Конструктивные схемы современных крупнопанельных зданий

Различные конструктивные схемы применяются из-за большого разнообразия объемно-планировочных решений, различного уровня развития промышленности строительных материалов и производства сборных изделий, обеспеченности строек подъемно-транспортным оборудованием.

По конструктивным схемам крупнопанельные здания подразделяются на здания каркасные, бескаркасные (панельные) и с неполным каркасом.

Каркасные крупнопанельные здания основной несущей конструкцией имеют каркас, состоящий из колонн и ригелей, располагаемых поперек и вдоль здания.

Важным преимуществом каркасной схемы является разделение функций между несущими колоннами и ограждающими самонесущими стенами. Разделение функции позволяет изготовлять колонны из высокопрочных материалов, а стены – из предельно легких материалов.

Каркасная схема обладает универсальностью, что очень важно при унификации конструктивных элементов. В настоящее время разработан унифицированный каталог сборных изделий для строительства жилых и общественных зданий.

К недостаткам каркасной схемы относятся: большое количество монтажных элементов, большой расход стали и ухудшенный интерьер помещений из-за выступающих ребер колонн и ригелей.

Каркасные здания в зависимости от расположения ригелей могут подразделяться на: здания с поперечным каркасом, с продольным каркасом, с безригельным решением перекрытия (с опиранием плиты перекрытия на 4 колонны) и пространственным каркасом, когда ригели располагаются в поперечном и продольном направлениях (рис. 3.1, а).

В бескаркасных (панельных) крупнопанельных зданиях основной несущей конструкцией являются наружные и внутренние стены-панели.

Основное преимущество бескаркасной схемы состоит в возможности использования в качестве несущих конструкций наружных и внутренних вертикальных ограждений (стены и перегородки), которые должны отвечать условиям тепло- и звукоизоляции, значительной массой и прочностью. Однако это преимущество относится только к тем зданиям, которые имеют мелкие помещения (жилые дома, гостиницы, палатные корпуса больниц и т. п.). Не случайно эта конструктивная схема считается наиболее экономичной в жилищном строительстве, включая здания повышенной этажности. Бескаркасные крупнопанельные здания могут иметь несколько вариантов расположения несущих панелей (рис 3.1, б):

а) с несущими наружными и несущими внутренними поперечными и                                        продольными стенами (опирание настилов перекрытия производится по контуру), рис. 3.1, б, 1;

б) с несущими наружными стенами и внутренними несущими поперечными стенами (опирание настилов перекрытия производится по трем сторонам), рис. 3.1, б, 2;

в) с несущими наружными и несущими внутренними продольными стенами (опирание настилов перекрытия производится по двум сторонам), рис. 3.1, б, 3.

                                                     а)

б)

в)

Рис. 3.1. Конструктивные схемы крупнопанельных зданий:

а – каркасные: 1 – с поперечным каркасом; 2 – с продольным каркасом; 3 – с пространственным каркасом; 4 – безригельный каркас; б – бескаркасные: 1 – с несущими наружными и несущими поперечными и продольными стенами; 2 – с несущими наружными и несущими поперечными стенами; 3 – с несущими наружными и несущими продольными стенами; в – с неполным каркасом: 1 – с несущими наружными стенами и внутренним поперечным каркасом; 2 – то же, с продольным каркасом; 3 – безригельная схема

Крупнопанельные здания с неполным каркасом по своей конструктивной схеме занимают промежуточное положение между каркасной и бескаркасной схемами.

В домах с такой схемой используется несущая способность наружных стен и колонн, расположенных внутри здания в определенном порядке.

В зависимости от расположения в плане несущих и ограждающих элементов эта схема имеет следующие три разновидности (рис. 3.1, в):

а) с наружными несущими стенами и внутренним поперечным каркасом (рис. 3.1, в, 1);

б) с наружными несущими стенами и внутренним продольным каркасом (рис. 3.1, в, 2);

в) безригельная схема (опирание настилов перекрытия здесь производится двумя углами – на две колонны и одной стороной – на наружную стену), рис. 3.1, в, 3.

Эта схема применялась ранее в массовом жилищном строительстве, но не выдержала конкуренции с более рациональными первыми двумя схемами. Существуют и другие конструктивные схемы крупнопанельных зданий как в РФ, так и за рубежом, но они не получили распространения.

Особенности конструктивно-планировочной структуры

   крупнопанельных зданий. Схемы опирания конструктивных

   элементов

В процессе архитектурно-строительного проектирования крупнопанельных зданий решающее значение имеет выбор конструктивно-планировочной структуры, представляющей собой планировочное решение здания, увязанное с его объемно-пространственной конструктивной схемой.

Конструктивно-планировочная структура здания в первую очередь определяется модульной (разбивочной) сеткой вертикальных опор и их конструктивным решением.

Крупнопанельные здания по принципу конструктивно-планировочной структуры могут быть разделены на две группы (системы)¹.

Первая группа – с поперечными несущими конструкциями в виде несущих панельных стен или стоечно-ригельного каркаса. При поперечных схемах, показанных на рисунке 3.2, элементы перекрытия опираются на поперечные несущие конструкции.

Вторая группа – с продольными несущими конструкциями, аналогичными первой системе. При продольных схемах (рис. 3.3) перекрытия опираются на наружные и внутренние продольные несущие конструкции.

_____________

¹ Под конструктивной системой следует понимать совокупность решений несущих и ограждающих конструкций; в отличие от конструктивной схемы она более полно характеризует конструктивное решение.

а)                      б)                     в)                     г)

Рис. 3.2. Системы с поперечными несущими конструкциями:

а – с малым поперечным шагом несущих стен и несущими продольными стенами; б – с широким поперечным шагом несущих стен; в – с наружными несущими стенами и внутренним поперечным каркасом; г – с полным поперечным каркасом

 а)                                б)                                   в)

Рис. 3.3. Системы с продольными несущими конструкциями:

а – с продольными несущими стенами; б – с наружными несущими стенами и внутренним продольным каркасом; в – с полным продольным каркасом

Система с поперечными несущими конструкциями позволяет четко разграничить элементы здания – на несущие поперечные стены или рамы каркаса и на ограждающие легкие наружные навесные панели, при которых размеры оконных проемов не ограничиваются.

В практике крупнопанельного строительства широко применяется конструктивная схема с поперечными стенами, что объясняется следующими ее преимуществами:

1) простотой и технологичностью изготовления сборных крупноразмерных изделий, получаемых в результате четкого конструктивно-планировочного решения жилых домов с поперечными несущими стенами;

2)разнообразием возможных конструктивных решений наружных стен, которые могут быть несущими, самонесущими или навесного типа;

3) удобством и простотой монтажа крупнопанельных зданий из конструктивных элементов, образующих замкнутые пространственные ячейки.

В крупнопанельном жилищном строительстве применяются два типа схем с поперечными несущими стенами.

Схема с малым шагом поперечных несущих стен, соответствующих ширине комнат и лестничных клеток (шаг на комнату). В крупнопанельных домах с частым расположением поперечных несущих стен обычно применяются два шага размером 2,6и 3,2 м или один шаг размером 3,2 м. В части типовых проектов 9 ÷ 12-этажных домов размеры между поперечными несущими панельными стенами приняты: 2,7; 3,0 и 3,3 м.

Малые пролеты между поперечными несущими перегородками позволяют применять для устройства перекрытий небольшой толщины плоские железобетонные панели, экономичные по расходу материалов затратам труда и стоимости. Недостатком такого решения является то, что при наличии жесткозакрепленных, часто расположенных межкомнатных несущих перегородок исключается вариантная планировка квартир.

Схема с широким большепролетным шагом поперечных несущих панельных стен или колонн и ригелей каркаса дает возможность размещать между поперечными несущими конструкциями две комнаты (шаг на две комнаты), рис. 3.2, б; г. В крупнопанельных зданиях с широким шагом поперечных стен или колонн каркаса применяется унифицированный шаг размером 6 м, в местах лестничных клеток, как правило, применяется узкий шаг, равный половине большого, т.е. 3 м. В практике крупнопанельного строительства применяется широкий шаг размерами 5,2 и 6,4 м.

Схема поперечных несущих конструкций с широким шагом обеспечивает достаточную вариантность планировки квартир и дает возможность свободно располагать межквартирные перегородки в пределах между несущими поперечными конструкциями.

К преимуществам бескаркасных крупнопанельных зданий с поперечными несущими стенами относится отсутствие каких-либо конструктивных элементов, выступающих в помещения, а их недостатком является жесткозаданное расположение несущих поперечных стен по основным разбивочным осям, наличие которых даже при широком шаге (размером 6 м) затрудняет устройство больших помещений. Поэтому первые этажи жилых домов с поперечными несущими стенами при необходимости размещения в них торговых предприятий или помещений культурно-бытового обслуживания решаются по каркасной конструктивной схеме.

Система с продольными несущими стенами или продольным каркасом удобна для ряда планировочных решений жилых секций и квартир, так как при этой системе не ограничивается размер квартир и секций по длине здания и обеспечивается свободное размещение межкомнатных перегородок в квартирах. Наличие же средней продольной несущей стены или продольного ригеля несколько ограничивает планировочное решение жилых домов.

Характерная особенность крупнопанельных зданий заключается в том, что при их проектировании возникает противоречие между естественным стремлением к свободе и разнообразию объемно-планировочного решения зданий, с одной стороны, и требованием сокращения типоразмеров изделий, с другой стороны. Это противоречие в значительно меньшей мере относится к зданиям из мелкоштучных элементов.

При назначении размеров планировочных параметров крупнопанельных зданий, а также конструктивных размеров сборных изделий необходимо учитывать особенности конструктивного решения узлов опирания элементов перекрытия на несущие конструкции.

Различные способы опирания панелей перекрытия на несущие стеновые панели или ригели, а также опирание ригелей на колонны или стены приводят к тому, что при полной унификации объемно-планировочных параметров зданий и одной и той же конструктивной схеме сборные изделия имеют различные размеры. Все разнообразные случаи опирания конструкции могут быть приведены к двум принципиальным схемам (рис. 3.4).

Платформенное опирание – когда панели перекрытий укладываются впритык по верхней плоскости несущих стеновых панелей или по верху ригелей, а ригели опираются на торцы колонн. В этом случае перекрытия перерезают вертикальные несущие конструкции (рис. 3.4, а; б; в).

          а)                      б)                    в)

   г)                        д)                 е)                       ж)

    з)                                                 и)

Рис. 3.4. Схема опирания конструктивных элементов:

а – опирание панелей на стены; б – то же, на ригели прямоугольного сечения; в – платформенное опирание ригелей на колонны; г – опирание панелей на стены с консолями; д – опирание панелей на полки ригелей; е – опирание ригелей на выступающие консоли; ж – то же, на скрытые консоли; з – конструктивные длины элементов при платформенном опирании; и – то же, при опирании консольного типа; 1 – несущая стеновая панель; 2 – панель перекрытия; 3 – ригель; 4 – колонны

Консольное опирание, когда панели перекрытий укладываются в раздвижку на выступающие консоли из несущих стеновых панелей или на консольные полки ригелей, а ригели опираются на консоли колонн. В этом случае конструктивные элементы не перерезают вертикальные несущие конструкции (рис. 3.4, г – ж).

В практике крупнопанельного строительства применяются обе рассмотренные системы опирания, существенное различие которых заключается в том, что если при платформенной системе цепочки горизонтальных размеров включают конструктивные размеры сборных изделий и зазоры между ними, то при консольной схеме появляется дополнительное слагаемое – толщина несущей стеновой панели, ригеля или колонны (рис. 3.4, з; и).

Одной из наиболее важных проблем в конструкциях крупнопанельных зданий является качественное решение вертикальных стыков между наружными панелями, в которых температурные колебания вызывают знакопеременные усилия. Вследствие этого вертикальные стыки находятся постоянно в движении и попеременно испытывают растяжение или сжатие. Поэтому длина наружных панелей должна назначаться в зависимости от коэффициента линейного расширения материалов, из которых предполагается делать панели,и в зависимости от конструктивного решения вертикальных стыков между панелями, обеспечивающих соответствующую деформативность.

В целях уменьшения возможности образования трещин в наружных крупнопанельных стенах от переменно-действующих температур наружного воздуха установлены допустимые расстояния между температурными швами в зданиях, возводимых в различных климатических условиях, с учетом применяемых материалов для наружных панелей и конструкций связей между ними.

Снижение веса зданий, укрупнение сборных изделий, уменьшение количества узловых соединений сокращает транспортные расходы, трудоемкость, стоимость и сроки возведения крупнопанельных зданий. Таким образом, для дальнейшего совершенствования крупнопанельного домостроения необходимо расширение производства эффективных тепло-звукоизоля-ционных, отделочных и герметизирующих материалов, а также развитие производства новых видов конструкций из легких бетонов и различных сплавов.

Конструктивные элементы

   бескаркасных Крупнопанельных зданий

Несущие и ограждающие конструкции полносборных зданий следует проектировать из крупноразмерных унифицированных типовых или стандартных комплексных изделий максимальной заводской готовности. Конструкции должны обладать необходимой прочностью, жесткостью, устойчивостью, долговечностью и огнестойкостью; должны удовлетворять общим архитектурным, эксплуатационным, санитарно-гигиеническим и теплотехническим требованиям, а также обладать достаточной звукоизоляционной способностью. Они должны быть экономичными, малой трудоемкости, простыми в изготовлении и удобными при монтаже.

Рассмотрим особенности конструирования основных элементов крупнопанельных зданий:

– фундаменты;

– стены (внутренние и наружные);

– конструкции междуэтажных перекрытий;

– конструкции крыши;

– прочие элементы.

Фундаменты

В практике массового крупнопанельного строительства бескаркасных зданий используются следующие конструктивные решения фундаментов:

1) блочные (ленточные и прерывистые);

2) крупнопанельные (ленточные и ленточно-столбчатые);

3) свайные;

4) плитные фундаменты в виде ребристых, безбалочных или коробчатых плит.

Для местных и транзитных инженерных сетей и других коммуникаций в жилых домах устраиваются подполья или специальные траншеи (местные заглубления).

Блочные (ленточные и прерывистые) фундаменты[2] рассматривались ранее при изучении курса „Архитектура”.

Крупнопанельные (ленточные) фундаменты выполняются из крупноразмерных элементов – панелей (рис. 4.1).

При конструктивной схеме с поперечными несущими стенами подземную часть выполняют или из панелей сплошного сечения, или из фундаментных рам (рис. 4.1, а), которые устанавливаются на фундаментные блоки – подушки. В этих случаях следует особое внимание обращать на сопряжение фундаментных рам с цокольными панелями, которые выполняются путем сварки арматурных петель с последующим их замоноличиванием.

Рис. 4.1. Сборные ленточные фундаменты крупнопанельных зданий:

а – с поперечными несущими стенами; б – с продольными несущими стенами; в – сопряжение фундаментных элементов; 1 – фундаментная рама; 2 – фундаментный блок-подушка; 3 – цокольная панель; 4 – стена жесткости; 5 – стеновая панель; 6 – панель перекрытия; 7 – арматурные петли; 8 – замоноличивание бетоном; 9 – стальная закладная деталь; 10 – крупноразмерный фундаментный элемент

При конструктивной схеме с продольными несущими стенами фундаменты целесообразно выполнять из крупноразмерных фундаментных элементов (рис 4.1, б), которые являются опорами для панелей наружных и внутренних стен. Фундаментные элементы ставятся на тщательно выровненную песчаную подсыпку толщиной 80х100 мм. В продольном направлении эти элементы разбиваются таким образом, чтобы стыки их не совпадали со стыками наружных стен. Фундаментные элементы сопрягаются между собой через арматурные петли, расположенные в торцах, с последующим замоноличиванием бетоном.

Применение ленточных фундаментов (блочных и крупнопанельных) вызывает значительный объем земляных работ, из которых около 25 % приходится выполнять вручную. Стены подполья и фундаменты требуют большого расхода бетона при недостаточном использовании его прочности. Продолжительность работ по устройству нулевого цикла 9-этажного дома при ленточных или столбчатых фундаментах составляет почти половину времени, затрачиваемого на монтаж коробки здания.

Свайные фундаменты. Решению задачи по уменьшению времени на нулевой цикл в наибольшей степени отвечает применение фундаментов из железобетонных свай. Сваи в строительстве используют уже в течение многих лет, однако применялись они главным образом при сложных гидрогеологических условиях.

Теперь речь идет о массовом применении в гражданском строительстве коротких свай (длиной 3÷7 м) и о замене ими ленточных фундаментов при обычных грунтах. Для устройства фундаментов в здании большой этажности целесообразно использовать специальные сваи-оболочки, рассчитанные на восприятие больших сосредоточенных нагрузок, или монолитные ленточные, перекрестные, или плитные фундаменты.

Исследованиями последних лет установлено, что применение фундаментов с короткими забивными сваями технически и экономически целесообразно не только при неблагоприятных грунтах, но и при обычных сжимаемых грунтах, где нижние концы свай достигают относительно плотных грунтов.

Свайные фундаменты из коротких свай применяют при массовом строительстве не только крупнопанельных зданий, но также крупноблочных и каменных жилых и общественных зданий. Такие фундаменты рекомендуется применять взамен ленточных фундаментов на естественном основании при глубине заложения 1,7÷2 м от поверхности планировки. В силу небольшой пространственной жесткости крупнопанельные здания чувствительны к неравномерным осадкам, вследствие чего происходят нарушения соединений в узлах, раскрытие стыков и т.п. Конструктивное решение короткосвайных фундаментов в крупнопанельных зданиях показано на рис. 4.2.

Особенностью новой конструкции свайных фундаментов является исключение поперечных несущих конструкций в пределах технического подполья и расположение ростверков непосредственно под цокольным перекрытием (под полом первого этажа). Такое решение позволило резко уменьшить объем потребного бетона (рис. 4.2, а). Новым также является однорядное расположение свай под поперечными несущими стенами с шагом 2 ÷ 2,5 м (рис. 4.2, а). По сваям укладывается сборный ростверк, соединенный с оголовками свай через специальную сборно-монолитную подушку.

Рис. 4.2. Размещение свай под крупнопанельным зданием с поперечными несущими стенами:

а – план размещения свай; б, в – варианты оголовка для стержневых и трубчатых свай; 1 – сваи; 2 – ростверк; 3 – отмостка; 4 – арматура головы сваи; 5 – оголовок (насадка); 6 – цокольная панель; 7 – замоноличивание; 8 – стальная закладная деталь для соединения ростверка с оголовком; 9 – трубчатая свая; 10 – стержень диаметром 18÷22 мм для сопряжения оголовки (насадки) с ростверком

Железобетонные сваи по форме разделяются на призматические и цилиндрические с острием и без острия. По виду поперечного сечения сваи бывают: сплошные квадратные, квадратные с круглой полостью, круглые или трубчатые (рис. 4.3). Минимальная длина квадратных свай принимается 3 м с градацией 1 м. Длина квадратных свай с круглой полостью принимается от 4 до 6 м с градацией через 0,5 м. Сваи-оболочки изготовляют длиной от 4 до 7 м.

а)                                    б)                                    в)

Рис. 4.3. Виды железобетонных забивных свай:

а – сплошные квадратного сечения; б – квадратные с круглой полостью; в – трубчатые (сваи-оболочки); г – башмак трубчатой сваи; 1 – стержневая арматура; 2 – хомуты; 3 – арматурная сетка; 4 – стержень диаметром 22 ÷ 25 мм; 5 – петли для подъема; 6 – спиральная арматура

Сваи железобетонные длиной до 7 м называют короткими. Сваи квадратные сплошного сечения при обычном армировании изготовляются из бетона класса не ниже В 15, а трубчатые сваи – из бетона В 20; напряженно-армированные сваи изготовляют из бетона класса не ниже В 20, а сваи-оболочки – из бетона В 30.

В крупнопанельных зданиях с поперечными несущими стенами, при которых ростверк работает совместно с этими стенами, он опирается на сваи через оголовки или насадки. Ростверк может быть железобетонным монолитным, сборно-монолитным и сборным (рис. 4.2). Ростверк должен жестко связывать головы свай, поэтому верхние концы арматуры, которые обнажаются после нарушенного забивкой бетона, входят в толщину ростверка или в оголовок насадки. Сборные железобетонные ростверки изготовляют из бетона класса не ниже В 15, а монолитные – из бетона В 10.

Плитные фундаменты конструируют в виде плоских и ребристых плит или в виде перекрестных лент. Для зданий с большими нагрузками, а также при использовании его подземного пространства применяются коробчатые фундаменты (рис. 4.4).

Плитные фундаменты проектируют под здания в основном каркасной конструктивной системы. Для повышения жесткости плиты устраивают ребра в перекрестных направлениях, которые могут выполняться как ребрами вверх, так и вниз по отношению к плите.

Рис. 4.4. Плитные фундаменты:

а, б – с ребрами вверх (а) и вниз (б); в – коробчатый; г – перекрестные ленты; 1 – колонна; 2 – фундаментная плита; 3 – коробчатый фундамент; 4 – перекрестные фундаментные ленты

Фундаментная плита с ребрами вниз менее трудоемка, так как уменьшается объем земляных работ. Толщина плиты и ее армирование определяются расчетом в зависимости от ее конструкции, приходящихся нагрузок и несущей способности основания.

В учебных целях толщину ребристой плиты следует назначать от 1/8 до 1/10 пролета, а сплошной плиты от 1/6 до 1/8 соответственно.

На пересечениях ребер фундаментной плиты устанавливаются колонны при каркасной конструктивной системе, а при бескаркасной – ребра используются как стены цокольной части здания, на которые устанавливают несущие конструкции его наземной части.

Фундаменты в виде коробчатого сечения применяются при возведении высотных зданий с большими нагрузками. Ребра такой плиты выполняются на полную высоту подземной части здания и жестко связываются с перекрытиями, образуя, таким образом, замкнутые сечения различной конфигурации.

Примерами таких решений могут служить выстроенные в г. Москве жилые дома Чертаново-Северное с использованием подземного пространства под гаражи или административное здание гидропроекта.