Покрытиях гражданских зданий.

В современном мире города и другие населённые пункты растут в геометрической прогрессии. Однако дороговизна даже той же земли заставляет подумать об альтернативном строительстве хотя бы небольших жилых помещений в самом городе.

Выход был найден: устройство мансард, надстройка нескольких этажей над существующим зданием, надстройка небольших помещений на части эксплуатируемой крыши с созданием места для дополнительной рекреации.

Для их создания используются фермы, рамы и другие строительные конструкции на металлических зубчатых пластинах (МЗП), которые обеспечивают высокую прочность и жёсткость соединений.

МЗП - зубчатые крепёжные металлические пластины для соединения деревянных деталей. Их изготавливают методом штамповки из оцинкованнойстали толщиной 1,2 мм или 2,0 мм. Потом пластины нарезаются в соответствии с необходимыми размерами (длина от 50 мм до 400 мм с шагом 25 мм, ширина от 100 мм до 250 мм с тем же шагом). Каждая из пластин содержит параллельные ряды выштампованных и вертикально отогнутых в одну сторону фигурных зубьев с внутренней и наружной стенками с заострёнными концами и уширением по боковым торцам у основания. МЗП из сталей обыкновенного качества защищают от коррозии цинкованием или гидрооксидированным алюминированием.

Использование МЗП (тогда их называли “gang-nails”) началось в США около 40 лет назад на юге Флориды. Из-за притока новых жителей в южные штаты возникла большая потребность в жилье. В то время, чтобы удовлетворить эту потребность, строительной промышленности нужны были эффективные методы. Деревянные фермы с соединениями на металлических коннекторных пластинах начали вытеснять ранее использовавшиеся методы традиционного изготовления стропил и ферм на фанерных узловых накладках. Новый тип ферм можно было производить быстро, в больших количествах и хорошего качества на фабриках, персоналу которых требовалось лишь очень короткое время для обучения. Сегодня в Соединенных Штатах до 130000 тонн металлических коннекторных пластин в год используется почти 1400 потребителями, осуществляющими сборку.

Эта технология проникла в Европу, где получила существенное развитие. Первые соединительные пластины проникли в Европу через Швейцарию и Бельгию, и уже в 1964г. в Германии был выставлен положительный протокол. Предшествующими ему испытательными тестами руководил профессор Молер из Технического университета Карлсруэ в Кайкгапе. В настоящее время конструкции с использованием соединительных пластин применяются практически по всей Европе.

Рис.8.17. Конструктивные решения утеплителя скатов крыш.

В бывшем СССР в 80-ые годы ХХ века ведущей научно-исследовательской организацией ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко были опубликованы рекомендации по испытанию и расчету соединений на МЗП, которые могут служить основой для разработки соответствующих стандартов и норм. В СССР применялись соединения типа МЗП-1,2 и МЗП-2.

Исследования Марийского государственного технического университета под руководством кандидата технических наук, доцента А.К.Наумова позволили построить первые объекты с использованием ферм на МЗП в 1970-х гг. (птицефабрика совхоза “Сила” Горномарийского р-на, овцеводческий комплекс “Шойбулакский”). Основные типы ферм, изготавливаемых с узловыми соединениями на МЗП, - треугольные одно- и двускатные, а также с параллельными поясами. Фермы разработаны для пролетов 7,5-20 м с шагом 0,5-2,5 м, однако наиболее распространенный – 1,25 м. . Толщина досок для изготовления ферм - 4060 мм, ширина - 100-200 мм (зависит от нагрузок, действующих на конструкцию). Высота ферм треугольного очертания и двускатных – 1/6-1/7 пролета, с плоским покрытием может быть уменьшена до 1/10-1/20 пролета. Тридцатилетний опыт эксплуатации этих конструкций по мнению А.К.Наумова подтверждает целесообразность их применения взамен трудоёмких традиционных стропильных систем для устройства покрытий зданий при реконструкции и строительстве. Данные конструкции эффективны также при надстройке мансард реконструируемых домов.

В Республике Беларусь совместная белорусско-английская компания СООО «Каркасные строительные технологии» (г.Минск) также начала производство различных типов деревянных конструкций с применением МЗП для устройства покрытий надстроек и мансард реконструируемых и вновь строящихся зданий. Компания применяет для производства конструкций высокопроизводительное северо-американское оборудование. По мнению изготовителей, применение деревянных конструкций на МЗП позволит уменьшить трудозатраты на 30% и сэкономить древесину до 25%.

Сейчас становится не рациональным производство кровельных конструкций и строительство сложных крыш, которые строятся с применением металла в кровельных конструкциях, так как эти конструкции тяжелы, дороги и требуют дальнейшей подготовки для кровельных и внутренних отделочных работ, что ведёт к удорожанию строительства. Устройство же стропильных конструкций из

дерева для сложных крыш требует высококвалифицированного персонала и, в итоге, приводит к достаточно большим срокам строительства с последующим его удорожанием.

Можно заметить, что часто возникают так называемый “денежный” вопрос и вопрос нехватки времени при возведении какого-либо здания, его реконструировании или надстройке помещений. Они могут быть решены также при помощи использования строительных конструкций (в частности ферм) на МЗП. Это легко доказать:

- материалоёмкость минимальна, что даёт показатель себестоимости

сооружения в общей стоимости здания “под ключ” в размере 30-35%;

- малые сроки строительства. Срок монтажа каркаса стропильной конструкции, состоящий из деревянных ферм заводского изготовления может достигать производительности порядка 30 м² горизонтальной проекции крыши в день бригадой из 4-х человек;

- не требуются высококвалифицированные рабочие;

- проектирование и расчет конструкций с соединениями на МЗП

осуществляется, как правило, на персональном компьютере по специальной программе.

Полученная распечатка (чертеж и спецификация элементов) передается

в цех, где изготавливаются либо фермы целиком, либо линейные фрагменты ферм, которые собираются в готовое изделие на строительной площадке (рис.8.18).

Оборудование для производства металлических зубчатых пластин (рис. 8.19) включает в себя прессы для изготовления пластин различной конфигурации, необходимый инструмент, угловые шаблоны, прессовые установки для производства составных балок и специальное оборудование для нанесения покрытий.

Рис. 8.18. Сборка деревянной фермы на МЗП на

строительной площадке

С помощью обычной циркулярной пилы доскам придается нужная геометрия, после чего из них выкладывают конструкцию будущей фермы на специальных столах и в местах соединения элементов запрессовывают МЗП. Причем пластины ставятся по обе стороны соединяемых элементов.

Рис.8.19. Оборудование для производства МЗП.

Таким образом, можно выделить ещё несколько плюсов применения МЗП:

- отсутствуют трудоёмкие операций по созданию пазов и шипов;

- если выставить монтажные столы точно по геометрии первой

создаваемой конструкции, то геометрия всех последующих идентичных конструкции будет соблюдаться автоматически;

- чем больше конструкций одной конфигурации изготавливается, тем больше рабочего времени экономится;

- конструкции с соединениями на МЗП гораздо экономичнее традиционных и позволяют экономить как древесину на 20%, так и сталь на 30%;

- позволяют создавать конструкции любой сложности (рис. 7.20);

- соединения на МЗП превосходят по прочности аналогичные соединения

на клею или гвоздях;

- позволяют осуществлять крепеж брусков в стык даже с зазором до 4-х мм

без потери прочности конструкции;

- готовые конструкции перевозятся на место их установки, что

увеличивает скоростью сборки дома. Например, срок строительства усадебного дома можно уменьшить в 1,5 раза за счет параллельного возведения стен и изготовления стропильных ферм "на земле" сразу в проектных размерах.

Рис. 8.20. Пример соединения на МЗП

А если вместе с этим добавить то, что все работы производятся в помещении, следовательно, не зависят от погодных условий, то МЗП становятся просто идеальными для использования в строительстве. Но есть всё же некоторые проблемы, связанные с их применением:

- необходимо иметь почти идеально ровную площадку с размерами, соответствующими изготавливаемым элементам и специальный пресс в форме скобы с соответствующей гидростанцией (прочность соединений гарантируется только при использовании специального оборудования для запрессовки);

- работает соединительная пластина в разных направлениях по-разному, а

прочность шипов на изгиб минимальная при нагрузке, действующей по главной оси.

Последнего недостатка лишена система МЗП типа Арпад, так как оси пар шипов, выштампованные в пластине, образуют с направлением основной нагрузки определенный угол, а ряды шипов поочередно расположены под углом друг к другу. При такой геометрии зубьев при нагружении узла возникает явление заклинивания шипов в древесине, тем самым увеличивается прочность соединения.

Изобретатель МЗП Арпад - венгерский инженер Арпад Берталан. В январе 1995 года в БелНИИС были проведены испытания деревянных безврубочных соединений на металлических зубчатых пластинах типа Арпад. Фирмой "Аверс-компакт" были представлены образцы, выполненные из сосновых досок 40х150 мм: серия 1 - три образца для испытания соединения растянутых элементов вдоль волокон; серия 2 - три образца для испытания соединения растянутого элемента под углом 45° к другому элементу; серия 3 - четыре образца для испытания соединения растянутого элемента под углом 90° к другому элементу.

Результаты испытаний представленных образцов позволили установить следующие значения несущей способности металлических зубчатых пластин типа Арпад: для пластин толщиной 1 мм при передаче усилий вдоль волокон элемента 290Н на 1 пару зубьев (60 Н/см²); для пластин толщиной 0,8 мм при передаче усилий под углом 45° к волокнам древесины 290Н на 1 пару зубьев (60 Н/см²); для пластин толщиной 0,8 мм при передаче усилий под углом 90° к волокнам древесины 250Н на 1 пару зубьев (57 Н/см²).

Для сравнения: несущая способность соединения растянутых деревянных элементов на гвоздях односрезных диаметром 4,6 мм, длиной 130 мм, 160 штук (по восемьдесят с каждой стороны) в пять рядов только 33,8 Н/см².

Наибольшее распространение МЗП получили в изготовлении стропильных конструкций в виде ферм для двухскатных, односкатных и плоских крыш с пролетом 6 - 20 м с шагом 0,6- 2 м. Двухскатные фермы применяются для кровель с уклонами от 15°, односкатные от 6 °. В покрытиях с фермами на МЗП кровля выполняется из любого из существующих кровельных материалов. Известны случаи применения МЗП для соединения элементов в пространственных деревянных конструкциях с параллельными поясами. Индустриальность изготовления, малая собственная масса, простота и высокое качество монтажа без применения кранов большой грузоподъемности делают рациональным использование этих конструкций в строительстве гражданских, общественных и производственных зданий, особенно со сложными архитектурными формами (7.21-7.22)Фермы типа 1-7 разработаны в Республике Беларусь СООО «Каркасные строительные технологии», а фермы типов 8-9 в Российской Федерации.

Основные типы ферм треугольного очертания следующие: 1 тип – W-образная; 2 тип – М-образная; 3 тип – Е-образная; 4 тип – ферма-ножницы Е-образная; 5 тип – ферма с 3-х сегментным нижним поясом; 6 тип – ферма-ножницы М-образная; 7 тип – односкатная треугольная ферма; 8 тип – ферма с треугольной решеткой и стойками; 9 тип – ферма с раскосной решеткой и стойками.

Для устройства надстроек и строительства гражданских зданий разработаны следующие типы ферм на металлических зубчатых пластинах для малоуклонных кровель (рис.7.21): 10 тип – односкатная трапециевидная ферма;

11 тип – 3-х скатная ферма; 12 тип – двускатная ферма с треугольной решеткой и стойками; 13 тип – двускатная ферма с треугольной решеткой; 14 тип – ферма с параллельными поясами; 15 тип – арочная ферма с раскосной решеткой и стойками; 16 тип – арочная ферма с треугольной решеткой и стойками.

Фермы типов 13-16 разработаны в Республике Беларусь СООО «Каркасные строительные технологии», ферма 12 типа – в Российской Федерации, фермы 10-11 типов – в США.

Стоимость ферм на МЗП (по данным СООО «Каркасные технологии»с покрытием FENAX) составляет:

- простые фермы - 15-20 у.е./ кв.м горизонтальной проекции крыши;

- фермы средней сложности - 20-25 у.е./ кв.м горизонтальной проекции крыши;

- сложные фермы - 25-40 у.е./ кв.м горизонтальной проекции крыши.

Таким образом, фермы на металлических зубчатых пластинах можно рекомендовать к применению при строительстве надстроек реконструируемых гражданских зданий и строительстве новых, так как это позволит сократить его сроки, а также уменьшить себестоимость при сохранении качества.

Актуальность темы надстройки мансардных этажей над существующими зданиями для условий Беларуси не вызывает сомнения у специалистов. Преимущества мансардного строительства широко известны. Мансарды - это и возможность получения дополнительной

жилой площади без уплотнения существующей застройки, и прекрасный шанс для создания новой, более эстетичной и гармоничной

Рис.8.21. Основные типы деревянных ферм на металлических зубчатых

пластинах: а – тип 1; б – тип 2; в – тип 3; г – тип 4; д – тип 5; е – тип 6; ж –

тип 7; з – тип 8; и – тип 9.

Рис.8.22. Основные типы деревянных ферм на металлических зубчатых пластинах

для малоуклонных кровель:

а – тип 10; б – тип 11; в – тип 12; г – тип 13; д – тип 14; е – тип 15; ж – тип 16.

градостроительной среды, и, наконец, одно из средств для решения проблемы так называемого "социального жилья". Зарубежный (в том числе и российский) опыт показывает, что возведение мансардных этажей в подавляющем большинстве случаев оказывается более дешевым и экономичным решением, чем получение дополнительных жилых площадей за счет строительства новых зданий. Это объясняется целым рядом причин: мансардное строительство исключает затраты на "нулевой цикл", подводку инженерных коммуникаций, благоустройство прилегающей территории и т. д. Конечно, стоимость строительства мансардного жилья зависит от многих факторов - планировочного и конструктивно-технического решения надстраиваемых этажей, использованных материалов и конструкций, затрат на оплату труда задействованных специалистов и др.

За годы существования СССР было построено много крупнопанельных домов массовых серий. Впервые крупнопанельные конструкции в СССР были применены в 1943 году при восстановлении Сталинграда. Затем строительство пятиэтажных домов массовых серий особенно развивалось с 1959 по 1985 г.г. За это время только в России появилось около 290 млн.кв.м общей площади пятиэтажек, что составило около 10 процентов жилого фонда. В Республике Беларусь более 25 млн.кв.м жилого фонда панельных пятиэтажек требует восстановления.

Отсюда – реконструкция и модернизация жилищного фонда, в том числе массовых серий – одна из актуальнейших проблем современного градостроительства, тесно взаимосвязанная с социально-экономическими преобразованиями в нашей стране.

Повышенный интерес к вопросам реконструкции пятиэтажной индустриальной застройки начал проявляться с середины 80-х годов прошлого века, когда были определены основные характеристики морального и физического износа этих зданий .

Возможности сноса пятиэтажного жилого фонда индустриальной постройки целесооб­разно оценивать с учетом стоимостных показателей сноса 1 кв.м пятиэтажного жилого дома. Как показыва­ет практика , снос 1 кв.м жилья составляет от 40% до 60% стоимости нового жилья таких же потребительских качеств. Следовательно снос всего требующего восстановления жилья, эксплуатируе­мого в Беларуси, потребует финансовых средств око­ло 4 млрд, долларов США, а строительство нового жилья такой же площади, для расселения жителей пятиэта­жек, потребует капиталовложений еще около 8 млрд, долларов США. В сумме цена проблемы соответ­ствует примерно 12 млрд. дол. США.

Для Республики Беларусь выделить такие объемы средств на решение проблемы сноса пятиэтажек в ближайшие годы представляется проблематичным.

На фоне имеющей место в последнее десятилетие снижения общей численности населения Республики Беларусь (такая тенденция присуща большинству ев­ропейских стран) отмечается прирост численности городского населения. На 2003 г. по данным Минстата городское население составляет более 71,1%, с 1990г. это увеличение составило более 4,3 %.

Проблема сноса пятиэтажек в жилых массивах порождает целую гамму вопросов, связанных с воз­действием на окружающую среду, увеличением преж­де всего антропогенной нагрузки, то есть превыше­нием предельно допустимых уровней шума, вибрации, запыленности и пр.

Представляют определенную сложность способы и технология переработки строительного лома, мето­дов разборки и разрушения жилых домов и пр.

Приведенный краткий анализ некоторых социаль­но-экономических факторов и их взаимосвязи с жи­лищной проблемой указывают на необходимость ком­плексной оценки планируемых мероприятий по рекон­струкции индустриальной жилой застройки, разработ­ки наиболее рациональных в общегосударственном масштабе направлений такой реконструкции.

Реконструкция жилищного фонда, как отмечают многие исследователи, является одним из наиболее рациональных путей использования ограниченных финансовых ресурсов для решения жилищного воп­роса. Реконструкция позволяет не только сохранить имеющийся жилищный фонд, но и существенно (на 40...70 %) увеличить его размеры за счет надстрой­ки домов и пристройки к ним дополнительных объе­мов. Сохранение и обновление жилищного фонда является неотъемлемыми составляющими деятель­ности, направленной на улучшение условий прожи­вания, роста обеспеченности граждан жилой площа­дью.

Значительный остаточный ресурс пятиэтажных зданий постройки 60-70-х г.г. прошлого столетия, их выгодное территориальное расположение в планиро­вочной структуре городов, наличие развитой инженер­но-транспортной инфраструктуры усиливают народ­но-хозяйственную значимость проблемы комплексной реконструкции таких жилых массивов.

Проведенная специалистами Беларуси технико-экономическая оценка

комплекса мероприятий после реконструкции и уплотнению застройки показала возможность удешевления на 15...20 % вновь воз­водимого жилья на ранее застроенных территориях.

Таким образом, реконструкция и модернизация жилья дает возможность не только сохранить и обновить имеющийся фонд, но и существенно увеличить его размеры за счет надстройки зданий и пристройки к ним дополнительных объемов. Прирост общей пло­щади в реконструируемых зданиях, как правило, составляет от 40 до 70% (в случае надстройки жилых этажей более 3-х - 250-300%). Только устройство мансарды на типовой пятиэтажке дает прирост об­щей площади около 20% (к имеющимся 80 кварти­рам добавляется еще 16). И это осуществляется без землеотвода и отселения жильцов, на обустроен­ных городских территориях.

По подсчетам специалистов Института НИПТИС, 1 кв.м нового жилья, полученного в результате реконст­рукции пятиэтажек путем надстройки дополнитель­ных этажей и мансард с реконструкцией всех внутриквартирных инженерных систем, уплаты налогов и других затрат, составляет 60-80% от цены жилья в новом доме. При этом, чем больше этажей в надстройке, тем дешевле в итоге получа­ется жилье.

Еще один важный в целом для города нюанс зак­лючается в том, что комплекс таких мер, не только позволяет создавать комфортное жилье, но и из­меняет архитектурный облик серых и однообраз­ных районов старой застройки, которые зачастую находятся близко к центру города.

В конце декабря 2006 года в Минске прошла международная научно-техническая конференция «Современные технологии и организация работ по ремонту, модернизации и реконструкции жилого фонда массовой застрой­ки», которая была организована Министер­ством архитектуры и строительства Беларуси, УП «Институт НИПТИС» и Международным информа­ционным центром новых технологий в строитель­стве Минстройархитектуры Республики Беларусь.

На конференции была обнародована информация, согласно которой в последние годы имеет место устойчивая тенденция увеличения объемов выбы­тия жилого фонда по причине ветхости, включая пятиэтажный жилой фонд массовой застройки периода 1960-1970 гг. прошлого века (табл.7.1). Между тем снос старых домов влечет за собой дополнительные расходы. Стоимость сноса (демонтажа) «хрущевок» - состав­ляет до 40% от стоимости строительства нового здания. Конечно, эти затраты будут включены в стоимость жилья в новом доме. К тому же отече­ственная строительная отрасль не готова к массовому сносу зданий и не имеет мощностей для переработки образующегося при этом строитель­ного мусора. Поэтому снос, по признанию многих участников конференции, сегодня является исклю­чительной мерой.

Таким образом, реконструкция домов первых мас­совых серий в данный момент признана наиболее экономически целесообразной и перспективной. При этом объемы работ из года в год будут расти (табл. 8.2).

Сегодня в Беларуси мансардное строительство получает все большее распространение. Чердачное пространство используют под жилье и офисы,

Таблица 8.1

Прогнозируемые ежегодные объемы выбытия жилого фонда в

Республике Беларусь (тыс.кв.м общей площади)

причем не только при возведении новых коттеджей и многоэтажных жилых домов, но и при реконструкции существующих зданий — как исторических, так и домов первых массовых серий.

Таблица 8.2

Объемы ввода жилья за счет надстройки дополнительных этажей, мансард и уширению корпусов зданий в Республике Беларусь (тыс.кв.м общей площади)

Конечно, надстройке дополнительного этажа должно предшествовать

детальное обследование всех конструктивных элементов здания, особенно фундаментов, но практика показывает, что несущей способности их вполне хватает для дополнительного мансардного этажа. С одной стороны, известен факт уплотнения грунта под фундаментом уже через 10…15 лет эксплуатации здания на 10…15%, что для большинства грунтов дает такое же увеличение несущей способности основания. С другой стороны, мансарда, благодаря целому комплексу отличий от обычного этажа, дает после ее возведения увеличение напряжений в основании под фундаментами не более чем на 5…10%.

Таким образом, мансардное строительство, с одной стороны, позволяет получать недорогое жилье муниципального типа, не требуя дополнительных земельных участков и внешних коммуникаций, а с другой – может обеспечить получение элитного экологически чистого жилья повышенной комфортности в центре или зеленой зоне крупного города при сравнительно небольшой стоимости (рис. 8.23).

В Республике Беларусь совместная белорусско-английская компания СООО «Каркасные строительные технологии» (г.Минск) начала производство различных типов деревянных конструкций с применением МЗП для устройства покрытий мансард реконструируемых и вновь строящихся зданий. Компания применяет для производства конструкций высокопроизводительное северо- американское оборудование.

Рис. 8.23. Мансарда жилого дома в г.Минске.

Основные схемы мансардных конструкций компании представлены на рис. 8.24.