ІІ.3.4 Принципи проектування конструкцій будівель

 

Кожна будівля складається із сукупності конструктивних елементів, причому робота кожного із них визначена його розташуванням у будівлі, заданим температурно-вологісним режимом будівлі та природно-кліматичними умовами будівництва. Всі елементи пов’язані один з іншим конструкціями з’єднань, що забезпечують міцність, стійкість та ізоляційні якості споруди.

Проектування кожної конструкції проходить наступні етапи:

- встановлення всього комплексу зовнішніх силових і несилових впливів на конструкцію;

- встановлення кількісних величин впливів або їх якісна оцінка у тих випадках, кили кількісна оцінка неможлива;

- аналіз процесів, що проходять в конструкції від зовнішніх впливів;

- аналіз різних методів сприйняття окремих зовнішніх впливів;

- установлення вимог, що пред’являються до конструкції у відповідності з її функціями в будівлі і виявленим комплексом силових впливів;

- вибір типу і матеріалу конструкцій, найбільш повно відповідаючих встановленим вимогам;

- установлення місць з’єднань вибраної конструкції з іншими конструкціями будівлі з урахуванням силових і несилових впливів на вузли з’єднань;

- розрахунок конструкцій з використанням законів будівельної фізики і будівельної механіки на основі розрахункових характеристик міцності та ізоляційних властивостей використаних для конструкції матеріалів.

Розробка конструкції завершується її викреслюванням, визначенням витрат матеріалів та складанням специфікації на напівфабрикати, необхідних для її виготовлення.

Після розробки конструкції виконується техніко-економічний розрахунок приведених витрат, питомих капіталовкладень у промисловість збірних конструкцій і будівельних матеріалів, трудомісткості виготовлення і зведення конструкції, а також натуральних показників (витрати основних матеріалів).

 

 

ІІ.3.5 Основи і фундаменти

Основи та їх властивості відіграють велику роль у збереженні будівель, їх деформативності. Проектування і будівництво передують інженерно-геологічні вишукування (і гідрогеологічні). Вони дають можливість виявити типи ґрунтів основи, їх міцність та деформативні характеристики, рівень стояння вод, швидкість їх руху та хімічний склад. Матеріалом для побудови геологічних розрізів слугують зразки ґрунту, взяті з конкретних свердловин (рис.ІІ.1).

Критеріями для характеристики основи в якості природної служать:

- її несуча здатність, щільність і рівномірність будови, що забезпечують допустимі відносні деформації основи та нормативну величину її повної осадки під будівлею (в залежності від призначення будівлі її величина обмежується від 80 до 150 мм);

- стійкість до дії ґрунтових вод;

- несхильність до здимання - збільшення в об’ємі при замерзанні води в порах і прошарках ґрунту;

- несхильність ґрунтів до сповзання.

Якщо основа не відповідає названим вище критеріям, її закріплюють, ущільнюють або замінюють іншим більш щільним насипним ґрунтом (наприклад, екскавація заторфованого шару ґрунту і заміна його піщаним або гравійним).

Ґрунти основи знаходяться в обтиснутому стані під дією двох силових впливів – власної ваги вище розташованих шарів ґрунту та всіх силових впливів на будівлю, що передаються її фундаментами на основу. Тиск від власної ваги ґрунту називається природним (побутовим), від будівлі – додатковим.

За глибиною основи ці силові впливи проявляються по-різному: інтенсивність природного тиску збільшується, а додаткового – зменшується за рахунок розподілу його на більш широкий простір. Вплив додаткового тиску на деформації основи проявляється на глибину кінцевої величини, що називається величиною деформованої товщі основи. Верхньою межею деформованої товщі вважається позначка підошви фундаменту, нижньою – позначка, на якій величина додаткового тиску зменшується до 0,2 природного (Р_дод = 0,2 Р_пр).

За глибиною основи ці силові впливи проявляються по-різному: інтенсивність природного тиску збільшується, а додаткового – зменшується за рахунок розподілу його на більш широкий простір (рис.ІІ.2). Вплив додаткового тиску на деформації основи проявляється на глибину кінцевої величини, що називається величиною деформованої товщі основи. Верхньою межею деформованої товщі вважається позначка підошви фундаменту, нижньою – позначка, на якій величина додаткового тиску зменшується до 0,2 природного (Р_дод = 0,2 Р_пр).

Фундаменти не тільки сприймають все навантаження від будівлі і передають його на основу (грунт), але й самі піддаються ряду статичних та динамічних силових і несилових впливів (рис.ІІ.3). До статичних силових відносяться впливи власної ваги конструкцій будівлі з вертикальними навантаженнями на них,бокового тиску ґрунту, його пружного відпору і нерівномірних деформацій основи; до динамічних – вітрові, сейсмічні, вібраційні навантаження. При високому рівні стояння ґрунтових вод фундамент піддається також гідростатичному тиску по боковій поверхні і підошві.

 

Рис.ІІ.1 – Геологічна будова ділянки:

1 – насипний грунт; 2 – торф; 3 –пластичні суглинки; 4 – глина;

5 і 6 - середньозернисті піски

 

Рис.ІІ.2 - Схема визначення глибини стискуваної товщі основи

 

Матеріалами фундаментів служать природний або штучний камінь (бетон). Найбільше розповсюдження отримали бетонні і залізобетонні (збірні і монолітні) конструкції фундаментів.

Глибина закладення фундаменту вибирається в залежності від об’ємно-планувального рішення будівлі (наявність підвалу, підземних комунікацій), величини і характеру навантаження на основу, геологічної будови і характеру напластування окремих

видів ґрунтів, гідрогеологічних і кліматичних умов, що визначають глибину сезонного промерзання та відтавання ґрунтів. У випадках, коли об’ємно-планувальні і інші фактори не впливають на глибину закладки фундаменту, її величину приймають мінімальною.

 

Рис.ІІ.3 - Основні впливи на конструкцію фундаменту і на стіну підвалу:

1 – вертикальні навантаження; 2 – горизонтальні силові впливи;

3 – відпір ґрунту; 4 – боковий тиск ґрунту; 5 – сили піднімання ґрунту; 6 – вібрація; 7 - міграція ґрунтової вологи; 8 – тепловий потік; 9 – дифузія водяного пару

Рис.ІІ.4 – Стрічкові фундаменти:

а - фрагмент план збірного фундаменту із бетонних блоків; перерізи фундаментів: б – із монолітного бетону; в – із порожнистих бетонних блоків;

г – панельного; д – збірно-монолітного; е – армування горизонтальних швів у

місцях перетину збірних стін фундаменту; 1 – залізобетонна подушка; 2 – бетонний блок; 3 – цокольна панель; 4 – монолітний бетон (бутобетон); 5 –піщана подушка;

6 – обмазочна гідроізоляція; 7 – армований шов; 8 – залізобетонний монолітний пояс; 9 – арматурна сітка; 10 – забетонка або заповнення цеглою по місцю;

11 – горизонтальна гідроізоляція стін

 

Конструкції фундаментів бувають різних типів: стрічкові, стовбчасті, плитні (суцільні) та пальові. Вибір типу фундаменту залежить від конструктивної схеми будівель, величини навантажень, а також від несучої здатності і деформативності ґрунтів.

Стрічкові фундаменти являють собою безперервну підземну стіну, що передає навантаження від наземних стін або колон ґрунту через розширену нижню частину – подушку та піщану або гравійну (щебеневу) підсипку товщиною 50 – 100 мм. Розширена подушка необхідна для приведення у відповідність величини додаткового тиску під підошвою фундаменту несучій здатності ґрунту.

Найбільш поширеним варіантом стрічкових фундаментів є збірна конструкція із залізобетонних блоків-подушок трапецієвидного перетину і прямокутних бетонних стінових блоків (рис.ІІ.4). Згідно каталогу індустріальних виробів, номінальні розміри блоків-подушок за шириною складають 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,4; 2,8; і 3,0 м; за довжиною – 1,2;2,4 і3,0 м; за висотою - 0,3 і 0,5 м; стінові блоки відповідно за шириною 0,3; 0,4; 0,5 і 0,6 м при довжині від 0,8 до 2,4 м і єдиній висоті 0,6 м. Сумісність статичної роботи збірних елементів забезпечується їх укладкою горизонтальними рядами на цементний розчин із взаємною перев’язкою швів та армуванням стальними зварними сітками горизонтальних швів в місцях перетину стін.

 

Стовбчасті фундаменти у вигляді збірних залізобетонних стовпів і подушок використовують для передачі на грунт навантажень від колон каркасних будівель. Подушки таких фундаментів виконують у вигляді спеціальних блоків старанного типу або різних комбінацій із трапецієвидних збірних подушок стрічкових фундаментів (рис.ІІ.5).

Суцільні (плитні) фундаменти використовують переважно при будівництві багато

поверхових будівель на слабких, нерівномірно стискуваних ґрунтах. Фундаментна плита проектується площинною або ребристою з розташуванням ребер під несучими стінами чи колонами (рис.ІІ.6).

Залізобетонні пальові фундаменти під несучі стіни чи колони при слабих ґрунтах. Розрізняють два типи паль – палі-стійки і висячі палі (рис.ІІ.7) Перші прорізають нашарування слабих ґрунтів і передають все навантаження на них через вістря на підстилаючий шар міцного ґрунту. Висячі палі не досягають міцного шару і передають

навантаження основі через вістря і через бічні поверхні за рахунок сил тертя між ними і ущільненим ґрунтом.

Гідроізоляція підземної частини будівлі. Для виключення капілярного підсмоктування наземну частину стін (зовнішніх і внутрішніх) ізолюють від фундаментів горизонтальною ізоляцією на рівні низу цокольного перекриття. В будівлях з підвалами передбачається ще один ряд горизонтальної гідроізоляції на рівні підлоги підвалу. По всій зовнішній поверхні фундаментів влаштовується вертикальна обмазувальна гідроізоляція гарячим бітумом за два рази.

 

 

 

Рис.ІІ.5 – Стовпчасті фундаменти:

а – фрагмент плану фундаментів; конструкції опор;б – фундаментний блок стаканного типу; в – залізобетонні блоки стрічкових фундаментів;г – блок-стакан і залізобетонні плити; 1 – блок-стакан; 2 – колона; 3 – залізобетонна фундаментна подушка; 4 - залізобетонна плита; 5 – цокольна панель

 

Рис.ІІ.6 – Плитні фундаменти:

а – у вигляді ребристої залізобетонної плити;

б – у вигляді суцільного перерізу

Рис.ІІ.7 – Пальові фундаменти:

а – фрагмент плану фундаменту під несучі стіни;б – фундамент під колону;

в – фундамент на палях-стійках; г – те ж, на висячих палях; д – стик збірного ростверку з забивною палею; е – деталь пальового фундаменту без ростверку; 1 – паля;

2 – ростверк; 3 – оголовок палі; 4 – колона;5 – монолітний ростверк стаканного типу під колону; 6 – арматура палі; 7 – паля-стійка; 8 – висяча паля; 9 – монолітний ростверк; 10 – бетон омонолічування; 12 – стальна накладка; 13 – панель перекриття; 14 – панель стіни; 15 – цементний розчин

 

ІІ.3.6 Каркас

Каркас проектують, як правило, збірним залізобетонним, Розрізка рам залізобетонного каркасу на збірні елементи здійснюється у відповідності з розрахунковою схемою. Для рамного каркасу використовують розрізку на Г-, Т-, Н-подібні площинні або просторові елементи, що дозволяє забезпечити заводське виготовлення вузлів рам і стиковку збірних елементів у зонах нульових згинаючих моментів. Така розрізка має серйозні статичні переваги, але вона не є технологічна у зв’язку з тим, що для виготовлення такого каркасу необхідні форми складної конфігурації і великі виробничі площі.

Для в’язевого каркасу використовують розрізку на прямолінійні елементи з відсіканням ригеля від стійки у вузлі рами, тому що при сприйнятті горизонтальних навантажень діафрагмами жорсткості з’єднання ригеля зі стійкою може бути шарнірним. На практиці в цьому з’єднанні виникає часткове защемлення ригеля в колоні у зв’язку з необхідністю використання стальних в’язів, що забезпечують монтажну стійкість ригеля. В’язева система дає можливість уніфікувати ригелі за висотою будівлі і з’єднань ригелів з колонами.

При в’язевому каркасі розрізку колон по висоті виконують на висоті 0,7 м над рівнем підлоги. Для з'єднання колони з ригелем в ній передбачають «потайні» консолі, які закладними деталями зварюються з опорними частинами ригелів. Поперечний переріз ригеля – тавр з поличкою в стиснутій зоні для спирання настилів перекриттів, що забезпечує зменшення конструктивної висоти перекриття. Висота ребра приймається рівною висоті панелі перекриття. Стик колон по висоті – жорсткий. Стикування здійснюється через центруючу стальну прокладку зі зварюванням випусків кутових стержнів поздовжньої арматури колон з наступним обетонуванням самого стику.