Конструктивные системы зданий и сооружений.

Конструктивные схемы.

Объемно-планировочные решения.

основные конструктивные элементы зданий и сооружений.

Конструктивные схемы.

 

При проектировании здания после определения объемно – планировочного решения производится выбор конструктивной системы.

Прочность, жесткость, устойчивость здания зависит от его конструктивной схемы. Конструктивная схема – это взаимное расположение конструктивных элементов здания.

Конструктивные элементы – это самостоятельные части или эле­менты здания, каждый из которых имеет свое определенное назначение:

- фундаменты — это подземные конструкции, служащие опорой здания и предназначенные для передачи нагрузок на основание (грунт);

- стены наружные и внутренние — это огражда­ющие и несущие кон­струкции, служащие ог­раждением помещения от внешнего пространст­ва или от соседних помеще-ний, воспринимаю­щие нагрузку от других частей здания и пере­дающие ее на фунда­менты;

- колонны (столбы) — это вертикальные опоры, предназначенные для поддержания перекры­тий и передающие на­грузку на фундаменты;

- перекрытия – это кон­струкции, разделяющие внутреннее пространст­во здания на этажи, а также воспринимающие нагрузку и передающие ее на стены и стол­бы (колонны).

Фундаменты, стены, колонны и перекрытия образуют жесткую коробку, которая называется несущий остов здания – это конструктивная основа здания.

Назначение несу­щего остова состоит:

- в восприятии нагру­зок, действующих на здание,

- в обеспечении устойчивости к усилиям от этих нагрузок.

 

НАГРУЗКИ.

Любое здание или сооружение, независимо от его назначения, несет нагрузки

и воздействия.

Воздействия по своему характеру делятся на две группы:

- силовые,

- несиловые.

К силовым (или механиче­ским) относятся: нагрузки от собствен­ной массы частей здания, от людей, мебели, оборудования, снега, от давления ветра и т. п.

К несиловым относятся: атмосферные осадки, потоки тепла и влаги, вызванные разностями температур или разностями влажности наружного и внутреннего воздуха, шум и вибрация.

Нагрузки делят на две группы: по­стоянные и временные.

Постоянные — это нагрузки, которые действуют на конструкцию в течение

всего периода ее существования – это собственный вес частей, элементов зданий и

сооруже­ний, вес и давление грунтов.

Временные – это нагрузки, величины которых могут изменяться в процессе эк­сплуатации. К ним относятся:

- по­лезные нагрузки, т. е. функционально необходи­мые – это нагрузки от периодически пре­бывающих в помещениях людей, стационарного или передвижного обору­до-вания, временных перегородок и т. п.;

- нагрузки, связанные с природными факторами района строи­тельства – снеговые, ветровые, температурные, сейсмические воздействия.

Временные нагрузки подразделяют в зависимости от продолжительности действия на:

- длительные – вес стационарного оборудования, перегородок, нагрузки на пере-крытия, снеговые;

- кратковременные – нагрузки от подвижного оборудования, монтажные нагруз-ки, ветровые, температурные воздействия;

- особые – сейсмические, от просадок основания, аварийные, взрывные воздействия.

По характеру действия нагрузки могут быть:

- статическими – прикладываются плавно, постепенно, например, от собственной массы,

- динамическими – прикладываются с ускорением или ударно, например, порывы ветра, вибрации.

По месту приложения усилий нагрузки бывают:

- сосредоточенные – когда площадь приложения нагрузки невелика, например, вес оборудования, при опирании балки на стену,

- равномерно распределенные – когда передача нагрузки по линии или площади, например, от снегового покрова.

По направлению нагрузки могут быть:

- горизонтальными – ветровой напор, тормозные силы подвижного оборудования, - вертикальными – вес.

Основное влияние на прочность здания оказывают вертикальные на­грузки, а

на его жесткость и устойчивость — горизонтальные. Значения различных нагрузок указаны в СНиП 2.01.07 – 85 «Нагрузки и воздействия».

КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ.

Конструктивные элементы здания подраз­деляют на:

- несущие,

- ограждающие.

Такое подразделение связано с назна­чением этих элементов, с восприятием нагрузок и воздействий, которым под­вержено здание и его элементы.

Назначение несущих конструктивных элементов здания (или несущих конструкций) — воспринимать все виды нагрузок и воздействий силового характера, которые могут возникать в здании и передавать их через фундаменты на грунт. Примеры несущих конструкций: фундаменты, колонны, балки, и т. п.

Назначение ограждающих конструктивных элементов здания (или ограждающих конструкций) — изолировать пространство здания от внешней среды, разделять это пространство на отдельные помещения и защищать эти помещения и пространство здания в целом от всех видов действий несилового характера. Примеры ограждающих конструкций: перегородки, кровли, окна, двери и т. п.

Многие конструк­тивные элементы являются одновре­менно и несущими и огра-

ждающими, например, наружные и внутренние несущие сте­ны, которые одновремен-но могут быть и ограждающими конструкция­ми и вертикальными опорами для гори-

зонтальных кон­структивных элементов.

Если стены выполняют только ограждающие функ­ции, их называют ненесущи-ми. При этом различают самонесущие стены и навесные.

Самонесущие стены опираются на фундамент и переда­ют ему вертикальные

нагрузки толь­ко от их собственной массы. Навесные стены навешивают на несущие вертикальные или горизон­тальные конструкции зданий.

Не­сущие конструкции бывают вертикальные – стены, стойки, столбы, ко­лонны и, опирающиеся на них, гори­зонтальные несущие элементы перекрытия и покрытия – прогоны, ригели, балки, стропиль­ные фермы, арки, настилы и панели.

Вертикальные несущие конструк­ции – стены, колонны, воспринимают горизонтальные и вертикальные нагрузки и через фундаменты передают их на грунт. Стена – это плоскостной тип вертикальной опоры (когда один размер (толщина) значительно меньше дру­гих генеральных размеров). Колонна, стойка, столб – это стержневой тип вертикальной опоры (когда один размер (высота) значительно превышает два других — толщину и ширину).

Для восприятия вертикальных нагрузок предназначеныгоризонтальные несущие элементы перекрытий (покрытий) – балки, ригели, плиты. Эти элементы передают нагрузки в виде опорных реакций на вертикальные опоры – стены, колонны.

Рис. 3.1. Виды вертикальных опор несущего остова:

а — несущие стены;

б — колонны;

1 — стена;

2 — плита перекрытия;

3 — навесная стена;

4 — колонна;

5 — ригель;

6 — нагрузка на перекрытия;

7 — давление ветра

 

Эти же перекрытия воспри­нимают гори­зонтальные нагрузки в виде изги­баю-

щих и сдвигающих усилий, обеспечивая гео­метрическую неизменяемость здания, совместную работу вертикальных опор, перераспределе­ние усилий между ними и т.п.

Таким образом, конструктивная схема здания – это сочетание горизонтальных и

вертикальных (иногда и наклонных) конструктивных элементов несущего остова здания, изображаемое в виде схемы. Она позволяет судить о последовательности передачи нагрузок и обеспечении жесткости и устойчивости здания.

Все конструктивные схемы подразделяются на:

- каркасные (рис. 3.2),

- бес­каркасные (рис. 3.3),

- комбинированные (рис. 3.4).

В каркасной конструктивной схемеосновными вертикальными несущими элементами служат отдельные опоры - ко­лонны, столбы. Но определяющим признаком схемы является расположение горизонтальных несущих элементов – ригелей или прогонов каркаса.

Ригель – это стержневой горизонтальный элемент несущего остова здания (т.е. у которого один размер (длина) значительно превышает два других — высоту и ширину). Это может быть балка, ферма. Он передает нагрузку от перекрытия на стойки каркаса.

Каркасная конструктивная схема называется еще стоечно – балочная. На основе стоечно – балочной системы возникли ордеры.

Различают четыре типа конструктивных каркасных схем (рис. 3.2):

- с поперечным расположением ригелей,

- с продольным,

-с перекрестным (пространственным) расположениемригелей,

- с безригельным каркасом,когда ригелей нет и плиты перекрытий опираются на колонны.

Особый случай каркасной схемы — арочная система. Сопряжение арки с кладкой стены имеет полуциркульное очертание (архивольт) или перевязывается с кладкой. Арочная система может работать от­дельно от стены. Пяты арок опираются на столбы через антаблемент (импост) или на колонны, образуя арочные колоннады (аркады). Угловые опоры арочных систем усиливают столбами – подпорками (контрфорсами).

В бескаркасной конструктивной схеме основными вертикальными несущими элементами служат стены.

Бескаркасные конструктивные схемы могут быть (рис. 3.3):

- с продольными несущими стенами – расположены вдоль длинной стороны

здания и параллельно ей. Таких параллельно расположенных стен может быть две, три, четыре;

- с поперечными несущими стенами;

- с перекрестными несущими стенами, т.е. и продольными и поперечными.

 

Рис. 3.2. Каркасные конструктивные схемы:

а — с поперечным расположением ригелей;

б — с продольным расположением риге­лей;

в — с пространственным расположением

ригелей;

г — безригельная;

 

комбинированные конструктивные схемы:

д — непол­ная поперечная;

е — неполная продольная

 

 

Рис. 3.3. Бескаркасные конструктивные схемы:

а — спродольными несущими стенами;

б — с продольными и поперечными несущими стенами;

в — споперечными несущими стенами

 

 

 

Рис. 3.4. Комбинированные конструктив­ные схемы:

а — неполный каркас; б — с ядром жесткости;

в — с каркасным остовом в пер­вых этажах (/) и со сте­новым в вышележащих этажах (II);

/ — колонна; 2 — несущая стена

Комбини­рованные (или смешанные) схемы состоят из различных сочетаний стер-

жневых и плоскостных вертикальных элементов (стоек каркаса и стен) (рис.3.4).

Существуют несу­щие остовы, в которых вертикальные опоры вообще отсутствуют, а наклон­ная конструкция покрытия опирается непосредственно на фундамент – арки, треугольные рамы. Такие сооружения, применяются в строительст­ве складов, ангаров и

называются шатровыми.

Все конструктивные элементы несущего остова здания объединены между собой в пространстве в систему, которую называют конструктивной. Она объединяет: - способ размещения не­сущих горизонтальных и вертикаль­ных конструкций в пространстве,

- их взаимное расположение,

- способ пере­дачи усилий и т. п.

Выбор конструктивной системы здания зависит от различных факторов.

Стеновой (бескаркасный) несущий остов — самый распространенный в жилищном строительстве, в строительстве гостиниц, санаториев, больниц.

Техническая и экономическая целесообразность такой конструктивной схемы в следующем:

- для жилища необходимы помещения в виде ячеек,

- такие ячейки удобно формировать стенами и перегородками с обеспече­нием звукоизоляции квартир.

Каркасный несущий остов приме­няется для зданий с большими, не разгороженными перегородками помеще­ниями. В таких зданиях функциональные процессы требу-ют наличия свободного пространства большого объема.

Каркасный остов является ос­новным для производственных зданий, для мно­гих типов общественных зданий и соо­ружений. В жилищном строительстве объем применения каркасного остова ограничен.

В каркасных системах применяются большей частью схемы с поперечным распо-ложением ригелей. Расположение ригелей в двух направлениях используют для много­этажных каркасных зданий при строи­тельстве в сейсмических районах, т.к. такая схема обладает повышенной устойчивостью.

Безригельный каркас применяется обычно в многоэтажных зданиях производст­-

венного назначения со значительными нагрузками на перекрытия, в много­этажных гражданских зданиях с ори­гинальными компоновочными решения­ми планов и т. д.

Комбинированный несущий остов чаще применяется при строительстве гражданских многоэтажных зданий; в промышленном строительстве – реже. Системы, в которых первые два - три этажа каркасные, а ос­тальные бескаркасные, характерны для строительства многоэтажных жи­лых зданий на магистральных улицах, а также гостиниц, санаториев, т. е. зданий, в которых функционально используют первые этажи.

 

СВЯЗИ.

Конструктивная система здания, т.е. сочетание его вертикальных и горизонтальных конструктивных элементов в пространстве, должна удовлетворять требованиям прочности, жесткости и устойчивости. Таким образом, главная задача конструктивных элементов здания – сопротивление всем воздействиям на здание.

Устойчивость зда­ния – это его способность сопротивляться усилиям, стремящимся вывести здание из исходного состояния рав­новесия. Например, при действии вет­ра, равнодействующая сил должна на­ходиться в пределах подошвы фунда­мента (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Схема устойчивой работы здания на ветровую нагрузку:

 

W и R_W — давление ветра;

Р — суммарная вертикальная нагрузка;

R— равнодействующая;

е — эксцентриситет

 

 

Пространственная жесткость несущего остова здания – это способность системы сопротивляться дефор­мациям или способность сохранять геометрическую неизменяе­мость формы. В строительной механи­ке свойство системы изменять свою геоме-трическую форму при действии нагрузки называется ее изменяемостью.

Например, шарнирный четырех­угольник, к которому приложена горизонтальная сила – геометрически изменяем (рис. 3.6).

И, наоборот, шарнирный треугольник – геометрически неизменяем.

Предотвратить геометрическое изменение системы можно двумя способами:

- ввести диагональный стержень;

- заменить шарнирный узел соединения стержней на жесткий, способный воспри-

нимать узловые моменты.

Рис. 3.6. Геометрически изменяемые и неизменяемые

стержневые системы:

а — изменяемая;

б — неизменяемая;

в — превращение изменяемой в неизменяемую;

г — рамные конструкции;

1 — диагональный стержень – связь

 

Систему или схему, полученную первым способом, называют связевой по наименованию диагонального стержня 1, который называется связью. Вторую — рамной.

Если система многопролетная – из стоек и ригелей, шарнирно связанных между собой, то достаточно создать геометрическую неизменяемость только в одном пролете, чтобы вся схема стала геометрически неизменяемой (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Образование геометрически неизме­няемых систем:

а — подсоединение нового узла;

б — модель той же системы;

в — одноэтажная геометрически неизменя­емая система;

г — то же, многоэтажная;

/ — диа­гональный стержень; 2 — новый узел

 

А – Г – варианты решетчатых связей

 

Кроме диагонального стерж­ня геометрическая неизменяемость си­стемы обеспечивается и другими спосо­бами:

- введением диафрагмы жестко­сти (стена, плиты перекрытия, покрытия),

- введением ядер жесткости (несколько объединенных между собой стен, например, стены лестничных клеток, лифтовых шахт – они в любом случае должны иметь стены).

Таким образом, существуют два способа обеспечения жесткости плос­ких систем — по рамной и по связевой схемам. Комбинируя ими в пространстве, можно получить три варианта пространствен­ных конструктивных схем здания:

- рам­ную,

- рамно – связевую,

- связевую.

В связевых конструктивных системах жесткость и устойчивость здания обеспечиваются поперечными и продольными связями. В качестве связей могут быть:

- торцовые стены, стены лестничных клеток или лифтов;

-решетчатые связи, или диафрагмы жесткости, вставляемые между колоннами.

Связи устанавливаются через 30 м, но не более 48 м и в продольном и в поперечном направлениях.

В рамных конструктивных системах жесткость здания обеспечивается попереч-ными и продольными рамами за счет неизменяе­мости жестких узлов, образуемых пересечением стоек и ригелей рам.Рамная схемапредставляет собой систему плоских рам: одно- и многопролетных;одно- и многоэтажных, расположенных в двух взаимно пер­пендикулярных (или под другим уг­лом) направлениях — систему стоек и ригелей, соединенных жесткими узла­ми.

В тре­тьем направлении — горизонталь­ном — перекрытия обычно рассматри­ва-

ются как жесткие диафрагмы.

Рамно – связевая схемарешается в виде системы плоских рам и решетча­тых связей или стен (диафрагм) жесткости. Плоские рамы удобнее устанавливать поперек здания.

Пример действия нагрузки на систему:

1. Бескаркасную:

Взаимодействие поперечных и продольных стен и междуэтажных пере­крытий, образующих пространственную систему здания, при воздействии горизонтальной нагрузки происходит следующим образом.

Горизонтальная нагрузка от действия ветра на наружные стены, передается через горизонтальные диафрагмы междуэтажных перекрытий на поперечные стены. Поперечные стены являются в этом случае связевыми диафрагмами. И далее – нагру-зка передается на фундамент.

2. Каркасную:

Схема передачи нагрузки относится и к конструктивной схеме с полным карка-

сом по связевой системе. В этом случае колонны каркаса воспри­нимают только вертикальную нагрузку, а горизонтальная нагрузка пол­ностью передается на вертикальные связевые диафрагмы. При такой пере­даче нагрузки колонны каркаса могут иметь

сравнительно небольшое сечение, например 40x40 см.

Элементы связей и диафрагм жесткости устанавливаются по высоте здания строго друг над другом с целью обеспечения равномерной пространственной работы системы.

 

ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ.

Прочность и устойчивость здания обеспечивается прочностью, жесткостью и устойчивостью его элементов. Т.е. своими размерами, материалом конструкции здания должны соответствовать действующим на него нагрузкам.

С целью определить наиболее экономичные раз­меры несущих элементов здания или сооружения и гарантиро­вать безопасность эксплуатации производится расчет стро-ительных конструкций. Обычно расчет содержит:

- определение нагрузок, действующих на здание – называется «сбор нагрузок»;

- определение внутренних усилий, возникающих в элементах конструкции от действующих на нее нагрузок;

- подбор или проверку размеров сечений элементов конструкции. Часто размеры сечений конструкции назначаются до того, как будет сделан подробный расчет на прочность, жест­кость и устойчивость. Для конструктора предварительное назначение размеров сечений необходимо для примерного определения нагрузки от собственного веса конструкций. Для архитектора это необходимо при изображении объемно – планировочного решения здания или сооружения на эскизном (т.е. предварительном) чертеже. На нем нужно показать размеры конструкций, их частей и сечений;

- определение деформаций, т.е. изменений формы элемента конструкции,

- проверку воз­можности образования трещин в конструкции.

Расчет строительных конструкций производится по предельным состоя­ниям, т. е. таким состояниям, при наличии которых нормальная эксплуатация конст­рукций невозможна.

Предельными называются такие состояния для здания, соору­жения, отдельных конструкций, при ко­торых они перестают удовлетворять заданным эксплуатацион­ным требованиям. Предельные состояния конструкций (зданий) подразделяются на две группы:

- первая группа — потеря несущей способности или непригод­ности к эксплуата-

ции. Т.е. при этом состоянии в конструкции насту­пило опасное напряженно – деформированное состояние. В самом худшем случае – она по этим причинам разрушилась;

- вторая группа — непригодность к нормальной эксплуата­ции. Нормальной называется эксплуатация здания или его конструкции в соответствии с предусмот­ренными в нормах или заданиях на проектирование технологичес­кими или бытовыми условиями. Возможны случаи, когда конструкция не потеряла несущей способности, т.е. удовлетворяет требованиям первой группы предельных состо­яний, но ее деформации (например, прогибы или трещины) та­ковы, что нарушают технологический процесс или нормальные ус­ловия нахождения людей в помещении.

К предельным состояниям первой группы относятся:

- общая потеря устойчивости формы (рис. 3.8, а, 6);

- потеря устойчивости положения (рис. 3.8, в, г);

- хрупкое, вязкое или иного характера разрушение (рис. 3.8, д);

- разрушение под совместным воздействием силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды и др.

Рис. 3.8. Предельные состояния первой группы:

 

а), б) потеря общей устойчивости;

 

в), г) потеря устойчивости положения;

 

д) хрупкое, вязкое или иного характера разрушение

 

 

 

К предельным состояниям второй группы относятся:

- состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций (зданий);

- состояния, снижающие долговечность конструкций и зданий из-за появления недопу­стимых перемещений – прогибов, осадок, углов поворота, коле­баний и трещин.

Например, подкрановая балка, оставаясь прочной и надежной в работе, может прогнуться больше, чем установлено нормами. Вследствие этого мостовому крану с грузом приходится как бы выезжать из «ямы», образовавшейся вследствие прогиба балки, что создает дополнительные нагрузки на его узлы и ухудшает условия его нормальной эксплуатации.

Другой пример: при прогибе дере­вянных оштукатуренных поверхностей (потолка) более чем на ¹/₃₀₀ длины пролета начинает отпадать штукатурка. Прочность балки при этом может быть не исчерпана, но нарушаются нормальные быто­вые условия и может возникнуть опасность для здоровья и жизни людей.

К таким же последствиям может привести чрезмерное раскрытие трещин, которые допустимы в железобетонных и камен­ных конструкциях, но ограничиваются нормами.

Расчет строительных конструкций по предельным состояниям имеет целью не допустить ни одного из них в течение всего срока служ­бы здания.

Для этого определяют величины усилий, напряжений, деформаций, перемещений, раскрытия трещин, возникающих в конструкциях под действием нагрузок, и сравнивают их с предель­ными значениями, установленными нормами проектирования. Предельное состояние не наступит, если перечисленные величины усилий, напряжений, деформаций, перемещений, раскрытия трещин не превышают значений, установленных нормами.

Для определения в конструкции усилий, напряжений, деформаций, перемещений от действующей нагрузки составляются уравнения равновесия из статики. При этом конструкции и их соединения рассматриваются в виде схем, т.е. условно.

Конструкция может иметь вид стержня (колонна, балка), пластины (стена, плита перекрытия). При рассмотрении такого элемента в плоской системе он называется жестким диском, в пространственной системе – жестким блоком. Жестким называется по-тому, что по условию равновесия элемент должен быть неподвижен, т.е. сохранять за-

данное положение.

Основание (земля), на которое опирается система, тоже является диском в плос-

кости и блоком в пространстве.

Каждый жесткий диск в плоскости имеет три степени свободы, т.е. его положение в плоскости определяется тремя ко­ординатами:

- двумя поступательными перемещениями по направ­лению осей х и у,

- поворотом в плоскости х у.

Диск – элемент может свободно перемещаться в любом из этих направлений. Т.е. степень свободы – это возможность перемещаться в плоскости или пространстве.

Каждый жесткий блок пространственной системы обладает шестью степенями свобо­ды:

- тремя поступательными перемещениями в направлении осей х, у и z,

- тремя поворотами вокруг этих осей.

При соединении элементов системы – балок, колонн, фундаментов, стен, плит –

между собой образуется связь. Связь может быть выполнена на болтах, на сварке, монолитным бетоном.

Если мы вводим связь – иначе препятствие, то ограничиваем свободу перемещения элемента. Каждая связь отнимает одну степень свободы.

Реакция связи обратна направлению действия нагрузки – это компенсация или сопротивление действию нагрузки или внутренняя сила. Нагрузка – это внешняя сила.

Чтобы сохранить равновесие и устойчивость конструкции сумма всех сил должна равняться 0 (нулю). Т.е. Σ х = 0, Σ y = 0, Σ z = 0.

Если число уравнений равновесия равно числу связей системы, то усилия в этих связях можно однозначно опреде­лить из этих уравнений. Будет уравнение с одним неизвестным. При этом система называется статически определимой. Например, табурет на трех ножках – это статически определимая система, т.к. имеет три опорные связи и три уравнения равновесия сил.

Если система имеет связей больше, чем уравнений равновесия, она называется статически неопределимой. Потому, что в одном из уравнений будет два неизвестных и нужно вводить новые условия равновесия. Например, табурет с четырьмя ножками. Одна ножка – это лишняя связь. Если ее убрать, табурет останется устойчивым к верти-

кальной нагрузке.

Статически определимые системы имеют преимущества в том, что их легко мож-

но рассчитать и определить усилия в элементах. При этом она является геометрически неизменяемой, т.е. способна сохранять свою форму и равновесие. Но у такой системы есть недостаток: если один из элементов системы разрушиться, она превратиться в геометрически изменяемую, т.е. потеряет устойчивость.

Например, тот же табурет на трех ножках: если одна ножка сломается, на табурете невозможно будет усидеть. Если же сломается одна из четырех ножек у табурета, то система сохранит свою устойчивость. Таким образом, преимущество статически неопределимой системы и состоит в наличии запасных связей.

Кристофер Рен (Англия, 1632 - 1723) – математик, архитектор – пример статически определимых систем. По уговорам заказчика поставил дополнительную колонну, но схитрил и не довел ее до балки. Т.е. она не несла никакой нагрузки и стояла только для вида.

Реакция на действие нагрузки в конструкции неодинакова на всем ее протяжении. Изменение величины усилия в конструкции проще изобразить графически. Такое изобра-жение называется эпюрой.

 

 

На эпюре моментов видно, какая зона конструкции работает на сжатие, какая – на растяжение. Верхняя часть сечения балки работает на сжатие, нижняя – на растяжение.

После определения усилий, возникающих в конструкции под действием нагрузок, производится подбор необходимых размеров сечения, чтобы обеспечить работу констру-

кции в заданных нормами пределах прочности, устойчивости и жесткости.

Усилия от нагрузок распределяются в конструкции неравномерно. Поэтому целесообразно менять размеры сечений конструкции по длине в зависимости от величины нагрузки. В тех случаях, когда разница величин нагрузок в разных сечениях конструкции велика, так и делают. Например, сечение железобетонной балки в пролете, где она работает на растяжение, может быть больше, чем на опоре.

Но, как правило, размеры сечения назначаются из расчета максимального усилия. Либо, если размеры сечения уже заданы, а на восприятие нагрузки они не работают, т.е. размеры сечения не достаточны для выполнения условий прочности, жесткости или устойчивости, то применяют усиление конструкции, например, армирование.

Назначение размеров сечений конструкций выполняется по каталогам индустриальных изделий, если изделие сборное, или индивидуально, если изделие монолитное.

основные конструктивные элементы зданий и сооружений.

Конструктивные элементы здания – это самостоятельные части здания, каждая из которых имеет свое определенное назначение.

НАРИСОВАТЬ ЭЛЕМЕНТЫ НА РАЗРЕЗЕ.

Фундаменты — это подземные конст­руктивные элементы зданий, воспринимаю-щие все нагрузки от выше рас­положенных вертикальных элементов несущего остова и передающие эти на­грузки на основание.

Основанием называется грунт, который воспринимает на­грузки от конструкций.

Стены – это вертикальные плоскостные ограждающие и несущие элементы здания, воспринимаю­щие нагрузку от других частей здания и пере­дающие ее на фунда­мен-ты.

Колонны — это вертикальные стоечные несущие элементы, предназначенные для поддержания перекры­тий и передающие на­грузку на фундаменты;

Перекрытия – это горизонтальные ограждающие и несущие кон­струкции, разделяющие внутреннее пространст­во здания на этажи, а также воспринимающие нагрузку и передающие ее на стены и стол­бы (колонны).

Нижняя по­верхность перекрытий называется по­толком.Это может быть самостоятельная конструкция – подвесной потолок, акустический, деко­ративный и т. п.

Покрытие – это перекрытие последнего этажа здания,состоит из несущих конструктивных элементов, вос­принимающих нагрузки от собственного веса конструкции, снегового покрова, ветра и ог­раждающих элементов.

Крыша — верхняя конструкция, от­деляющая помещения здания от внеш­ней среды и защищающая их от атмос­ферных осадков и других внешних воз­действий, потери тепла через покрытие. Состоит из несущей части (стропил) и изолирующих (ограждаю­щих) частей, в том числе — наружной водонепроницаемой оболочки — кров­ли.

Кровлей называется верхняя часть покры­тия, непосредственно изолирующая здание от атмосферных осадков.

Перегородки — вертикальные ограждающие конструкции, отделяющие одно помещение от другого. Они опираются на междуэтажные перекрытия или на пол первых этажей.

Лестницы — наклонные ступенчатые конструктивные элементы, предназначенные для вертикальных коммуникаций в зданиях и сооружениях.

Элементы стен и перегородок – оконные и дверные проемы – заполняют оконными и дверными блоками.

К конструктивным элементам зданий относятся дополнительные конструкции - эркеры, лоджии, балконы, веранды, трибуны, фонари и т. п. А также санитарно – технические устройства и инженерное оборудование зданий: системы отопления, водоснабжения, канализации, вентиляции, кондиционирования.

Конструктивные элементы могут быть:
- готовыми строи­тельными изделиями, выполненными в заводских условиях и поставляемыми на стройку в готовом виде – сборные плиты перекрытия, сборные стеновые панели, лестничные марши, площадки, ступени, кровельные изделия и т. п.;

- возводимыми на месте из строитель­ных материалов – монолитные конструк-ции.

Современные здания возводят в основном из сборных железо­бетонных конструкций: монтируют из типовых изделий и деталей, которые изготовляют на заводах железобетонных изделий. Перечень выпускаемых заводами строительных конструкций

и элементов имеется в строительных каталогах.

В зависимости от ве­личины строительные изделия бывают:

- мелкоэлементными (или просто штучны­ми – их можно взять рукой, например кирпич), например, ступень лестницы;

- крупноэлементными, например, цельный лестничный марш, который включает наклонный элемент и ступени, стеновая панель;

- полносборными, например, лестничный марш совмещенный с площадками, санитарно – техническая кабина.

Конструктивные элементы здания можно разделить на подземные и надзем-

ные конструкции.

Конструктивные элементы здания, находящиеся ниже «нулевой» отметки, отно­сятся к подземной части здания. Подземная часть здания состоит из:

- стен подвала или технического этажа, на которые опираются конструкции перекрытия «нулевого» цикла,

- фунда­мента,

- естественного или искусственного основания, куда через конст­рукции фундамента передается давление от веса здания или сооружения.

Основания. РИСОВАТЬ НА РАЗРЕЗЕ.

 

Геологические породы верх­него слоя земной коры, которые используются в стро-ительных целях, называются грунтами. Грунт – это скопление час­тиц (зерен) различной величины, между ко­торыми находятся поры (пустоты).

Грунты, воспринимающие нагрузки от здания или сооружения, называ­ются основанием. Основание, способное вос­принять нагрузку от здания или сооружения без укрепления или усиления грунтов, т.е. грунт находится в природном состоянии, называ­ется естественным основанием. Основание, способное воспринять нагрузку от здания или сооружения только после укрепления или усиления грунтов, т.е. грунт с искусственно измененными свойствами, называется искусственным основанием.

Грунты естественных оснований зданий и сооружений подразделяются в за­висимости от происхождения, состава, физико-механи­ческих показателей на скаль-

ные и нескаль­ные.

Скальные грунты – это вулканические или изверженные породы, осадочные по-

роды с жесткой связью между зернами минералов - спаянные и сце­ментированные. Такие грунты залегают в виде сплошного массива. К скальным грунтам относятся: гранит, базальт, песчаник, известняк. Под на­грузкой от здания они не сжимаются и служат наиболее прочны­ми основаниями зданий и сооружений.

К скалистым породам относятся гипсы, ангидриты, глинистые сланцы, некоторые виды песча­ников. Но они во­дорастворимы и размягчаемы в воде.

Нескальные грунты – это крупнообломоч­ные, песчаные и глинистые.

Крупнообломочные грунты – это несцементированные скальные грунты, которые содержат более 50% по весу обломков пород. Такие грунты слабо сжимаются под нагрузкой и мо­гут быть прочным основанием для зданий и сооружений. В зависимости от крупности зерен различаются: щебенистые или гравелистые грунты, у которых частицы крупнее 10 мм и дресвяные с частицами от 2 до 10 мм.

Песчаные грунты состоят преимущественно из частиц (зерен) крупностью от 0,05 до 2 мм. В зависимости от крупности частиц пески разделяются на: гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые. В зависимости от плотности сложения или пористости песчаные грунты бывают: плотные, средней плотности и рыхлые. В за­висимости от степени влажности или степени заполнения объема пор водой различают песчаные грунты: маловлажные, влажные и на­сыщенные водой.

Увлажнение песчаных грун­тов снижает их несущую способность, при этом снижение тем больше, чем меньше размеры частиц грунта. Эти грунты в водонасыщенном состоянии ста­новятся текучими, и потому их называют плывунами. Пес­чаные грунты из гравелистых, крупных и средней крупности песков малосжимаемы и при достаточной мощности слоя служат прочным и устойчивым основанием зданий и сооружений.

Глинистые грунты — с преимущественным со­держанием глинозема — относят к связным грунтам, так как частицы их скреплены сила­ми внутреннего сцепления. Они состоят из плоских частиц раз­мером менее 0,005 мм и толщиной менее 0,001 мм, а также песка и раститель­ных остатков. В за­висимости от количества содержащихся в грунте глинистых частиц и песка различают: супеси, су­глинки

и глины.

Глинистые грунты пластич­ны, т. е. способны при добавке воды перехо­дить из

твердого состояния в пластичное, а при дальнейшем увлажнении – в текучее состоя-

ние. В сухом и маловлажном состоянии они служат хорошим основанием для зданий и сооружений. Но в разжиженном состоянии их несущая способность сни­жается.

Насыпные грунты – это искусственные насыпи, которые образуются при за­сып-ке оврагов, прудов, побережий рек, на местах свалок, отходов производства и т. п. Засыпка производится:

- грунтом,

- пустой по­родой, шлаками,

- мусором.

Такие грунты не­однородны по структуре и составу, по сжимаемости. При использовании их в качестве основания необходимо уплотнение. Насыпи из песча­ных грунтов самоуплотняются через 2—3 го­да, а из глинистых — через 5—7 лет.

При строительстве имеет значение наличие грунтовых вод и их уровень от поверхности земли.

Грунтовые воды образуются в результате проникания в грунт атмосферных осадков. Вода удерживается в грунте обычно в результате наличия глины. Уровень грунтовых вод зависит от дождей, таяния снегов, изменения уровня воды в находящихся поблизости водоемах. Когда он высок, возможно размывание грун­тов и осадка здания. Кроме того, если грунтовые воды высоко, возможно подтопление подвала здания или его всплытие вместе с домом. При высоком уровне грунтовых вод принимают меры защиты основания: дренаж, водопонижение.

Грунты основания в пределах сжимаемой толщи:

- могут быть сла­бые и не обладать необходимой несущей способ­ностью,

- от воздействия нагрузок от зда­ния и сооружения в них могут возникнуть неравномерные осадки. Например, это насыпные грунты, торфянистые, рыхлые песчаные и суглинистые грунты.

В этом случае их ис­кусственно укрепляют или применяют фунда­менты, передающие нагрузки на нижележа­щие прочные грунты (свайные фундаменты).

Искусственные осно­вания бывают двух видов:

- уплотненное основание,

- укреп­ленное основание.

Уплотнение основания может быть поверхностным и глубинным.

Поверхностное уплотнение получают при поверхностном трамбовании грунта тяжелы­ми трамбовками, поднимаемыми краном на вы­соту 3—4 м и сбрасываемы-

ми на уплотняе­мую поверхность.

Глу­бинное уплотнение производят «грунтовыми сваями» — забивкой сердечника в виде дере­вянной конической сваи. Сердечником уплотняют грунт, а после извле­чения сердечника образовавшуюся скважину заполняют грунтом, грунтобетоном или сухим песком.

При слабых грунтах их часто заменяют песчаными подушками. Песок укладывают слоями толщиной 150—200 мм и уплотняют трамбовками или поверхностны­ми вибраторами с поливкой водой.

Укрепление основания производят цементацией, химическим закреплением или силикатизацией грунтов.

Цементация грунтов - это на­гнетание в грунт через забитые в него тру­бы цементного или цементно – глинистого раствора. Цементация применяется для укрепления гравелистых, крупно- и среднезернистых песков, для заделки трещин и поло­стей в скальных грунтах.

Силикатизация – это введение через трубы в грунт растворов жидкого стекла и хлористого кальция. Применяется для укрепления песчаных пылеватых грунтов, плывунов и макропористых грунтов. Инъек­ция делается на глубину 15—20 м и более, а радиус распространения силикатизации до­стигает 1 м.

Основания зданий и сооружений выбирают на основе инженерно – геологических, гидроге­ологических изысканий. Эти изыскания проводятся геологами. В них содержатся данные о геологическом строе­нии данной местности, физико-механические характе­ристики слоев грунта, уровень грунтовых вод (рис. 3.9).

От правильности выбора площадки под строительство и проведе­ния исследований ее грунтовых условий зависит стоимость устройства основания здания и обеспечение его устойчивости в процессе эксплуатации.

 

Рис. 3.9. Геологический профиль

1 – скважина,

2 – уровень грунтовых вод

Работа грунта под нагрузкойпроходит следующим образом.

РИСОВАТЬ.

Под действием нагруз­ки от фундаментов в грунтах основания воз­никает давление. Величина этого давления зависит от собственного веса грунта и от веса здания. Давление от собственного веса грунта зависит от объемного веса грунта и от глубины заложе­ния фундамента.

Под фундаментом грунт уплотняется. В пределах сжимаемой толщи грунта под давлением действующей нагрузки и в результате уменьшения объема пустот и переме-щения частиц грунта возникают дефор­мации основания.

Деформации основания вызывают осадку фун­дамента, а значит и здания. Небольшие осадки, если они равно­мерны по периметру здания, не оказывают разрушаю-щего воздействия на здания. Опасны для зданий неравномерные осадки.

При таких осадках конструкции, состоящие из жестко связанных между собой элементов, могут деформироваться и в последствии разрушаться.

Осадку фундаментов могут вызвать макропористые грунты, например, глинис-тые. В природном состоянии они имеют поры, размеры которых превосхо­дят размеры частиц грунта. При увлажнении эти грунты из-за содер­жания в них растворимых в воде извести, гипса и других солей теряют связность, быс­тро намокают и уплотняются, обра­зуя просадки. Их называют просадочными грунтами.

Просадки оснований не допустимы. Установлены предельные величины осадок оснований зданий, например:

- для зданий с кирпичными стенами – 8 – 10 см;

- для каркасных зданий – 10 см.

Для обеспечения проч­ности, устойчивости и пригодности к эксплуа­тации зданий и сооружений, возводимых на просадочных грунтах, необходимы мероприятия по

укреплению грунтов основания и защите их от увлажнения.

Причиной деформации и разрушения здания может стать грунтовая вода.

При замерзании в зимнее время расширение воды в порах грунтов основания

вызывает уве­личение объема грунта, или «пучение». Силы пучения бывают настолько велики, что они приподнимают фундаменты и могут явиться причиной де­формации фундаментов и здания. Весной при оттаивании грунт оседает.

Если здание малоэтажное, оно имеет относительно малую массу. За несколько лет дом может подняться над уровнем земли на десят­ки сантиметров. При этом различные участки строения обычно поднимаются на различную величину, что приводит к перекосу окон, дверей, к разлому стен.

Поэтому глубина заложения фундаментов от уровня земли должна быть не менее глубины зимнего про­мерзания + 0,2 м. Глубина промерзания грунта по районам России указана в СНиП. Для Москвы и Московской области она составляет 1,2 м от поверхности земли.

 

Фундаменты.

 

Фундаментом называется подземная часть здания, воспринимающая все нагрузки, возникающие в надземных частях, и передающая эти на­грузки на основание.

Рис. 3.10. Воздействия на фундаменты: