Конструктивные элементы зданий

Несмотря на значительные различия, существующие между зданиями разного назначения, как во внешнем виде, так и во внутренней структуре, все они состоят из некоторого ограниченного числа основных взаимосвязанных архитектурно-конструктивных элементов, выполняющих вполне определенные функции (рис.1)

Основные элементы здания можно подразделить на следующие группы:
а) несущие, воспринимающие основные нагрузки, возникающие в здании;
б) ограждающие, разделяющие помещения, а также защищающие их от атмосферных воздействий и обеспечивающие сохранение в здании определенной температуры;
в) элементы, которые совмещают и несущие, и ограждающие функции.

К основным элементам (или частям) здания относятся фундаменты, стены, перекрытия, отдельные опоры, крыша, перегородки, лестницы, окна, двери.

Фундаментом называется подземная конструкция, основным назначением которой является восприятие нагрузки от здания и передача ее основанию.

Стены отделяют помещения от внешнего пространства (наружные стены) или от других помещений (внутренние стены), выполняя тем самым ограждающую функцию. Кроме того, стены могут нести нагрузку не только от собственного веса, но и от вышележащих частей здания (перекрытий, крыши и др.), осуществляя несущую функцию. Стены, воспринимающие, кроме собственного веса, нагрузку и от других конструкций и передающие ее фундаментам, называют несущими.

Стены, опирающиеся на фундаменты и несущие нагрузку от собственного веса по всей высоте, но не воспринимающие нагрузки от других частей здания, носят название самонесущих.

Наконец, стены, которые служат только ограждениями и свой собственный вес несут в пределах лишь одного этажа, опираясь на другие важные элементы здания, называют ненесущими.

Перекрытиями называют конструкции, разделяющие внутреннее пространство здания на этажи. Перекрытия ограничивают этажи и расположенные в них помещения сверху и снизу (ограждающие функции) и несут, кроме собственного веса, полезную нагрузку, т.е. вес людей, оборудования и предметов, находящихся в помещениях (несущие функции). Кроме того, перекрытия играют весьма существенную роль в обеспечении пространственной жесткости здания, т.е. неизменяемости его конструктивной схемы под действием всех возможных нагрузок.

Перекрытия, в зависимости от их расположения в здании, бывают междуэтажные, разделяющие смежные по высоте этажи; чердачные, отделяющие верхний этаж от чердака; нижние, отделяющие нижний этаж от грунта, и надподвальные, отделяющие первый этаж от подвала.

По верху междуэтажных перекрытий настилают полы в зависимости от назначения и режима эксплуатации помещения. А нижняя поверхность перекрытия (или покрытия) образует потолок для нижележащего помещения.

Отдельными опорами называют стойки (столбы или колонны), предназначенные для поддержания перекрытий, крыши, а иногда и стен и передачи нагрузки от них непосредственно на фундаменты.

Перекрытия могут опираться или непосредственно на колонны, или, что чаще, на уложенные по ним мощные балки, называемые прогонами.

Колонны и прогоны образуют так называемый внутренний каркас здания.

Крыша является конструкцией, защищающей здание сверху от атмосферных осадков, солнечных лучей и ветра. Верхняя водонепроницаемая оболочка крыши называется кровлей. Крыша вместе с чердачным перекрытием образует покрытие здания. Мансардным этажом (или мансардой) называется этаж в чердачном пространстве, фасад которого полностью или частично образован поверхностью (поверхностями) наклонной или ломаной крыши.

В том случае, если в здании отсутствует чердак, функции чердачного перекрытия и крыши совмещаются в одной конструкции, которая называется бесчердачным покрытием.

Перегородками называют сравнительно тонкие стены, служащие для разделения внутреннего пространства в пределах одного этажа на отдельные помещения. Перегородки опираются в каждом этаже на перекрытия и никакой нагрузки, кроме собственного веса, не несут.

Лестницы служат для сообщения между этажами. Из противопожарных соображений лестницы, как правило, заключаются в специальные, огражденные стенами, помещения, которые называются лестничными клетками.

Для освещения помещений естественным светом и для их проветривания (вентиляции) служат окна, а для сообщения между соседними помещениями или между помещением и наружным пространством - двери. В некоторых случаях при необходимости ввода в помещение крупного оборудования или средств транспорта помимо дверей устраивают еще и ворота.

Кроме вышеперечисленных, существует ряд конструктивных элементов (как, например, балконы, входные площадки, приямки у окон подвала и др.), которые нельзя отнести ни к одной из указанных групп.

Рис. 1

Схема многоэтажного гражданского здания:

1 - фундамент; 2 - наружные несущие стены; 3 - внутренняя несущая стена; 4 - перекрытия: 5 - крыша; 6 - перегородки. 7 - лестница

Конструктивные типы и схемы зданий

Конструктивный тип здания определяется пространственным сочетанием стен, колонн, перекрытий и других несущих элементов, которые образуют его остов.

В зависимости от пространственной комбинации несущих элементов различают следующие конструктивные типы зданий:

с несущими стенами (бескаркасные), в которых большинство конструктивных элементов совмещает несущие и ограждающие функции;
каркасные с четким разделением конструкций по их функциям - несущие и ограждающие. Пространственная система (каркас), состоящая из колонн, балок, ригелей и других элементов, вместе с перекрытиями в данном случае воспринимает все нагрузки, действующие на здание. Помещения от воздействия внешней среды защищаются наружными стенами.
с неполным каркасом, в которых наряду с внутренним каркасом несущими являются и наружные стены.

Конструктивный тип здания характеризуется также определенными материалами и видами основных его строительных элементов (крупных железобетонных блоков, панелей и т.п.).

Каждый из рассмотренных выше конструктивных типов зданий в свою очередь может иметь несколько конструктивных схем, которые отличаются особенностями расположения несущих элементов и их взаимосвязью.

Для бескаркасных зданий характерны следующие конструктивные схемы:

с продольными несущими стенами, на которые опираются перекрытия;
с поперечными несущими стенами, когда наружные продольные стены, освобожденные от нагрузки перекрытий, являются самонесущими;
совмещенная, - с опиранием перекрытий на продольные и поперечные стены.

Конструктивные схемы зданий с неполным каркасом могут быть:

с продольным расположением ригелей;
с поперечным расположением ригелей;
безригельными.

В этих схемах несущие внутренние стены заменены колоннами и перегородками между ними, что уменьшает расход стеновых материалов. Нагрузки от ригелей и перекрытий воспринимаются также и наружными стенами.

Рис. 2. Бескаркасная конструктивная система (ROBEN)

Типы каркасов

Типы каркасов различаются по следующим признакам:

1. По материалам:

железобетонные каркасы (монолитным, сборным, сборно-монолитным);
металлические каркасы.

2. По устройству горизонтальных связей: с продольным, поперечным, перекрестным расположением ригелей и с непосредственным опиранием перекрытий на колонны (безригельное решение).

3. По характеру статической работы:

рамные с "жесткими" (монолитными) соединениями элементов в узлах (пересечениях) каркаса;
связевые со сварными соединениями узлов, отличающиеся простотой конструктивного исполнения, но по принципу геометрической неизменяемости системы, имеющие связи жесткости, устанавливаемые между колоннами и ригелями каркаса;
рамно-связевые с жесткими соединениями узлов в поперечном направлении и сварными соединениями - в продольном направлении.

Каркасный тип здания целесообразен там, где требуются помещения с большой свободной площадью, а также в условиях, когда здание воспринимает большие статические или динамические нагрузки.

Рис. 3

Процесс монтажа монолитного каркаса (MEVA).

Рис. 4

Каркас из металлических конструкций (RANNILA)

Материалы, используемые для каркаса стен

Быстровозводимые малоэтажные жилые здания с применением легких стальных тонкостенных конструкций

"Промышленное и гражданское строительство" №9/2006
авторы:
А. Б. ПАВЛОВ, чл.-кор. РААСН, проф. (ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова»)
Э. Л. АЙРУМЯН, канд. техн. наук (ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова»)
С. В. КАМЫНИН, почетный строитель РФ (ООО «Талдом-Профиль»)
Н. И. КАМЕНЩИКОВ, инж. (ООО «Талдом-Профиль»)

За последнее десятилетие в России и за рубежом значительно возрос интерес к легким стальным тонкостенным конструкциям (ЛСТК) из гнутых профилей, широко используемым в промышленном и гражданском строительстве. Объем применения ЛСТК в России составляет около 900 тыс. т в год, что свидетельствует о создании новой отечественной отрасли строительной индустрии, в которой представлены разработка, изготовление и монтаж конструкций с применением тонкостенных гнутых профилей из оцинкованной стали. (Для сравнения: объем применения ЛСТК в США и Великобритании составляет соответственно 6 и 3,5 млн т в год.)

Одна из основных областей применения ЛСТК в отечественном гражданском строительстве - возведение жилых малоэтажных здании, коттеджей и мансард.

Материалы, используемые для малоэтажных жилых зданий из ЛСТК

Гнутые профили для ЛСТК изготовляют из стандартной рулонной оцинкованной стали с цинковым покрытием первого и повышенного классов по ГОСТ 14918-80* толщиной не более 2 мм. Освоение производства гнутых профилей из оцинкованной стали толщиной до 4 мм по ГОСТ Р 52246-2004 значительно расширит область применения и эффективность ЛСТК. Оцинкованная сталь для изготовления ЛСТК может иметь защитно-декоративное полимерное или лакокрасочное покрытие.

Конструктивные решения зданий из ЛСТК.

Основой конструктивной системы зданий из ЛСТК является несущий каркас из гнутых профилей швеллерного, С-образного или Z-образного сечений повышенной жесткости из стали толщиной не менее 1 мм (рис. 1).

Для элементов каркаса наружных стен предусмотрено применение профилей с перфорированной стенкой (рис. 2), исключающих образование мостиков холода. Утеплитель в наружных стенах располагают в пределах высоты сечения элементов каркаса и защищают специальными пленками с обеих сторон. Наружную облицовку стен выполняют по принципу вентилируемого фасада. Приведенное сопротивление теплопередаче наружных стен толщиной 150 - 250 мм колеблется от 3,23 до 5,04 м²·°С/Вт (рис. 3).

Для внутренней облицовки стен, перегородок и перекрытий обычно используют два-три слоя гипсокартонных листов в зависимости от требований огнестойкости.

Высота этажа в зданиях может достигать 4,2 м.
Междуэтажные перекрытия состоят из тонкостенных оцинкованных балок из гнутых профилей и профилированного стального настила с дополнительными элементами, обеспечивающими индекс звукоизоляции от воздушного шума R_w = 52...53 дБ. Оптимальный свободный пролет конструкций междуэтажных перекрытий составляет до 4,8 м (рис. 4).

Несущие конструкции покрытий пролетом до 15 м выполняют в виде ферм или стропил из тонкостенных оцинкованных гнутых профилей. По металлической обрешетке покрытия укладывают кровельные материалы (рис. 5).

Стальной каркас чердачного перекрытия монтируют также из профилей с перфорированной стенкой, исключающих образование мостиков холода. Утеплитель размещают в пределах высоты сечения элементов каркаса и защищают специальными пленками (рис. 6).
По данным ООО «Талдом-Профиль», расход стали на несущий каркас зданий из ЛСТК составляет 25 - 28 кг для одноэтажного и 38 - 43 кг для двухэтажного здания из расчета на 1 м² строительной площади.

Масса любого монтажного элемента конструкций здания не превышает 100 кг, что позволяет выполнять монтаж без применения грузоподъемной техники в короткие сроки. Бригада из 3 - 4 человек может собрать каркас дома общей площадью 150-200 мм² за 15-20 дней (рис. 7, 8).
Элементы конструкций из стали толщиной до 2 мм соединяют с помощью самонарезающих винтов диаметром 4,8 - 6,3 мм. Соединения элементов из стали толщиной более 2 мм целесообразно выполнять на обычных болтах. Применять сварку при изготовлении и монтаже ЛСТК не рекомендуется.

Конструктивные решения зданий из ЛСТК позволяют использовать поэлементный монтаж на площадке, сборку дома из укрупненных элементов или объемных блоков заводского изготовления (рис. 9-11).

Огнестойкость, защита от коррозии и долговечность зданий из ЛСТК.

Материалы, используемые для зданий из ЛСТК, являются негорючими и экологически безопасными, что подтверждается соответствующими федеральными сертификатами.
Огнестойкость несущих конструкций с обшивками из двух слоев гипсоволокнистых листов толщиной по 12,5 мм составляет не менее 0,75 ч, что подтверждено заключением ФГУ ВНИИПО МЧС России и соответствует требованиям СНиП 31-01-2003 для жилых зданий I - III степеней огнестойкости.

Коррозионная стойкость стальных элементов конструкций обеспечивается цинковым покрытием, поверхностная плотность которого составляет не менее 275 г/м², что соответствует толщине слоя цинка 20 мкм с обеих сторон. В зависимости от степени агрессивности среды стальные элементы могут иметь дополнительное защитное покрытие.
Долговечность стальных конструкций здания в условиях неагрессивной или слабоагрессивной среды - не менее 50 лет.

Экономические показатели малоэтажных зданий из ЛСТК.

Технология изготовления и монтажа стальных конструкций из тонкостенных гнутых профилей требует значительно меньших трудозатрат, расхода энергии и капиталовложений, чем традиционные технологии возведения зданий из кирпича и железобетона. По сравнению с деревянными конструкциями ЛСТК являются негорючими, более легкими и долговечными, они не подвержены гниению и не адсорбируют влагу.

Архитектурная выразительность малоэтажных зданий из ЛСТК. Благодаря конструктивным особенностям ЛСТК из них можно строить малоэтажные здания, отвечающие высоким требованиям архитектурной выразительности (рис. 12).

Конструкции наружных стен позволяют применять разнообразные фасадные решения. В процессе эксплуатации здания возможна быстрая замена наружной облицовки, что изменяет архитектурный облик здания. Каркас одноэтажного дома без внутренних опор с пролетом до 15м дает возможность варьировать объемно-планировочные решения.

Исходной базой для строительства малоэтажных зданий из ЛСТК может служить разработанная и внедренная OOO «Талдом-Профиль» (г. Талдом, Московская обл.) современная технология альтернативного легкосборного домостроения, получившая торговую марку «СТАЛДОМ». Для этой технологии ведущими институтами России разработаны рекомендации по проектированию и расчету конструкций, проведены испытания и тесты. В 2002 - 2005 гг. по новой технологии построено большое число зданий различного назначения, значительную долю которых составляли одно- и двухэтажные жилые здания.

Ведется работа по созданию национального стандарта «Здания малоэтажные (до трех этажей) из ЛСТК».

Малоэтажные здания из ЛСТК возводят в различных районах России на базе конструкций, освоенных также и другими предприятиями. Так, гнутые профили каркаса изготовляют ЗАО «Эксергия» (Липецк), ООО «Венталл» (Обнинск), «Балтпрофиль» (Санкт-Петербург), «Канадский дом» (Новосибирск), «Волжскполимер» (г. Волжский), ИСК «Финеско» (Саратов), «Волжскспецстрой» (Нижний Новгород), ИНСИ (Челябинск), «Терминал» (Ростов-на-Дону) и другие предприятия.

Актуальность применения ЛСТК для малоэтажного строительства. Технология строительства зданий из ЛСТК позволяет широко использовать потенциал малого и среднего бизнеса, создать конкурентную среду на рынке строительных технологий для малоэтажного строительства.

Строительство с применением ЛСТК является разновидностью «сухого способа строительства». Все процессы на строительной площадке - сборочные, все соединения выполняют с помощью самонарезающих винтов в соответствии с детально разработанными чертежами и инструкциями. Сборка конструкций дома напоминает сборку детского конструктора. Новая технология предполагает всесезонное строительство в любых климатических условиях, т. е. дает возможность монтировать конструкции и в зимний период.

Преимущества применения ЛСТК в малоэтажном жилищном строительстве способствуют эффективному выполнению задач проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России» - строить надежные дома высокого качества.