Конструктивні схеми і матеріали несучих конструкцій

Архітектурне проектування вирішує комплексні завдання, в яких функція, конструкція і художня форма є єдиним цілим. Конструктивною схемою будівлі називають систему вертикальних (стіни, стовпи) і горизонтальних (перекриття, покриття) елементів, які забезпечують будівлі просторову жорсткість. Конструктивні схеми залежать від типу і розташування вертикальних і горизонтальних елементів несучого остова будівлі.

Історично склалися три конструктивні системи (рис. 1), відомі зі стародавніх часів:

Рисунок 1 – Традиційні конструктивні схеми: а) стоїчно-балочна, б) склепінно-арочна, в) підвісна

• стоїчно - балочна (або каркасна), в якій горизонтальний елемент (балка) працює на вигин;
• склепінчаста і арочна, в яких матеріал працює на стиснення, передаючи з верхніх елементів на нижні навантаження і власну вагу;
• підвісна, в якій горизонтальні елементи працюють на розтягування.

Кожній системі відповідав матеріал, що найбільш всього до неї підходив.

У стоїчно - балочній системі застосовували дерев’яні конструкції: стійкими до вигинання дерев’яними балками перекривали великі пролети до 10 м. На основі цієї системи в Стародавній Греції виникли ордери (системи архітектурно-художніх розробок опор і перекриття з визначеним відношенням розмірів їх частин).

У склепінних і арочних конструкціях, що виникли пізніше, основним матеріалом став камінь, який добре витримував стиснення, але погано вигин, що забезпечувало перекриття прольотів лише до 3,5 м. Арочна система, що розвинулася з каркасної схеми, може працювати окремо від стіни. Сполучення арки з кладкою стіни має полу циркульний контур (архівольт) або зв’язується з кладкою. П’ять арок спираються на стовпи через антаблемент (верхня частина ордерної системи над колонами, що складається з архітраву, фризу, карнизу) та імпост (горизонтальний архітектурний елемент, на який власне спирається арка, що стоїть на стіні або колоні) або на колони, утворюючи арочні колонади (аркади – ряд однакових за розміром і формами арок, що зв’язані між собою). Кутові опори арочних систем підсилені стовпами-підпорами (контрфорсами). Матеріалом для арочної системи спочатку було каміння, а потім цеглина. В давнину з каменя були створені видатні арочні і купольні будівлі великих прольотів. Наприклад, діаметр куполу Пантеону в Римі дорівнює 43,5 м.

Застосування залізобетону полегшує зведення склепінь і куполів. Розроблені конструкції тонкостінних залізобетонних оболонок та їх різновиди — складчастих поверхонь (складок).

Після впровадження в архітектуру металевих конструкції стали застосовувати третю систему — підвісну. Вантові (сталеві троси для кріплення висячих мостів) покриття, що розтягуються або підтримаються системою тросів, можуть бути різноманітної формою.

У сучасному масовому будівництві не потрібно перекривати великі пролети, тому в основному використовують три схеми стоїчно - балочної системи.

1. Без каркасна (рис. 2, а, б) з несучими зовнішніми і внутрішніми стінами (з поздовжніми і поперечними). Причому несучими можуть бути поздовжні стіни, поперечні або і поздовжні й поперечні.

2. З неповним каркасом (рис. 2, в): внутрішній каркас і несучі зовнішні стіни.

3. Каркасна (з повним каркасом), тобто з несучими окремими опорами (рис. 2, г). Складається вона з вертикально поставлених стійок (колон) і балок, що спираються на них (прогонів).

Рисунок 2 - Конструктивні схеми будівель масового будівництва

а), 6)— без каркасна з несучими поздовжніми і поперечними стінами, в) — з неповним каркасом, г) — каркасна

З'єднання вертикальних і горизонтальних елементів конструкції може допускати обертання одного елемента щодо іншого; таке з'єднання, що дозволяє змінювати геометричну форму сполучення, називається шарнірним.

Якщо з'єднання горизонтальних і вертикальних елементів закладене намертво з метою збільшення жорсткості конструкції, таке сполучення називається жорстким. У цьому випадку із колонно-балочна система перетворюється на рамну з жорсткими вузлами рами, а балка — в ригель — горизонтальний елемент рами. Жорсткість конструкції може досягатися введенням жорстких площин — діафрагм жорсткості. Встановлення замість внутрішніх несучих стін окремих опор (колон), що з’єднані ригелями (балками перекриттів), та що спираються на ригелі плит перекриттів, дає можливість перекривати більше простору, усередині котрих можна змінювати розміри приміщень, пересунувши перегородки — захисні конструкції. Так виникає поняття гнучкого планування — можливості в процесі експлуатації будівлі міняти розташування і розміри приміщень.

Каркасні будівлі найбільше відповідають вимогам сучасного будівництва, а без каркасні використовують, як правило, для житлових будинків і невеликих громадських і промислових будівель. Останні надійні і прості, але мають недоліки: через обмежену довжину плити перекриття, що не більше 6 м, необхідно зводити стіни для опори плит, тому спроектувати вільне приміщення великого розміру за цією схемою неможливо.

В залежності від матеріалу, з якого виконані стіни, будівлі поділяють на: цегляні, бетонні, залізобетонні, дерев’яні тощо. Розрізняють будівлі зі штучних елементів, збірні з крупно розмірних елементів (блочні і панельні), а також з монолітних матеріалів. Будівлі з несучими стінами є матеріалоємні. Для полегшення та здешевлення таких конструкцій використовують каркасно-панельні будівлі, які складаються зі збірного залізобетонного каркасу (колони, ригелі, стіни жорсткості), залізобетонних панелей перекриття, збірних сходових маршем і огороджуючи конструкцій – керамзитобетонних або багатошарових панелей. Панелі стін або навішують а каркас, або вони є само несучими.

За характером роботи каркаси ділять на три типи: рамні, зв’язуючи і рамно-звя’зуючі. У рамному каркасі (рис. 3, а) ригелі перекриттів розташовані в повздовжньому і поперечному напрямках; з колонами їх з’єднують жорсткими вузлами, що вимагає монолітного з’єднання стиків, тому даний тип застосовують рідко.

У зв’язуючому каркасі (рис. 3, б) з'єднання колон і ригелів шарнірне, тому необхідні вертикальні зв'язки жорсткості (хрестоподібні, портальні тощо) або діафрагми жорсткості (спеціальні залізобетонні перегородки). З’єднанні між собою плити перекриттів утворюють жорсткий горизонтальний елемент будівлі.

а — рамні, 6 — зв’язуючи

Рис. 3 Конструктивні схеми каркасних будівель

У рамо-зв’язковому каркасі в одному з напрямів передбачені рами, в іншому — вертикальні зв'язки жорсткості. Цей варіант виконується у збірних залізобетонних конструкціях і найбільш поширений в каркасних будівлях.

Залізобетонний каркас має два різновиди: монолітний, що виконується на місці в опалубці, і збірний — із елементів заводського виготовлення. Іноді будівлі зводять як збірно-монолітні, в цьому випадку ядро жорсткості (сходова клітка, ліфтові шахти) виконують у монолітних залізобетонних конструкціях. Каркас з монолітного залізобетону використовують лише при відповідному обґрунтуванні.

Металевий сталевий каркас забезпечує жорсткість і стійкість будівлі своєю просторовою системою завдяки різного типу зв'язків: рамних, розкісних, підкісних і ін. Він значно дорожче залізобетонних.

Іноді, особливо в сільському малоповерховому будівництві, каркас виконують із дерева, в тому числі з склеєних конструкцій. Деревинні будівлі в основному мають рублені, з брусу, щитові стіни або деревинний каркас.

Новим видом індустріального житлового будівництва є монтаж будівель із об'ємно-просторових елементів, тобто з повністю готових кімнат зі всім технічним устаткуванням і обробкою.

У всіх випадках конструкції будівлі повинні відповідати загальному архітектурному замислу проекту, забезпечувати міцність і стійкість будівлі і його частин, відповідати вимогам зручності, доцільності, економічності за рахунок раціоналізації конструктивних схем, використання економічних матеріалів і прискорення термінів будівництва.

Знижувати розхід матеріалів і трудових витрат, підвищувати якість, скорочувати терміни і знижувати вартість будівництва дозволяють індустріалізація, типізація, уніфікація і стандартизація в будівництві.

Індустріалізація проявляється у виготовленні крупно розмірних конструктивних елементів і деталей з максимальною заводською готовністю, в транспортуванні до місця будівництва і в механізованому потоковому процесі збірки і монтажу будівель і споруд на будівельному майданчику. Індустріалізація будівництва можлива тільки на основі типізації конструктивних рішень і стандартизації будівельних виробів і деталей.

Типізація в будівництві полягає у відборі кращих з технічної і економічної сторін об’ємно-планувальних рішень, конструкцій і окремих вузлів, зменшенні числа типорозмірів виробів і збільшенні серійності їх випуску.

У проектуванні типізація розвивається за чотирма основними напрямами: типові будівлі (житлові дома, школи, торгові центри тощо); типові об'ємно-планувальні елементи будівель для багатократного використання; типові конструкцій і вироби (фундаменти, колони, балки, ферми, плити), що об'єднанні в єдиний для СРСР Будівельний каталог (БК); типові вузли і деталі (для облаштування крівлі, цегляних і панельних стін тощо).

Кращі типові конструкцій і деталі, що пройшли перевірку в експлуатації, затверджуються як стандарти. Стандартизація — це вищий рівень типізації. Стандартні елементи регламентуються Державними стандартами (ДЕСТами, ГОСТами – рос.). Державні стандарти на будівельні деталі, конструкцій і вироби визначають їх точні розміри і допуски, технічні характеристики, зовнішній вигляд, методи випробувань, умови зберігання і транспортування.

Велика різноманітність типових виробів і деталей ускладнює їх вибір. Необхідне введення системи уніфікації. Уніфікація передбачає взаємозамінність (універсальність) деталей і конструкцій будівель не тільки за розмірами, але і за матеріалом і конструктивним рішенням.

У СРСР і країнах Європи діють правила вибору розмірів всіх будівельних компонентів — «Єдина модульна система в будівництві» (ЕМС). Уніфікація збірних конструкцій і деталей базується на уніфікації об'ємно-планувальних параметрів будівель, тобто кроку, прольоту і висоти поверху, які встановлюються кратними модулю (М) 100 мм.

При проектуванні плану будівлі вказуються координатні або розбивочні осі, визначаючі розташування вертикальних несучих конструкцій (стін, стовпів) як правило у взаємно перпендикулярному напрямі, позначаючи їх цифрами по горизонталі і буквами українського алфавіту по вертикалі (рис. 4).

Відстань між осями поздовжніх стін або поздовжніх рядів колон в плані, що відповідає довжині основної несучої конструкцій перекриття або покриття, називається прольотом; відстань між осями поперечних рядів колон, тобто між розбивочними осями - кроком колон.

Система поздовжніх і поперечних осей утворює в плані будівлі прямокутну сітку, яка називається сіткою колон. При записі сітки колон спочатку перераховують прольоти, а потім вказують крок. Так, якщо в будівлі три прольоти 6, 3 і 6 м, а крок колон 6 м, то записують (6+3+6) 6. Рівень підлоги першого поверху приймають за умовну відмітку 0,000 (у м). Рівень нижче нуля має знак мінус (—). Іноді розміри елементів приймають кратними похідному укрупненому модулю (200, 300, 600 мм і більше) або похідному дробовому модулю (50, 20, 10, 2, 1 мм). Модуль, покладений в основу планувальних рішень, називається планувальним модулем (ПМ). Так, ПМ для цегляних будівель рівний 300 мм (3 М), для крупно панельних — 6 М або 12 М. Для промислових будівель ПМ — 60 М (6000 мм) або 30 М (3000 мм).

Планувальний модуль застосовують при нанесенні на план системи модульних координаційних осей — прямокутної сітки ліній, відстань між якими дорівнює планувальному модулю. При проектуванні застосовують номінальні модульні розміри; конструктивні розміри, тобто розміри елементів або виробів, що є меншими за номінальні на розмір швів і зазорів між виробами; натуральні розміри (фактична відстань між координаційними осями), які відрізняються від конструктивних в межах встановлених допусків.

Розташування конструктивних елементів в плані або розрізі по відношенню до координаційних осей називають прив'язкою.

Рисунок 4 – модульна система у проектуванні і розташування розбивочних осей в плані будівлі