Современные конструктивные системы

В зависимости от типа нагрузок наружные стены делятся на:

• несущие стены - воспринимающие нагрузки от собственного веса стен по всей высоте здания и ветра, а также от других конструктивных элементов здания (перекрытий, кровли, оборудования, и т.д.);
• самонесущие стены - воспринимающие нагрузки от собственного веса стен по всей высоте здания и ветра;
• ненесущие (в том числе навесные) стены - воспринимающие нагрузки только от собственного веса и ветра в пределах одного этажа и передающие их на внутренние стены и перекрытия здания (типичный пример - стены-заполнители при каркасном домостроении).

Требования к различным типам стен существенно отличаются. В первых двух случаях очень важны прочностные характеристики, т.к. от них во многом зависит устойчивость всего здания. Поэтому материалы, используемые для их возведения, подлежат особому контролю.

Конструктивная система представляет собой взаимосвязанную совокупность вертикальных (стены) и горизонтальных (перекрытия) несущих конструкций здания, которые совместно обеспечивают его прочность, жесткость и устойчивость.

На сегодняшний день наиболее применяемыми конструктивными системами являются каркасная и стеновая (бескаркасная) системы. Следует отметить, что в современных условиях часто функциональные особенности здания и экономические предпосылки приводят к необходимости сочетания обеих конструктивных систем. Поэтому сегодня все большую актуальность приобретает устройство комбинированных систем.

Для бескаркасной конструктивной системы (рис. 1) используют следующие стеновые материалы: деревянные брусья и бревна, керамические и силикатные кирпичи, различные блоки (бетонные, керамические, силикатные) и железобетонные несущие панели (панельное домостроение).

До недавнего времени бескаркасная система являлась основной в массовом жилищном строительстве домов различной этажности. Но в условиях сегодняшнего рынка, когда сокращение материалоемкости стеновых конструкций при одновременном обеспечении необходимых показателей теплозащиты является одним из самых актуальных вопросов строительства, все большее распространение получает каркасная система возведения зданий.

Каркасные конструкции обладают высокой несущей способностью, малым весом, что позволяет возводить здания разного назначения и различной этажности с применением в качестве ограждающих конструкций широкого спектра материалов: более легких, менее прочных, но в то же время обеспечивающих основные требования по теплозащите, звуко- и шумоизоляции, огнестойкости. Это могут быть штучные материалы или панели (металлические - типа <сэндвич>, либо навесные железобетонные).

Наружные стены в каркасных зданиях не являются несущими. Поэтому прочностные характеристики стенового заполнения не так важны, как в зданиях бескаркасного типа.

Наружные стены многоэтажных каркасных зданий посредством закладных деталей крепятся к несущим элементам каркаса или опираются на кромки дисков перекрытий. Крепление может осуществляться и посредством специальных кронштейнов, закрепляемых на каркасе.

С точки зрения архитектурной планировки и назначения здания, наиболее перспективным является вариант каркаса со свободной планировкой - перекрытия на несущих колоннах. Здания такого типа позволяют отказаться от типовой планировки квартир, в то время как в зданиях с поперечными или продольными несущими стенами это сделать практически невозможно.

Хорошо зарекомендовали себя каркасные дома и в сейсмически опасных районах.

Для возведения каркаса используются металл, дерево, железобетон, причем железобетонный каркас (рис. 2) может быть как монолитный, так и сборный. На сегодняшний день наиболее часто используется жесткий монолитный каркас с заполнением эффективными стеновыми материалами.

Все большее применение находят легкие каркасные металлоконструкции (рис. 3). Возведение здания осуществляется из отдельных конструктивных элементов на строительной площадке; либо из модулей, монтаж которых производится на стройплощадке.

Данная технология имеет несколько основных достоинств. Во-первых, - это быстрое возведение сооружения (короткий срок строительства). Во-вторых, - возможность формирования больших пролетов. И наконец, - легкость конструкции, уменьшающая нагрузку на фундамент. Это позволяет, в частности, устраивать мансардные этажи без усиления фундамента.

Особое место среди металлических каркасных систем занимают системы из термоэлементов (стальных профилей с перфорированными стенками, прерывающими <мостики холода>). Подобную систему (см. рис. 4) представляет на российском рынке фирма "RANNILA" (Финляндия).

Наряду с железобетонными и металлическими каркасами давно и хорошо известны деревянные каркасные дома, в которых несущим элементом является деревянный каркас из цельной или клееной древесины. По сравнению с рублеными деревянные каркасные конструкции отличаются большей экономичностью (меньше расход древесины) и минимальной подверженностью усадке.

Несколько особняком стоит еще один способ современного возведения стеновых конструкций - технология с применением несъемных опалубок. Специфика рассматриваемых систем заключается в том, что сами элементы несъемной опалубки не являются несущими. элементами конструкции. В процессе строительства сооружения, путем установки арматуры и заливки бетоном, создается жесткий железобетонный каркас, удовлетворяющий требованиям по прочности и устойчивости.

Рис. 1
Бескаркасная конструктивная система (ROBEN).

Рис. 2
Процесс монтажа монолитного каркаса (MEVA).

Рис. 3
Каркас из металлических конструкций (RANNILA)

Рис. 4
Металлическая каркасная система из термоэлементов (RANNILA)
А,Б - конструктивные узлы;
В - термопрофиль с перфорированной стенкой, предотвращающей <мостики холода>.

Лесоматериалы

В течение длительного времени дерево являлось наиболее доступным и главенствующим строительным материалом на большей части территории Древней Руси. В деревянном зодчестве были разработаны многие архитектурные формы еще до появления каменных построек. И на протяжении многих веков русской истории дерево оставалось основным материалом даже тогда, когда появились постройки из природного камня и кирпича.

Широко используется дерево как конструкционный материал и сегодня. Но область его применения сузилась, в основном оно используется для строительства частных домов - коттеджей.

Деревянным домам посвящено много различной литературы и специализированных изданий, поэтому в нашей книге остановимся на этом замечательном материале лишь кратко.

Как природный материал, древесина обладает как достоинствами, так и недостатками, которые необходимо учитывать при строительстве стен из древесных материалов.

Достоинствами натуральной древесины являются: высокая прочность; низкая звуко- и теплопроводность; высокая морозостойкость; легкость в обработке; простота утилизации; низкий коэффициент температурного линейного расширения.

К недостаткам натуральной древесины можно отнести: гигроскопичность (присутствие избыточной влаги в древесине вызывает резкое ухудшение всех ее физико-механических свойств); горючесть; наличие пороков (сучки, трещины, смоляные карманы, и др.).

Остановимся подробнее на гигроскопичности и горючести древесины.

Древесина, как капиллярно-пористый материал, обладает гигроскопичностью, т.е. способностью отдавать влагу или поглощать водяные пары из воздуха, в зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха и влажности самой древесины. Гигроскопичность древесины обуславливает изменяемость размеров деревянных конструкций в процессе эксплуатации зданий и создает опасность развития микроорганизмов-разрушителей (грибков).

Древесина является горючим материалом, но, как органический материал, при горении долго остается прочной. При обугливании поверхности образуется защитный слой, благодаря которому замедляется проникновение огня вглубь древесной ткани. В случае горения дерева не образуется едких веществ.

Долгий и надежный срок службы деревянных домов, прежде всего, зависит от качества исходной древесины (в том числе от района и времени рубки) и от того, насколько качественно высушены древесные материалы. В настоящее время разработаны сушильные камеры, которые позволяют достичь необходимой влажности древесины по всему объему бруса или бревна. Высокотемпературная сушка позволяет уменьшить влияние усадки древесных материалов на конструкцию дома.

Наибольшее применение в качестве стеновых материалов находят хвойные породы - сосна, ель, ибо они обладают многими ценными в строительном отношении качествами. Прямизна и отсутствие дуплистости позволяют сплачивать бревна в стены. Смолистость вышеупомянутых пород обеспечивает хорошую сопротивляемость гниению.

В старину для строительства деревянных домов в основном применяли бревна, т.е. со стволов деревьев лишь снималась кора. Недостатком бревен является их нетехнологичность, обусловленная естественными неровностями дерева.

В настоящее время для строительства деревянных домов в основном применяются оцилиндрованные бревна или брусья (профилированные цельные или клееные) (рис. 2А,Б).

Достоинством оцилиндрованного бревна является ровная, округлая форма, позволяющая достичь плотного соединения бревен (рис. 2А).

Для обработки бревен используют специальное технологическое оборудование. Ствол дерева проходит через систему фрез и превращается в идеальный цилиндр со струганной поверхностью, при этом оцилиндрованное бревно сохраняет свою естественную структуру - твердую оболочку и мягкую сердцевину. Благодаря одинаковому "калибру", высокому качеству обработки поверхностей бревна не требуют отделки. В современных оцилиндрованных бревнах необходимые пазы и чаши имеют математически выверенную форму--- - в результате венцы из таких бревен имеют минимальные зазоры.

Как правило, заказчику предлагаются оцилиндрованные бревна с проведенной обработкой антисептиками и противопожарными составами.

Помимо оцилиндрованного бревна для рубленых домов широкое распространение получил и цельный профилированный брус (рис. 2В). Брус изготавливают в заводских условиях из бревна, отпиливая четыре канта и придавая требуемую форму. Для придания брусу большей прочности, меньшей подверженности деформациям и усадки, его изготавливают также клееным из нескольких слоев древесины (рис. 2Б).

Внутреннюю отделку дома, построенного из клееного бруса, можно осуществлять сразу после монтажа дома.

Все вышеперечисленные материалы применяются для возведения рубленых домов. В старину деревянные дома именно рубили, т.к. основным орудием был топор. Для подобных конструкций это название сохранилось и сегодня. В рубленых домах несущей конструкцией является деревянная стена, состоящая из продольно уложенных друг на друга бревен или бруса. Каждый ряд такой конструкции носит название - "венец". Для сплачивания горизонтальных венцов в бревнах выбирается продольный паз. В углах срубов бревна/брусья соединяются с помощью врубок.

На рис. 3 представлены приемы врубок, применявшихся еще в Древней Руси: с остатком ("в обло") (более теплоустойчивая применялась чаще) или без остатка ("в лапу", "в шап").

Качество сруба можно определить по выполнению пазов и врубок. Чем качественнее выполнены пазы и врубки, обеспечивающие плотное соединение бревен, тем теплее будет дом.

Фирмы, занимающиеся производством элементов для рубленых домов, разрабатывают усовершенствованные узлы врубок, более совершенную форму профилированных брусьев. На рис. 4 представлены узлы современных деревянных конструкций.

Самым современным способом возведения деревянного коттеджа, является сооружение дома "под ключ", то есть дом, выполненный в заводских условиях и готовый к сборке. Такие дома полностью комплектны. Достаточно высокая стоимость компенсируется соответствующим качеством.

В настоящее время, помимо рубленых домов, все большее распространение получают каркасные дома, в которых несущим элементом является деревянный каркас (из цельной или клееной древесины) (рис. 5). Пространство между каркасом заполняется эффективным утеплителем и зашивается с внутренней и внешней стороны. Эти конструкции более экономичны, чем рубленые: меньше расход древесины, проще в строительстве, не требуется возведение массивных фундаментов. Они находят все более широкое применение как на Западе, так и в России.

За счет увеличения промежутка между внутренними и наружными обшивками каркасные дома без проблем приспосабливаются к новым теплотехническим нормам. Усадка каркасного дома минимальна, поэтому сразу же после строительства дома можно осуществлять внутреннюю отделку.

Каркасная система является одной из самых гибких строительных систем для индивидуального жилья и небольших общественных зданий с точки зрения возможностей создания богатого разнообразия архитектурно-планировочных решений.

Разновидностью каркасных домов являются щитовые дома, для возведения которых используются заводского изготовления панели - щиты. Щитовые дома требуют тщательной сборки для обеспечения пространственной жесткости и непродуваемости. Кроме того, данные конструкции требуют монтажных кранов. Снаружи щитовые дома часто облицовывают кирпичом, предусматривая вентиляционный зазор между щитом и кирпичной стенкой.

Существуют также различные комбинированные системы рубленых и каркасных домов. На рис. 6

представлены узлы некоторых подобных конструкци

Рис. 1
Современные деревянные дома (HONKA).
- из оцилиндрованного бревна;

Рис. 2
Стеновые материалы из дерева (RANTASALMI);
А - оцилиндрованное бревно;
Б - клееный брус;
В - цельный профилированный брус.

Рис. 3
Примеры врубок.
А - "в обло" (с остатком);
Б - "в лапу" (без остатка).

Рис. 4
Клиновидный профиль способствует плотному прилеганию бревен (А), брусьев (Б) по всей длине (HONKA).

Рис. 5
Деревянный каркас из слоеной древесины KERTO фирмы FINNFOREST.

Рис. 6
Комбинированная система фирмы RANTASALMI.
1 - брус;
2 - льняная конопатка;
3 - строительная бумага;
4 - несущий каркас;
5 - вагонка;
6 - теплоизоляция;
7 - клееный брус.

Кирпичи, блоки

Общие сведения
Керамические кирпичи и блоки (камни)
Силикатные кирпичи и блоки (камни)
Бетонные блоки (камни)
Технология каменных работ

Несмотря на бурное развитие полносборного и монолитного домостроения, штучные материалы по-прежнему находят широкое применение в строительстве. Они используются, прежде всего, для возведения ограждающих конструкций в каркасных зданиях, а также небольших объектов, в т.ч. коттеджей. Могут применяться штучные материалы и при устройстве несущих ограждающих конструкций при применении особых конструктивных схем.

Общеизвестно, что традиционно применяемые конструкции стен с однослойной кирпичной стеной сегодня не проходят по сопротивлению теплопередачи (в соответствии с новыми нормативными требованиями). Поэтому производители штучных материалов ищут пути повышения теплосопротивления выпускаемых ими материалов, а также разрабатывают новые конструкции многослойных стен, где эти материалы могут использоваться.

В настоящее время наряду со старым, хорошо знакомым и любимым многими строителями и заказчиками керамическим кирпичом широко применяется и силикатный кирпич. Причем производство не только силикатного, но и керамического кирпича модернизируется, этим изделиям придаются новые, требуемые временем свойства. Штучные изделия большего размера (камни или блоки, как их называют) также все шире применяются в строительстве. И не только керамические и силикатные, но и из различных бетонов.

Общие сведения

Штучные материалы могут быть разных размеров и формы, цвета и фактуры, быть полнотелыми или иметь пустоты. Например, на сегодняшний день в мире выпускается кирпич более 15000 сочетаний форм, размеров, цвета и фактур поверхности. Но в то же время, несмотря на огромную номенклатуру все штучные изделия можно условно разделить на несколько групп по разным показателям.

По размеру штучные изделия подразделяются на кирпичи и блоки (камни). Кирпичи бывают одинарные, полуторные. Одинарный кирпич имеет следующие размеры: в длину ("ложок") - 250 мм, в ширину ("тычок") - 120 мм, в высоту - 65 мм. Полуторный (утолщенный) кирпич отличается от одинарного размером по высоте, который составляет 88 мм. Изделие большего размера называется блоком (камнем).

По наличию пустот штучные изделия делят на полнотелые и пустотелые.

По составу и способу производства можно выделить несколько групп: керамические кирпичи и блоки; силикатные кирпичи и блоки; бетонные блоки (из тяжелых бетонов, газо- и пенобетонов, полистиролбетонов, и т.д.). Применяются также и другие местные материалы для производства штучных изделий, например, известняк-ракушечник, различные шлаки, керамзит, и т.д.

По назначению штучные материалы делятся на рядовые (строительные); лицевые (облицовочные, фасадные, отделочные) и специальные, предназначенные для особых условий эксплуатации.

Рядовой кирпич (блок) используется для возведения несущих стен. Его отличают высокие прочностные характеристики, но в то же время не требуется высокая стойкость к воздействию окружающей среды. Потому для наружных стен его можно использовать только с применением защитно-декоративного покрытия (облицовочных материалов или штукатурных растворов).

Лицевой кирпич (блок) имеет правильную форму, четкие грани, однородную окраску, выдерживает воздействие атмосферных осадков, морозостоек и пригоден для практически всех наружных работ. Часто лицевые кирпичи и камни имеют декоративную поверхность на гранях, выходящих на поверхность фасада. Лицевые кирпичи применяются как для кладки, так и для облицовки наружных и внутренних стен с целью повышения эстетической привлекательности и обеспечения долговечности здания.

На сегодняшний день многие предприятия наладили выпуск штучных материалов самой разной формы, так называемые фасонные (или фигурные, профильные) кирпичи и блоки. Фасонные изделия могут быть овальной, закругленной формы, со скосом, при этом кирпич может принимать форму пяти- или шестиугольника. Наличие изделий таких форм позволяет возводить кладку с округлыми очертаниями, оригинальными архитектурными решениями оконных и дверных проемов, арок, эркеров, пилястр, и т.п.

Заводы изготавливают облицовочные кирпичи и блоки с гладкой, волнистой, шероховатой поверхностью, "под дикий камень", "колотыми", "под антик", а также с минеральной крошкой, и т.д.

Лицевые изделия могут иметь разнообразную цветовую гамму, т.к. применение пигментов позволяет придать им самые различные оттенки. Кладку из облицовочных штучных изделий можно вести как на обычных, так и на цветных растворах.

Очень важным показателем для штучных изделий является марка по прочности. Для керамических и силикатных кирпичей (блоков) этот показатель обозначается буквой "М" с цифровым значением. Цифры показывают, какую нагрузку на 1 см² может выдержать кирпич (блок). Марку изделия по прочности выбирают в зависимости от расчетных нагрузок.

Для бетонных блоков марка по прочности на сжатие обозначается буквой "В", а марка по средней плотности - буквой "Д".

При выборе кирпича или блока следует обращать внимание и на марку по морозостойкости (обозначаемую буквой "F" с цифровым значением). Она должна быть выбрана в соответствии с нормативными документами (в зависимости от климатического района строительства).

Каменная кладка

Каменной кладкой называется конструкция, которая состоит из кирпичей или блоков, уложенных в определенном порядке на строительном растворе. Кладка может быть сплошной или облегченной с применением эффективных утеплителей (о многослойных теплоизоляционных конструкциях см. здесь).

Прочность каменной (кирпичной) кладки зависит от расположения и прочности кирпича, блоков и применяемых связующих растворов.

Строители-каменщики пользуются специальной терминологией для обозначения различных элементов кладки. Приведем некоторые определения.

Постелью (верхней, нижней) называются две большие по площади грани кирпича (блока), расположенные по противоположным сторонам. Длинные боковые стороны называют ложками, короткие - тычками.

Ложковый ряд кладки - ряд, образованный из кирпичей, уложенных длинной боковой стороной к наружной поверхности стены.

Тычковый ряд кладки - ряд, обращенный короткой стороной.

Версты - крайние ряды кирпича в рядах, которые образуют поверхность кладки.

Забутовочные кирпичи (забутка) - кирпичи, уложенные между внутренней и наружной верстами.

Прочность кладки и создание определенного рисунка на ее лицевых плоскостях достигается чередованием ложковых и тычковых рядов со смещением вертикальных швов каждого ряда на четверть или полкирпича. Порядок укладки кирпичей относительно друг друга называется системой перевязки.

Перевязку продольных швов делают для того, чтобы кладка не расслаивалась вдоль стены на более тонкие стенки, и чтобы нагрузка в кладке равномерно распределялась по ширине стены.

Перевязка поперечных швов необходима для продольной связи между отдельными кирпичами, обеспечивающей распределение нагрузки на соседние участки и монолитность стен при неравномерных осадках, температурных деформациях, и т.п.

Широко применяются однорядная (цепная) и многорядная перевязки, а также трехрядная перевязка швов.

Кирпичная кладка должна выполняться с соблюдением определенных технологических правил: поливки кирпича, равномерности возведения кладки по всему фронту работ, горизонтальности рядов, вертикальности углов, стен.

Для декоративной отделки стен зданий и защиты стен от атмосферных воздействий применяют лицевую и декоративную кладку.

Лицевая кладка бывает двух видов:
- кладка стены и ее лицевой поверхности из одного и того же материала;
- кладка лицевой поверхности стен из специального лицевого кирпича или камня, имеющего природную или искусственную окраску и гладкие или офактуренные поверхности. При этом кладка остальной части стен выполняется из рядовых кладочных материалов.

Декоративная кладка является разновидностью лицевой кладки. Для того чтобы подчеркнуть архитектурную выразительность кладки, применяют различные способы разрезки облицовочного слоя вертикальными швами. Можно получить разнообразные рисунки, сочетая способы перевязки и раскладки кирпича в лицевом слое, а также применяя разный по цвету, фактуре и размерам кирпич.

Как уже говорилось выше, кирпичи и камни укладывают на раствор, который должен заполнять швы между отдельными камнями. Следует учесть, что при кладке из пустотелых элементов, в зависимости от расположения пустот и размера, часть раствора заполняет пустоты и его расход возрастает почти вдвое по сравнению с кладкой из полнотелых материалов.

В качестве кладочных растворов могут быть использованы готовые растворы или сухие строительные смеси определенной удобоукладываемости, марки и качества.

Сухие растворные смеси состоят из песка, извести, цемента и добавок, которые улучшают их характеристики. Добавки необходимы, чтобы сохранить удобоукладываемость растворных смесей при укладке на пористое основание. Пластифицирующие добавки могут быть органическими и неорганическими, они повышают способность растворной смеси удерживать воду.

Неорганические дисперсные добавки состоят из мелких частиц, хорошо удерживающих воду (известь, зола, молотый доменный шлак, глина, и т.д.).

Органические поверхностно-активные пластифицирующие и воздухововлекающие добавки улучшают удобоукладываемость растворных смесей, а также экономят вяжущее, повышают морозостойкость, снижают водопоглощение и усадку раствора.

Для проведения кладочных работ в зимнее время в кладочные растворы необходимо добавлять противоморозные добавки.

Для получения цветных растворных смесей в их состав вводятся пигменты, благодаря чему можно подбирать оттенки, наиболее подходящие к цвету кирпича. Возможна заделка швов цветным раствором. Широко применяется также белый раствор. При этом в качестве вяжущего используется белый цемент, а в качестве заполнителя - известняк или кварц. Прочность таких растворов может составлять 10-20 МПа.

Рис. 1
Штучные материалы позволяют выполнять любые криволинейные формы на фасадах (OPTIROC).

Рис. 2
Поверхность лицевого керамического кирпича может быть различной (OPTIROC/AS Aseri Tellis).
А - красный, антично-колотый;
Б - красный, колотый.

Рис. 3
Фактурная поверхность камней повышает архитектурную выразительность фасада (МЕЛИКОНПОЛАР).