Конструктивная система зданий и сооружений. Основы проектирования

Конструктивная система зданий состоит из взаимосвязанных между собой элементов строения. Все вертикальные и горизонтальные составляющие работают в единой совокупности и обеспечивают устойчивость, жесткость и прочность возводящихся сооружений. Горизонтальные конструкции воспринимают на себя бытовые и эксплуатационные нагрузки и передают их вертикальному несущему каркасу. Элементы остова здания противодействуют ветровым усилиям, воспринимают нагрузки от человеческой деятельности, несут на себе вес горизонтальных составляющих и передают воздействия на фундамент и основание.

Горизонтальные несущие элементы

Эти конструкции представлены в сооружении элементами, которые в плане составляют большую протяженность. Конструктивная система зданий предполагает, что плиты, монолитные участки, балки, ригеля и фермы проектируют из бетона, металла, дерева в зависимости от требуемой нагрузки и пролетных размеров.

Изначально, на заре эпохи строительства, горизонтальные перекрытия строились по принципу опорных балок с настилом из материала покрытия. Но современное проектирование зданий и сооружений использует железобетонные пустотные, ребристые, п-образные, корытные плиты перекрытия, которые одновременно объединяют в своей работе опорные ригеля и площадь, пригодную для эксплуатации.

Передача нагрузок с горизонтальных элементов

Осуществляется по схеме, когда воздействие передается на все несущие вертикальные элементы или распределяется на выбранные для этой цели конструктивные жесткие стены, диафрагмы, связи между стойками или колонны. Для индустриальных сооружений конструктивная схема предусматривает совмещенный способ передачи нагрузок с распределением горизонтальных усилий на элементы жесткости и пропорционально между вертикальными составляющими.

Плиты перекрытия относят к несущим диафрагмам жесткости, они совмещают горизонтальное распределение нагрузок и передачу их вертикальным элементам. Железобетонные плиты выравнивают площадь в помещении и перемещают усилия, благодаря жесткому соединению с вертикальными конструкциями.

Применение железобетона обусловлено тем, что по требованиям противопожарной безопасности, плиты высотных зданий должны выполняться из несгораемого материала. Экономическое обоснование затрат на изготовление панелей перекрытия позволило применять их массово в строениях любого типа. Плиты в конструкции здания выполняют сборными, монолитными или сборно-монолитными.

Разнообразие вертикальных несущих элементов

В соответствии с применяемым видом вертикальных элементов, собирающих усилия, конструктивная схема зданий подразделяется на четыре основных вида:

• плоскостная система содержит в составе только стены и ребра жесткости;
• каркасная и рамная, состоящая из стержневых и ограждающих (диафрагмовых и стеновых) составляющих;
• ствольная, вмещающая на всю высоту постройки внутренние стержни объемно-пространственного полого сечения;
• оболочковая система, применяющая наружные объемные решения в виде панциря замкнутого типа с тонкими элементами.

Индустриальные конструктивно-технологические системы зданий

Жилые дома имеют собственные типологические признаки, к ним относят вертикальные несущие элементы, располагающиеся в плоскости стен. Использование колон в качестве основных конструкций уже на первоначальном этапе индустриального развития позволило выделить четыре схемы проектирования:

• с поперечным размещением опорных ригелей;
• с продольным расположением несущих балок;
• с перекрестной системой устройства длинномерных элементов;
• без применения в конструкции любых прогонов.

Проектирование зданий и сооружений по индустриальному методу позволило не только сделать работу перекрытий более взаимосвязанной, но и расширить число типов вертикальных несущих элементов. Совсем недавно применяется конструктивное решение с использованием стволов жесткости замкнутого типа. Эти элементы располагают обычно в центральной части строения, чтобы удобно было расположить там вентшахты, лифты, мусоропроводы. Большие по протяженности постройки требуют установки нескольких стволов жесткости.

Конструктивная схема в виде несущих оболочек является молодым архитектурным решением. Ее внешний вид может имитировать обилие призм, цилиндров, пирамид или других объемных геометрических фигур.

Выбор конструктивного решения

Схема здания является обобщенной статической характеристикой постройки, не ставящей целью определить материал производства и метод строительства. Например, бескаркасная стеновая плоская конструкция одновременно эффективно работает в исполнении из кирпича, дерева, бетона, пенобетона и многих других современных материалов.

Комбинированная конструктивная система зданий описывает вариант проектировочного решения по составу и типу расположения основных продольных и поперечных элементов в разных направлениях. Ее тип выбирают на первоначальном этапе проектирования с учетом выдвинутых технологических эксплуатационных требований и рационального объемно-планировочного решения.

Помимо этих аспектов, во внимание при выборе проектной схемы принимают характер распределения горизонтальных усилий и взаимодействие их с вертикальными каркасными элементами. Конструктивные системы промышленных зданий определяют с учетом влияния архитектурного решения и типа строения. На выбор проекта оказывают влияние этажность постройки и условия строительства в инженерно геологическом плане.

Применение различных конструктивных решений в проектировании домов и построек

Каркасное решение с рамным пространственным вариантом применяется в строительстве стойких к сейсмологическим катаклизмам зданиях и постройках высотного типа более девяти этажей, а также в других строениях в обычных условиях. Это основная развитая система проектирования зданий, в жилищном строительстве применяется редко из-за необоснованной экономической дороговизны.

Бескаркасный тип пространственного решения используется в строительстве жилищных построек, применяют для проектирования высоток до 30 этажей. Объемно-блочная конструктивная система зданий состоит из несущих элементов, составленных из помещенных один на другой объемных самонесущих блоков. Так называемые столбы работают в связке, благодаря прочному соединению между собой при помощи жестких иди гибких связных элементов.

Каркасно-диафрагмовое решение постройки

Система относится к комбинированным схемам с неполным каркасом и основывается на распределении функций стационарного равновесия между стержневыми и стеновыми несущими изделиями. Конструктивные системы высотных зданий построены на принципе передачи горизонтальных нагрузок на вертикальные стеновые диафрагмы, а на стержневые элементы действуют вертикальные усилия, возникающие в каркасе. Таким методом возводится большинство высотных панельно-каркасных зданий жилого типа в обычных условия строительства и в сейсмологических опасных районах.

Каркасно-блочное пространственное решение

Основывается на совместной работе блоков и элементов каркаса, причем объемные конструкции выступают в качестве несущих или навесных элементов. С помощью железобетонных блоков заполняют пространство в несущей каркасной решетке. Нагружаемые элементы устанавливают один на другой на горизонтальных платформах каркаса, которые устраиваются через 3-5 этажей. Такая система отлично себя зарекомендовала в постройках выше 12 этажей.

Архитектурные и экономические требования определяют схему каркаса при выборе проекта. Длинномерные элементы проектируют так, что они не ущемляют планировочное решение, при этом потолочные ригели не выступают на поверхности в жилых постройках. Поперечное расположение прогонов характерно для высотных зданий с регулярной ячеистой структурой в плане (гостиницы, общежития), при этом шаг несущих ригелей чередуется со стенами и перегородками. Продольное расположение длинномерных нагружаемых балок применяется в проектах жилых зданий квартирного типа.

Безригельный каркас применяется при возведении жилых домов, если использование сборных железобетонных конструкций нецелесообразно из-за отсутствия в данном регионе крупных производственных объединений. Безбалочная система характеризуется невысокой надежностью и дороговизной, используется в строительстве монолитных и комбинированных сборно–наливных строений по методу подъема этажей и скользящей опалубки.

Строительные системы зданий

Это понятие характеризует конструктивное решение в комплексе технологического решения по способу возведения строения и выбору материала для применяющихся элементов и узлов. Конструктивные строительные системы зданий проектируются с несущими стенами из мелкоразмерных блоков, кирпича, естественного камня, керамики или бетона. Системы подразделяют на полносборные и традиционные.

Традиционная строительная схема

В основе системы лежит ручное выполнение кладки стен. Говоря об индустриальном методе строительства, следует отметить, что от традиционной схемы остается возведение ограждающих элементов. Все остальные детали здания, такие как перекрытия, лестницы, прогоны, колонны и другие, заимствованы в индустрии от полносборного проекта, что возводит традиционное строительство на высокий уровень индустрии.

У традиционной системы преимущество состоит в том, что малые размеры стеновых камней позволяют строить дома различной формы, любой высоты. Кирпичные стены надежно эксплуатируются длительное время, имеют высокий порог огнестойкости, лицевая кладка не требует штукатурных работ. К недостаткам относят большую трудоемкость и зависимость прочностных характеристик от технологии производителя и мастерства каменщика.

Полносборная система

По этой схеме выполняют проекты домов, возведение которых основывается на монтаже крупных сборных элементов (панелей, блоков), изготовленных из кирпича, керамики, железобетона. Полносборные объекты строят по системам:

• из крупных блоков;
• с применением панелей;
• с навеской стеновых плит на каркасе;
• из объемных блоков;
• из монолитного бетона.

Крупноблочная система строительства

Такие виды конструктивных систем зданий используются в строительстве жилых построек высотой до 22 этажей. Крупные горизонтальные блоки ставятся по типу кирпичной кладки с перевязкой швов. Преимуществами крупноблочной системы является простота и скорость установки элементов, возможность применять различные материалы. Ограниченное количество типоразмеров требует небольшого вложения средств, при этом возводятся разнообразные формы.

Панельные конструкции сооружений

По этой схеме проектируются дома высотой от 14 до 30 этажей, соответственно, в сейсмических районах и в обыкновенных условиях. Конструкция стены состоит из отдельных панелей, установленных одна на другую без перевязки швов на цементном растворе. Их устойчивость обеспечивается сваркой закладных деталей, а при эксплуатации прочным соединением связей и стыков. Применение системы снижает трудоемкость до 40%, стоимость возведения до 7%, уменьшает общую массу строения на 20-30%.

Каркасно-панельное решение проекта

Постройки возводятся с несущим каркасом из металла или сборного железобетона и обрамляются навесными панелями из различных материалов. Разрешается строить здания по такому типу до 30 этажей. В основном используется в общественных зданиях, так как в жилищном строительстве она уступает панельной по экономическим и техническим показателям.

Объемно-блочное строительство

Этот метод возведения относится к индустриальным видам и заключается в установке пространственных элементов из железобетона массой до 25 т, содержащих в объеме одно помещение (кухню, комнату, санузел и др.) Блоки выстраивают без перевязки швов. Такой способ позволяет уменьшить трудоемкость еще на 15 % по сравнению с панельным методом. Производство крупнопанельных блоков на 15% дороже, чем панелей. Строят дома малой этажности в сейсмических районах и 16-этажные в обычных условиях.

Монолитные системы строительства

Их используют для построек повышенной этажности. Конструктивные системы монолитных зданий включают сооружения, в которых все несущие элементы и узлы сделаны с применением железобетона. Комбинированные схемы сборно-монолитного дома предполагают сбор нагрузок на каркас из сборных железобетонных элементов. Монолитные строения проектируют без устройства каркаса, а сборно-монолитные строят с каркасом или без него.

К индустриальным методам в этой области относят строительство с применением бетонирования в опалубке:

• скользящей;
• объемной переставной;
• щитовой крупноразмерной.

Возведение монолитных построек на каркасе выполняют методами:

• подъема перекрытий;
• преставления этажей.

Монолитная система соответствует по прочности сборным типам строений, расширенно применяется в тех районах, где можно активно использовать местные материалы и не вкладывать средства в развитие производственной базы.