями конструкций зданий производственного значения принимают 30М = 3 м, 60М = 6 м, в гражданских зданиях модули более мелкие – 2М, 3М, 6М.

В настоящее время на этой основе разработана Единая Модульная Система (ЕМС), Единая Система Конструкторской Документации (ЕСКД), которые используются при проектировании и строительстве зданий и сооружений. На их основе разрабатываются типовые решения конструкций, под которыми понимаются многократно используемые решения (типовые конструкции, проекты).

Если эти решения используются в нескольких проектах, то такие конструкции называются унифицированными. Например, фундаментный бетонный блок можно использовать в типовом жилом здании (школе, магазине, столовой) и в других зданиях и сооружениях. Такая конструкция называется типовая, унифицированная.

Размеры таких конструкций устанавливаются по расстоянию между осями несущих стен, колонн, что исключает при их установке работы по подгонке. Т.е. при назначении размеров в увязке с положением разбивочных осей, процесс установки их на место напоминает сборку машин из готовых деталей.

Например, конструкция пустотной плиты перекрытия многим известна, мы повсеместно видим ее на стройках. Она опирается на стены с осями 1 и 2, которые принято называть разбивочными. На рис. 3.1. показано такое опирание.

Рис. 3.1 Схема опирания плиты на стены

Расстояние между осями стен 1 и 2 принято называть номинальным размером плиты L_н. Расстояние между торцами плит называют конструктивным размером плиты L_к. Зазор между торцами Δ необходим для того, чтобы можно было укладывать плиты если допущено отклонение от номинальных размеров L_н при разбивке осей или изготовлении конструкции. L_к = L_н – Δ. Для учёта возможных отклонений длины, при изготовлении также устанавливают допуск на изготовление f и тогда фактический размер конструкции будет равен L_ф = L_н – Δ ± f, но при этом зазор Δ должен быть меньше допуска f. Аналогичные требования предъявляются и к ширине конструкции (b_н и b_к).

Существуют строгие правила расположения разбивочных осей в геометрическом сечении стен, колонн и других конструкций, на которые опираются конструкции покрытий, перекрытий и т.д.

2. Несущие конструкции, их назначение

Несущими конструкциями в зданиях называют конструкции, воспринимающие действие собственного веса, оборудования, снега, ветра, сейсмических воздействий при землетрясении и некоторых других специфических воздействий.

Они должны обладать достаточной прочностью, устойчивостью, противостоять действию коррозии и других подобных явлений.

В качестве несущих конструкций в зданиях могут выступать стены, колонны, столбы, балки. К несущим конструкциям следует относить и фундаменты. Эти конструкции могут делаться из различных материалов в зависимости от долговечности зданий (класса зданий).

3. Ограждающие конструкции, их назначение

При создании искусственной среды, т.е. здания, приходится выгораживать её из окружающей среды с изменяемыми характеристиками (по сезонам – зима, лето, день, ночь), т.к. искусственная среда должна иметь постоянные значения параметров (температуры, влажности, скорости движения воздуха и т.д.) независимо от изменений характеристик, постоянно происходящих в окружающей среде. В связи с этим к конструкциям предъявляются требования, которые должны отражать эту изменчивость внешней среды. К ограждающим конструкциям предъявляются следующие требования:

- Теплозащитные. Они исполняются за счёт стен из соответствующих материалов, изменения их толщины, конструкции и т.д.

- Защиты от внешних шумов.

- Воздухо- и паропроницаемости.

Исходя из этих требований толщину стен зданий из традиционных материалов (камня) приходится принимать, как уже говорилось ранее, такими, чтобы они были способны нести нагрузки, превышающие их собственный вес, т.е. у них должен быть резерв несущей способности и они должны быть способны совмещать функции ограждения с несущими функциями.

Иногда такое сочетание назначается уже при проектировании конструкций. Например, купола некоторых зданий цирков, спортивных сооружении исполняют роль несущей и ограждающей конструкции. Сейчас, с появлением эффективных утеплителей, чаще идут на дифференцированное решение, т.е. ограждающая функция выполняется за счет эти материалов, а несущая обеспечивается конструкциями из высокопрочных материалов (металла).

4. Несущий остов, виды несущих остовов

Механические (силовые) воздействия на здания воспринимаются конструктивным остовом (скелетом) здания, который состоит из вертикальных стоек, стен и горизонтальных – балок либо других элементов, передающих усилия на стойки и стены.

В процессе развития архитектуры появлялись и развивались несколько разновидностей конструктивных остовов:

- стоечно-балочные – в виде стоек или стен и горизонтальных балочных элементов. В качестве материала для балок применяли дерево, но пролет не превышал 5-6 м. Кроме того, дерево быстро разрушалось и горело (рис. 3.2, а).

- Позже появились арочные конструкции. Когда вместо балок стали делать арки, удалось увеличить пролёт до 40 м (Пантеон в Риме имел купол 42,5 м), рис. 3.2, б.

Рис. 3.2 Первые конструктивные остовы

1 – стойка (стена); 2 – балка; 3 – арка (купол); б – свод

По мере появления новых материалов появились новые решения остовов:

- Рамный, когда стойки и балки в узлах стали соединять жестко, образуя рамы. Соединение нескольких рам позволило строить здания рамной конструкции с несколькими этажами (рис. 3.3, а, б).

Рис. 3.3 Рамный остов

В современной строительной практике есть четкое деление несущих остовов (схем) на три типа:

- Связевая схема – когда стойки представляют в виде жестких дисков защемленных в основании и способных воспринять вертикальную и горизонтальную нагрузки (рис. 3.4).

Рис. 3.4 Жесткий диск

В качестве связей в реальных зданиях выступают стены, которые размещают вдоль и поперек здания. Здания с такими остовами иногда называют зданиями с несущими стенами, продольными или поперечными (рис. 3.5).

Рис. 3.5 Здания с продольными и поперечными несущими стенами

Вместо стен часто ставят рамы, тогда здания называют каркасными и роль связевых дисков выполняют поперечные стержневые диски рам. Рамы ставятся с шагом 3-6 м, и они создают несущую основу для укладки перекрытия. При этом соединения всех элементов в узлах делаются жесткими, т.е. способными воспринять все усилия от воздействия внешних вертикальных сил Р и горизонтальных сил Т (см. рис. 3.4).

Для восприятия горизонтальных сил Т (ветер, сейсмические силы и др.) можно сделать комбинацию дисков связей (стен) с рамами. Стены и рамы объединятся в единый блок, создают жесткое ядро, способное воспринять горизонтальные внешние силы.

Такое ядро жесткости создают на базе лестничных клеток, коммуникационных блоков для лифтов. Иногда диски ставят в виде перегородок между колоннами или в виде крестовых связей.

Такие конструктивнее решения позволяют не делать жесткие соединения элементов рамы (стойка-ригель), это в значительной мере упрощает конструкцию здания.

Конструктивный остов здания тесно связан с планировочной структурой помещений в зданиях. Стены ограничивают размеры помещений, т.е. размеры пролета L и шага B диктуют размер помещений. Приходится приспосабливать планировку к этим размерам. Но рамный конструктивный остов создаёт большие возможности свободной планировки, т.е. разделение на этаже помещений. Кроме того, при необходимости изменения планировки помещений в процессе эксплуатации рамный несущий остов позволяет это делать почти беспрепятственно.

Широкое внедрение в строительство кроме камня и дерева, металла, железобетона в сочетании с современными эффективными утеплителями и листовыми материалами позволяет совершенствовать традиционные конструктивные остовы. На базе рамных конструктивных решений из металла в виде каркаса, способного воспринимать все силовые воздействия, создается несущий остов, а эффективные утеплители в сочетании с листовыми материалами обеспечивают защиту внутренней среды от внешних воздействий.