Конструктивные системы зданий из монолитного

железобетона

Здания из монолитного железобетона могут быть бескаркасной (с узким и широким шагом несущих стен), каркасной и смешанной конструкций.

Во всех трех типах конструкции могут выполняться как целиком из монолитного бетона, так и с применением сборных (крупных и малых) элементов.

К особому виду относятся здания висячей конструкции.

Бескаркасные здания с узким (не более 3,6 м) шагом несущих стен. В этих зданиях наружные и внутренние стены, междуэтажные перекрытия и конструкции вертикальных коммуникаций выполняют из монолитного бетона.

При использовании сборных конструкций бескаркасные здания с узким шагом несущих стен могут решаться двумя способами:

а) наружные и внутренние стены, конструкции вертикальных коммуникаций выполняют из монолитного бетона, а междуэтажные перекрытия – сборно-монолитные;

б) конструкции вертикальных коммуникаций (ядро) выполняют из монолитного бетона, остальные элементы здания – сборные.

Бескаркасные здания с широким (более 3,6 м) шагом несущих стен. Их выполняют в нескольких вариантах:

а) все несущие конструкции из монолитного бетона;

б) внутренние стены и конструкции внутренних коммуникаций из монолитного бетона, а наружные стены – сборные, перекрытия – сборно-монолитные;

в) внутренние стены, междуэтажные перекрытия и конструкции вертикальных коммуникаций из монолитного бетона, а наружные стены – сборные.

Стены и перегородки

Наружные монолитные стены могут выполняться многослойными (два-три слоя) на гибких связях (хомуты или шпильки из оцинкованной либо нержавеющей стали) или однослойными.

Монолитные однослойные наружные стены сплошного сечения рекомендуют выполнять из конструктивно-теплоизоляционного легкого бетона на пористых заполнителях. Толщину стены должен определять теплотехнический расчет. С наружной стороны однослойные стены в нормальных условиях необходимо покрывать декоративно-защитным слоем (плотным декоративным бетоном, керамическими плитами, плитами из естественного камня, листовыми материалами и т.п.). Во влажных районах с большим количеством осадков и сильными ветрами рекомендуют наружные стены ограждать декоративно-защитными экранами на откосе.

Наружные стены слоистой конструкции могут представлять собой наружные теплоизоляционно-декоративные сборные элементы, замоноличенные в несущий слой, или сборные теплоизоляционные плиты, размещенные внутри монолитной наружной стены. 

При использовании наружных стен слоистой конструкции необходимо обеспечивать совместную работу слоев и исключить возможное появление мостиков холода.

Сборные наружные стены монолитных зданий аналогичны конструкциям наружных стен полносборных зданий. Специфика их применения – в особенности соединения монолитными несущими конструкциями.

Внутренние несущие стены в зданиях из монолитного бетона обычно возводят однослойными из тяжелого бетона толщиной не менее 120÷150 мм.

Перегородки могут быть однослойными и слоистыми, сборными и монолитными. Весьма перспективны сборно-разборные панельные перегородки заводского изготовления из небетонных материалов (металла, дерева, пластмассы и т.п.). 

Перекрытия

Междуэтажные перекрытия в зданиях из монолитного бетона в зависимости от метода возведения и конструктивной схемы того или иного типа перекрытия должен определять технико-экономический расчет.

Устройство монолитных перекрытий при монолитной конструкции стен позволяет организовать однородный строительный процесс для возведения всех несущих конструкций и использовать одни и те же транспортные средства.

Применение сборно-монолитных перекрытий вызывает необходимость изготовления, как правило, нетиповых индустриальных изделий с арматурными выпусками для обеспечения связи с другими конструкциями здания, использование транспортных средств большой грузоподъемности, замоноличивания по месту большого количества соединений сборных и монолитных конструкций.

Плоскостные большепролетные  

   КОнструкции Покрытий

Общие сведения

Большепролетные конструкции покрытий появились еще в древнейшие времена. Это были каменные купола и своды, деревянные стропила. Так, каменное купольное покрытие Пантеона в Риме (125 г.) имело диаметр около 44 м, купол мечети Айя – София в Стамбуле (537 г.) – 32 м, купол Флорентийского собора (1436 г.) – 42 м, купол здания Верховного Совета в Кремле (1787 г.) – 22,5 м.

Строительная техника того времени не позволяла строить в камне легкие сооружения. Поэтому большепролетные каменные кон­струкции отличались большой массивностью, а сами сооружения возводились в течение многих десятилетий.

Деревянные строительные конструкции были дешевле и проще в возведении, чем каменные, давали возможность перекрывать также значительные пролеты.

Примером могут служить деревянные конструкции покрытия здания бывшего Манежа (1812 г.), ныне Выставочного зала Союза художников в Москве, пролетом 30 м.

Развитие черной металлургии в ХVIII и XIX в.в. дало строителям материалы более прочные, чем камень и дерево – чугун и сталь.

Во второй половине XIX в. большепролетные металлические конструкции получают самое широкое применение в строительном деле. Они и поныне не потеряли своего значения.

В конце прошлого века появился материал для большепролетных зданий – железобетон.

Совершенствование железобетонных конструкций завершилось в 20-х годах прошлого века появлением тонкостенных пространственных конструкций – оболочек, складок, куполов. К этому времени получила широкое раз-витие теория расчета и конструирования тонкостенных покрытий, в совершенствовании которой приняли участие и российские ученые (В.З. Власов и др.).

Во второй половине прошлого века начинается широкое применение висячих покрытий, а также стержневых и пневматических систем.

К настоящему времени мы располагаем богатыми возможностями для возведения самых разнообразных зданий с большими пролетами.

Смысл использования современных большепролетных конструкций состоит в максимальном использовании несущих качеств материала и получения за счет этого легких экономичных покрытий.

Уменьшение массы конструкций и сооружений является одной из основных тенденций во всех отраслях современной техники. В строительстве это стремление выражается особенно полно. Уменьшение массы означает уменьшение объема материала, его добычи, переработки, транспортировки и монтажа. Более 20 % транспорта занято перевозкой разных материалов и изделий, предназначенных для строительства. Поэтому вполне естественен интерес, который возникает у строителей и архитекторов к новым формам конструкций. Уменьшение массы конструкций дает особенно большой эффект в покрытиях.

Так, масса железобетонного ребристого покрытия при сравнительно небольших пролетах составляет 400 ÷ 500 кг/м² перекрываемой площади; масса железобетонных оболочек при пролетах 40 ÷ 50 м составляет около  300 кг/м²; масса облегченных покрытий по металлическим конструкциям при тех же пролетах снижается до 50 ÷ 100 кг/м²; масса пневматических конструкций – всего лишь 2 ÷ 5 кг/м².

Большепролетные конструкции покрытий можно разделить по их статической работе на две основные группы:

а) плоские системы большепролетных покрытий (балки, фермы, рамы, арки);

б) пространственные системы большепролетных покрытий (оболочки, складки, висячие системы, стержневые системы и др.).

Балочные, рамные и арочные плоские системы большепролетных покрытий проектируются обычно без учета совместной работы всех несущих элементов, так как отдельные плоские диски соединяются друг с другом сравнительно слабыми связями, неспособными существенно перераспределить нагрузки. Это обстоятельство, естественно, приводит к увеличению массы конструкции.

В пространственных системах связи включены в работу и тем самым способствуют большему перераспределению нагрузок и снижению массы конструкции.

По материалу, применяемому для изготовления большепролетных конструкций, их разделяют на деревянные, металлические и железобетонные.

Деревянные конструкции в прошлом играли значительную роль в строительстве. Сейчас они вновь получают широкое распространение на качественно более высоком уровне.

Древесина имеет хорошие несущие свойства (расчетное сопротивление сосны на сжатие и изгиб составляет 130 ÷ 150 кг/см²) и малую объемную массу (для воздушно-сухой сосны 500 кг/м³).

Существует мнение, что деревянные конструкции недолговечны. Действительно, при плохом уходе деревянные конструкции могут очень быстро выйти из строя из-за поражения древесины различными грибками и насекомыми. Однако эти случаи являются результатом неумения надлежащим образом обрабатывать древесину, конструировать и содержать деревянные конструкции.

Основным правилом для сохранности деревянных конструкций является создание условий для их проветривания. Важно также обеспечить сушку перед ее применением в строительстве. В настоящее время деревообрабатывающая промышленность оборудована усовершенствованными сушильными камерами, применяется сушка в петролатуме, используются токи высокой частоты и пр.  

Улучшение биологической стойкости древесины легко достигается с помощью давно разрабатываемых и освоенных методов пропитки ее различными эффективно действующими антисептиками.

Еще чаще возражения против использования древесины возникают по соображениям пожарной безопасности. Однако соблюдение элементарных правил противопожарной безопасности и надзора за сооружениями, а также использование антипиренов, повышающих огнестойкость древесины, позволяет значительно продлить срок службы деревянных конструкций.

В качестве примера долговечности деревянных конструкций можно привести упоминавшийся нами Манеж (ныне выставочный зал) в Москве, которому более 160 лет; шпиль Адмиралтейства в Санкт-Петербурге высотой около 72 м, построенный в 1738 г; сторожевую башню в Якутске, возведенную около 300 лет назад, многие деревянные церкви во Владимире, Суздале, Кижах и других городах и се­лах Северной России, насчитывающих несколько столетий.

Металлические конструкции, главным образом стальные, применяются весьма широко. Их достоинства общеизвестны: высокая прочность, относительно небольшая масса. Недостатком стальных конструкций является подверженность ржавлению (коррозии) и низкая пожарная стойкость (потеря несущей способности при высоких температурах) более высокая, чем у деревянных конструкций. Для борьбы с коррозией стальных конструкций существует много извест­ных средств (окраска, покрытие полимерными пленками и др.). В целях пожарной безопасности ответственные стальные конструкции можно обетонировать или осуществлять набрызг на поверхность стальных конструкций теплоустойчивых бетонных смесей (вроде вермикулита).

Железобетонные конструкции не подвержены гниению, ржавле­нию, обладают высокой пожарной стойкостью, но они тяжелы.

Поэтому при выборе материала для большепролетных конструкций необходимо отдавать предпочтение тому материалу, который в конкретных условиях строительства наилучшим образом отвечает поставленной задаче.

К плоскостным системам большепролетных покрытий относятся балки, фермы, рамы, арки. Они могут выполняться железобетонными, стальными или деревянными.

Эти конструкции работают только в вертикальной плоскости. Балки и фермы являются безраспорными конструкциями, поэтому на опорах у них возникают только вертикальные реакции.

Рамы и арки – конструкции распорные, которые передают на опоры не только вертикальные нагрузки, но и возникающие в конструкциях усилия распора.

Плоскостные системы покрытий используются в строительстве наиболее часто из-за их простоты изготовления и монтажа, ясной статической работы и невысокой стоимости.

Балки и фермы.

Балки изготовляются из стальных профилей, железобетонные (сборные или монолитные), деревянные на клею или на гвоздях.              

Фермы изготовляются из стальных профилей или труб, железобетонные (сборные), деревянные (на клею или на гвоздях) и металлодеревянные.

Стальные балки и фермы

Стальные балки выполняются таврового, двутаврового и коробчатого сечения (рис. 8.1, а; б), требуют большого расхода металла, имеют большой прогиб, который обычно компенсируется строительным подъемом (1/40 ÷ 1/50 пролета).

Стальные фермы, в отличие от балок, за счет решетчатой конструкции требуют меньше металла.

При устройстве подвесного потолка создается проходной чердак, обеспечивающий пропуск инженерных коммуникаций и свободный проход по чердаку. Фермы выполняются, как правило, из стальных профилей, а пространственные трехгранные фермы – из стальных труб.

Рис. 8.1 Стальные балки и фермы:

а – стальная балка двутаврового сечения (составная); б – стальная балка коробчатого сечения (составная); в – схема унифицированных горизонтальных ферм с параллельными поясами; г – схемы двухскатных стальных ферм: полигональной и треугольной

Фермы могут иметь различное очертание как верхнего, так и нижнего пояса. Наиболее распространены фермы треугольные и полигональные, а также горизонтальные с параллельными поясами (рис. 8.1, в; г).  

 8.3 Железобетонные балки и фермы

Железобетонные балки имеют большую собственную массу, но просты в изготовлении. Они могут выполняться монолитными, сборно-монолит-ными и сборными (из отдельных блоков и цельные, выполненные из железобетона с предварительным напряжением арматуры). Отношение высоты балки к пролету колеблется в пределах от 1/8 до 1/20. В практике строительства встречаются балки пролетом до 60 м и более. Унифицированные балки имеют длину 6, 12 и 18 м. Сечение балок – в виде тавра, двутавра или коробчатое (рис. 8.2, а-д).

В практике массового строительства в РФ широкое применение находят балки, приведенные на рис. 8.2, а; б; в, т.е. односкатные балки с параллельными поясами таврового сечения, двухскатные балки двутаврового сечения и балки с параллельными поясами двутаврового сечения.

Рис. 8.2. Железобетонные арки и фермы:

а – односкатная балка с параллельными поясами таврового сечения; б – двускатная балка двутаврового сечения; в, г – балки горизонтальные с параллельными поясами, двутаврового сечения; д – горизонтальная балка коробчатого сечения; е – составная двухскатная ферма, состоящая из двух полуферм с предварительно напряженным нижним поясом

Железобетонные фермы изготовляются цельными при длине до 30 м и составными с предварительным напряжением арматуры при длине 30 м и более. Отношение высоты фермы к пролету (длине) – 1/6 ÷ 1/9. Нижний пояс выполняется обычно горизонтальным; верхний пояс имеет или горизонтальное очертание, или треугольное, или сегментное, или полигональное. Наиболее распространенными являются железобетонные фермы полигональные (двухскатные), изображенные на рис. 8.2, е. Наибольшая длина запроектированных в РФ железобетонных ферм – около 100 м при шаге 12 м. В массовом строительстве применяются унифицированные фермы длиной 18, 24, 30 и 36 м.

Недостатком железобетонных ферм является большая конструктивная высота. Для уменьшения собственной массы ферм необходимо применять высокопрочные бетоны и внедрять легкие плиты покрытий из эффективных материалов.

Деревянные балки и фермы

Деревянные балки применяют в местностях богатых лесом. Обычно они используются для зданий III класса капитальности из-за малой огнестойкости и долговечности.

Деревянные балки подразделяются на гвоздевые и клееные. Изготовляются они длиной до 20 ÷ 30 м. Гвоздевые балки (рис. 8.3, а) имеют сшитую на гвоздях стенку из двух слоев досок, наклоненных в разные стороны под углом 45°. Верхний и нижний пояса образуются за счет нашитых с обеих сторон к вертикальной стенке балки брусьев. Высота гвоздевых балок – 1/6 ÷ 1/8 пролета. Вместо дощатой стенки можно применять стенку из многослойной фанеры.

Рис. 8.3. Деревянные балки и фермы:

а – балки из досок на гвоздях; б – клееные балки; в – ферма; 1 – подкосы; 2 – металлические подвески

Клееные балки в отличие от гвоздевых обладают высокой прочностью и повышенной огнестойкостью даже без специальной пропитки. Сечение клееных балок может быть прямоугольным, двутавровым и коробчатым. Они изготовляются из реек или досок на клею, уложенных плашмя или на ребро. Высота таких балок 1/10 ÷ 1/12 пролета. По очертанию верхнего и нижнего поясов клееные балки могут быть с горизонтальными поясами, одно или двухскатными и криволинейными.

Типовые деревянные клеевые балки, применяемые в нашей стране, имеют длину 6, 9, 12, и 18 м.

Деревянные фермы в их простейшем виде могут быть представлены бревенчатыми и брусчатыми висячими стропилами.

Деревянные фермы применяют для пролетов более 18 м и при условии выполнения профилактических мероприятий по пожарной безопасности.

Верхний (сжатый) пояс и раскосы деревянных ферм изготовляют из брусьев квадратного или прямоугольного сечения со стороной, равной 1/50 ÷ 1/80 пролета, нижний (растянутый) пояс и подвески могут выполняться как из брусьев, так и из стальных тяжей с винтовыми нарезками на концах для натяжения их с помощью гаек с подкладными шайбами.

В практике отечественного строительства применяются сейчас сегментные фермы пролетом 15, 18, 21 и 24 м, верхний пояс которых выполняется из неразрезного пакета досок шириной 170 мм на клею (КБ-3). Раскосы выполняются из брусков той же ширины, нижний пояс – из прокатных уголков, а подвески – из круглой стали.

Рамы

Рамы являются плоскостными распорными конструкциями. В отличие от безраспорной балочно-стоечной конструкции ригель и стойка в рамной конструкции имеют жесткое соединение, которое является причиной появления в стойке изгибающих моментов от воздействия нагрузок на ригель рамы.

Рамные конструкции выполняются с жесткой заделкой опор в фундамент, если отсутствует опасность появления неравномерных осадок основания. Особая чувствительность рамных и арочных конструкций к неравномерным осадкам приводит к необходимости устройства шарнирных рам (двухшарнирных и трехшарнирных). Схемы рам и арок даны на рис. 8.4.

Рамы могут выполняться из металла, железобетона и дерева.

Металлические рамы могут выполняться как сплошного, так и решетчатого сечения. Решетчатое сечение характерно для рам с большими пролетами, так как оно более экономично благодаря небольшой собственной массе и способности одинаково хорошо воспринимать как сжимающие, так и растягивающие усилия. Высо­та сечения ригелей решетчатых рам принимается в пределах 1/20 ÷ 1/25 пролета, а рам сплошного сечения – 1/25 ÷ 1/30 пролета. Для уменьшения высоты сечения ригеля как сплошных, так и решетчатых рам, устраивают разгружающие консоли, иногда снабженные специальными стяжками (рис. 8.4, г). Металлические рамы активно применяются в строительстве общественных зданий (например, спортивные, выставочные залы и т.п.). Расстояние между стойками рамы может достигать больших размеров – 60 м и более.

а)                 б)                        в)                           

г)                   д)                             е)                         

      ж)                                и)                              к)

Рис. 8.4. Плоскостные опорные конструкции:

а-г – рамы; д-к – арки; а, д – бесшарнирные; б, е – двухшарнирные; в, ж – трехшарнирные; г, и – двухшарнирные с разделяющими консолями; к – двухшарнирная с затяжкой воспринимающей распор

Железобетонные рамы могут быть бесшарнирными и реже трехшарнирными. При пролетах рам до 30 ÷ 40 м их выполняют сплошными двутаврового сечения с ребрами жесткости; при больших пролетах – решетчатыми. Высота ригеля сплошного сечения составляет около 1/20 ÷ 1/25 пролета. Рамы могут быть однопролетными и многопролетными, монолитными и сборными. При сборном решении соединение отдельных элементов рамы целесообразно выполнять в местах минимальных изгибающих моментов.

Деревянные рамы подобно деревянным балкам выпол­няют из гвоздевых или клееных элементов для пролетов до 24 м. Их выгодно делать трех-шарнирными для облегчения монтажа. Высота ригеля у гвоздевых рам принимается около 1/12 пролета, у клееных рам – 1/15 пролета.

Арки

Арки, как и рамы, являются плоскостными распорными конструкциями. Они еще более чувствительны к неравномерным осадкам, чем рамы и выполняются как бесшарнирные, так и двухшарнирные, и трехшарнирные (рис. 8.4, д; е; ж; и; к). Устойчивость покрытия обеспечивается жесткими элементами ограждающей части покрытия.

Металлические арки выполняются сплошного и решетчатого сечения. Высота ригеля сплошного сечения арок принимается в пределах 1/50 ÷ 1/80 пролета, а решетчатого – 1/30 ÷ 1/60 пролета. Отношение стрелы подъема к пролету у всех арок находится в пределах 1/2 ÷ 1/4 при параболическом очертании кривой и 1/4 ÷ 1/8 при круговой кривой.

Железобетонные арки, как и металлические, могут иметь сплошное и решетчатое сечение ригеля. Конструктивная высота сечения ригеля сплошных арок составляет 1/30 ÷ 1/40 пролета, решетчатых – 1/25 ÷ 1/30.

Сборные арки больших пролетов выполняются составными, из двух полуарок, бетонируемых на месте в горизонтальном положении, а затем поднимаемых в проектное положение.

Деревянные арки выполняют из гвоздевых и клееных элементов. Отношение стрелы подъема к пролету у гвоздевых арок составляет 1/15 ÷ 1/20; у клееных 1/20 ÷ 1/25.