Конструктивное решение здания определяется выбором рациональной конструктивной системы, конструктивной схемы и конструктивных элементов.

Конструктивная система: Основные вертикальные и горизонтальные несущие конструкции здания, располагаясь в строго определенном порядке, образуют конструктивную систему, которая способна воспринимать все силовые воздействия, обеспечивать пространственную жесткость и устойчивость здания.

Какие конструктивные системы используют в практике проектирования?

По способу распределения и передачи усилий, возникающих от внешних воздействий, выделим:

1) стоечно-балочная система приведена на рисунке 1;

2) арочно-сводчатая система;

3) висячая система.

Стоечно-балочная система

Рисунок 1 – Стоечно-балочная система

В конструктивном исполнении она реализуется в виде:

- каркасов;

- системы стен и перекрытий;

- в сочетании элементов каркаса и перекрытий;

- элементов каркаса и стен;

Эти системы используют для всех жилых зданий, подавляющего большинства общественных и промышленных зданий.

Арочно-сводчатая (криволинейная) конструктивная система, приведенная на рисунке 2, отличается не только по форме, но и по характеру работы.

Под воздействием вертикальных нагрузок и собственной массы в материале арки возникают сжимающие усилия, что позволяет, имея каменный материал, перекрывать большие пролеты.

Рисунок 2 – Арочно-сводчатая (криволинейная) конструктивная система

В зависимости от формы образующей кривой и направления ее движения (переноса) образуют своды, смотрим рисунок 3.

Рисунок 3 – Сферические и цилиндрические купола арочно-сводчатая конструктивная система

Криволинейная форма создает жесткость конструкции при минимальной толщине сечения и дает возможность перекрывать большие пролеты 135-150 м и более.

Висячая конструктивная система, смотрим рисунок 4.

Основные несущие элементы – тросы, цепи, которые называют вантами или высокопрочные листы (мембраны), к которым подвешивают или укладывают ограждающие конструкции покрытия.

Эти конструктивные системы могут образовывать сложные большепролетные покрытия различных форм.

Рисунок 4 – Висячая конструктивная система

Они позволяют экономно использовать несущие свойства материала, например высокопрочной стали, тонких высокопрочных листов, потому что в их элементах под воздействием нагрузок возникают растягивающие усилия.

Выбор конструктивной системы большой сложности не представляет (для жилых, большинства общественных и промышленных зданий используют стоечно-балочную систему в разнообразном ее конструктивном исполнении) и только для зданий с большепролетными помещениями – арочно-сводчатую и висячую системы.

Что такое конструктивная схема?

Это размещение основных конструктивных элементов здания и распределение несущих и ограждающих функций между ними.

В основе лежит геометрическая схема вертикальных несущих элементов:

- если вертикальные несущие элементы расположены вдоль здания, то это продольная схема

- при поперечном (перпендикулярном к продольной оси здания) расположении, то это поперечная схема

- при расположении вертикальных несущих элементов в обоих направлениях (вдоль и поперек) – совмещенная конструктивная схема

Конструктивные схемы (все вышеперечисленные) могут иметь различное конструктивное решение и быть:

1) бескаркасными;

2) каркасными;

3) смешанными (неполный каркас).

Каждая конструктивная схема имеет свои характерные особенности.

Существенным признаком бескаркасной схемы является совмещение в наружных стенах несущих и ограждающих функций.

Бескаркасная схема образована стенами и перекрытиями. Наружные и внутренние стены воспринимают нагрузки от междуэтажных перекрытий. Основными вертикальными несущими элементами для данной схемы являются несущие стены из крупных панелей, крупных блоков или кирпичей.

Для бескаркасных типов зданий характерно продольное, поперечное и перекресное расположение несущих стен в плане, смотреть рисунок 5.

Рисунок 5 – Схемы бескаркасных зданий

а – с продольными несущими стенами; б – с поперечными несущими стенами; в – перекрестное расположение несущих стен; 1 – план стен; 2 – план перекрытий.

Качества прочности и теплоизоляции трудно совместить в одном материале (т.е. совмещать несущие и ограждающие функции): удовлетворение теплоизоляции во многих случаях приводит к перерасходу материала, увеличению массы.

В тех случаях, когда внутренние несущие стены стесняют планировку или при увеличении пролета и возрастании нагрузки на внутреннюю стену принимают конструктивное решение с неполным каркасом, т.е. внутреннюю стену заменяют стойками.

Принципиальное отличие каркасного решения (полного каркаса от решения с несущими стенами) состоит в том, что в нем все нагрузки, включая и массу стен, воспринимает каркас, а наружные стены выполняют ограждающие функции.

- Четкое деление конструкций на несущие и ограждающие позволяет для каждой из них применять материалы, наиболее соответствующие назначению. Эффективное использование свойств материалов позволяет сократить их затраты и, следовательно, снизить массу здания.

- В каркасных зданиях вертикальные несущие элементы – стойки (колонны) – не разделяют внутреннее пространство как несущие стены бескаркасных зданий. Это обеспечивает широкие возможности планировочных решений, причем независимо от этажей.

В зданиях с полным каркасом балки (ригели) могут быть расположены поперек, вдоль здания или перекрестно.

- Каркасы могут быть одноэтажные и многоэтажные, однопролетные и многопролетные, с консолями и без них. Одноэтажные каркасы используют для промышленных зданий, в которых большие сосредоточенные нагрузки, для общественных зданий с крупнозальными помещениями; двух- и трехпролетные каркасы применяют для многоэтажных промышленных и общественных зданий и в жилых зданиях большой этажности.

- По характеру статической работы различают три вида каркаса: рамный, связевый и рамно-связевый.

В рамных каркасах все вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимают продольные и поперечные рамы, образованные жестким соединением колонн и ригелей.

В связевых каркасах колонны и ригели воспринимают только вертикальные нагрузки при шарнирных соединениях в узлах, а горизонтальные – через перекрытия, передающие на жесткие вертикальные связи (диафрагмы жесткости). Поэтому обеспечивается независимость усилий в ригелях от их положения в плане и по высоте здания, что создает условия для полной унификации параметров ригелей и их опорных узлов. Пространственная жесткость обеспечивается совместной работой элементов каркаса, перекрытий и связей.

Конструктивное решение связей может иметь множество вариантов: сплошные в виде железобетонных стенок, стволы различной формы в плане, оболочки, портальные или диагональные (крестовые) стальные и т.п.

Рамно-связевые каркасы сочетают в себе рамы и связи. В этих случаях все вертикальные нагрузки передают на рамы, а горизонтальные – на связи, или вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимают те и другие, а распределение усилий между ними происходит в зависимости от их жесткости.

Как выбрать конструктивную схему здания?

Выбор конструктивной схемы – многофакторная задача, которая включает много оценочных показателей, весомость которых различна и может меняться даже для разных вариантов объемно-планировочных решений при одних и тех же конструктивных схемах.

После принятия конструктивной схемы выбирают конструктивное решение всех элементов. Решающим здесь является грамотный учет технических (прочность, устойчивость, долговечность, огнестойкость), технологических требований, архитектурной выразительности, удобства эксплуатации и экономической целесообразности (единовременных затрат и эксплуатационных расходов).

Проектирование отдельных конструктивных элементов сводится к выбору материала, формы, размеров и конструкции элемента, отвечающих предъявляемым к ним требованиям. Это сложный творческий процесс, требующий глубоких знаний строительной физики, строительных материалов, строительной механики, технологии строительного производства, основ архитектурной композиции.

Несмотря на большое разнообразие протекающих в зданиях функциональных и производственных процессов, при их проектировании можно применять в большинстве случаев унифицированные объемно-планировочные и конструктивные решения, основанные на модульной координации размеров.