Какие свойства зданий обеспечивают несущие конструкции

НЕСУЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

ПОНЯТИЕ О НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЯХ

Продуктом любого строительства являются здания и сооружения.

Здание — это наземный строительный объект, предназначенный для проживания и деятельности людей, размещения производства, хранения продукции.

Сооружение — это наземный или подземный строительный объект, предназначенный для выполнения технических или эстетических функций. В зависимости от этого различают инженерные сооружения (мосты, трубы, тоннели, резервуары и т.д.) и архитектурные сооружения — обелиски, памятники, и т.д.).

Здания и сооружения состоят из различных элементов и конструкций: фундаментов, стен, колонн, перекрытий и покрытий, лестниц, окон, дверей и т.д. По функциональному назначению элементы здания можно разделить на две основные группы: несущие и ограждающие. Некоторые элементы сочетают эти две функции (например, перекрытия, внешние стены и др.).

Ограждающие конструкции — это элементы здания, защищающие внутренние помещения от негативного воздействия внешней среды и отделяющие одно помещение от другого. К ограждающим конструкциям относятся стены, перегородки, перекрытия, покрытия и фонари, заполнение оконных и дверных проемов и т. д.

Несущие — это конструкции, которые воспринимают силовые и несиловые воздействия (температурные, сейсмические, от неравномерных осадок основания и др.) и, взаимодействуя друг с другом, передают их через фундамент на грунт. К несущим конструкциям относятся фундаменты, колонны, несущие стены, плиты перекрытия, ригели, прогоны, связи каркаса, размещаемые в строго определенном порядке.

В зависимости от геометрических форм различают следующие виды несущих строительных конструкций:

линейные, или стержневые, — колонны, балки, балочные плиты и настилы, фермы, рамы, арки;

плоскостные — плиты, опертые по контуру, наружные и внутренние стены зданий, безбалочные перекрытия и др.; пространственные — тонкостенные купола, оболочки покрытий одиночной и двойной кривизны, висячие конструкции, стенки резервуаров и силосов, складки, шатры и т. п.

Несущие конструкции являются основой зданий и сооружений. Они воспринимают действующие вертикальные и горизонтальные нагрузки и обеспечивают безопасность эксплуатации объекта и людей. Кроме того, инженерное оборудование зданий (лифты, грузоподъемные краны, водоснабжение и водоотведение, электрические сети и др.) смонтированы на несущих конструкциях и не могут нормально функционировать, если несущие конструкции не отвечают предъявляемым к ним требованиям.

Комплекс несущих конструкций, соединенных между собой, образует пространственную несущую (конструктивную) систему здания и сооружения (рис. 1.16), которая обеспечивает прочность, устойчивость и геометрическую неизменяемость объекта на весь срок эксплуатации.

В зависимости от применяемых конструкционных материалов различают: металлические конструкции (стальные и алюминиевые); бетонные и железобетонные конструкции; каменные и армокаменные; конструкции из дерева и пластмасс.

Металлические конструкции. Металл — наиболее дорогой и ценный конструкционный материал, в котором на сегодня исполнены основные ценности человечества — машины, станки, механизмы, каркасы зданий и сооружений. В строительстве для несущих систем используется строительная сталь. Это наиболее прочный, но и дорогой материал. Стальные конструкции (рис. 1.1) при низкой собственной массе обладают высокой несущей способностью. Однако для металлических конструкций характерна низкая сопротивляемость высокотемпературным воздействиям при пожаре. Огнестойкость незащищенных металлических конструкций невелика: при пожаре они теряют несущую способность уже через 12—15 мин. Для повышения огнестойкости предусматривают огнезащиту конструкций, действие которой основано на замедлении прогрева металла. Кроме того, во влажной среде сталь подвергается коррозии, поэтому требуется защита от атмосферного и химического воздействия.

Рис. 1.1. Внешний вид здания (а) и его несущий металлический каркас (6)

Бетон и железобетон — это искусственные конструкционные материалы, обладают высокой прочностью и долговечностью. Исходные материалы (вода, песок, гравий) для их изготовления достаточно распространены в природе. Конструкции из железобетона (рис. 1.2) при высокой несущей способности без дополнительных мер защиты обладают стойкостью к коррозионным воздействиям и достаточной огнестойкостью. Основным недостатком железобетона является его большой собственный вес, который зачастую оказывается сопоставим с той нагрузкой, для восприятия которой предназначена конструкция. Тем не менее, конструкции из железобетона занимают доминирующее положение в строительстве и будут оставаться таковыми и в дальнейшем.

Каменные конструкции самые древние в мире. Это пирамиды и самая большая из них — пирамида Хеопса, сооруженная более 30 веков до н. э. Ее высота 147 м и сторона грани основания 229,5 м. Ее строили более 100 тысяч человек в течение 20 лет. Каменные элементы здания, армированные стальной арматурой, называются армокаменны- ми. Конструктивные системы из камня, кирпича являются наиболее тяжелыми и трудоемкими в изготовлении.

Деревянные конструкции изготавливаются из наиболее экологически чистого материала — дерева, восполняемого в природе, легко обрабатываемого. Наиболее прочными и менее дорогими являются конструкции из клееной древесины (рис. 1.3).

Преимущества и недостатки конструкций из конструкционных материалов в сравнении между ними представлены в табл. 1.1.

Рис. 1.2. Несущие и ограждающие конструкции из железобетона

Рис. 1.3. Несущие конструкции покрытия из клееной древесины

Преимущества и недостатки конструкций

Таблица 1.1

Важным фактором, определяющим применение соответствующего материала, является конструкционная легкость элементов. Легкость конструкций количественно характеризуется отношением расчетного сопротивления R к удельному весу у материала. Чем больше это отношение, тем легче конструкция.

Сравнительные результаты легкости конструкций (табл. 1.2) показывают, что наиболее легкими являются металлические конструкции; деревянные оказываются тяжелее примерно в 1,5—2 раза, железобетонные — в 4—10 раз; каменные — в 20—40 раз.

Таблица 1.2

Показатели легкости конструкций из различных материалов

НЕСУ́ЩИЕ КОНСТРУ́КЦИИ, осн. кон­ст­рук­тив­ные эле­мен­ты, пред­на­зна­чен­ные для вос­при­ятия всех на­гру­зок и воз­дей­ст­вий на зда­ния и со­ору­же­ния и обес­пе­чи­ваю­щие их проч­ность, жё­ст­кость и ус­той­чи­вость. Н. к. бы­ва­ют вер­ти­каль­ные, вос­при­ни­маю­щие гл. обр. сжи­маю­щие уси­лия (сте­ны, стол­бы, ко­лон­ны, пи­ло­ны и т. п.), и го­ри­зон­таль­ные, ра­бо­таю­щие пре­им. на из­гиб и рас­тя­же­ние (па­не­ли и бал­ки пе­ре­кры­тий, стро­пиль­ные и мос­то­вые фер­мы, ри­ге­ли рам, бал­ки про­лёт­ных строе­ний, ван­ты, мем­бра­ны и др.). По ха­рак­те­ру ста­тич. ра­бо­ты Н. к. под­раз­де­ля­ют на пло­ско­ст­ные и про­стран­ст­вен­ные. Пло­ско­ст­ные кон­ст­рук­тив­ные эле­мен­ты ра­бо­та­ют ав­то­ном­но, не вклю­чая в вос­при­ятие на­гру­зок при­мы­каю­щие к ним кон­ст­рук­ции. Про­стран­ст­вен­ные эле­мен­ты ра­бо­та­ют в двух на­прав­ле­ни­ях со­вме­ст­но с при­мы­каю­щи­ми к ним кон­ст­рук­ция­ми. Уси­лия в Н. к. оп­ре­де­ля­ют­ся ме­то­да­ми стро­ит. ме­ха­ни­ки.

Для Н. к. при­ме­ня­ют две груп­пы ма­те­риа­лов: жё­ст­кие (бе­тон, же­ле­зо­бе­тон, ме­талл, ка­мень, де­ре­во) и не­жё­ст­кие (ме­тал­лич. тро­сы, син­те­тич. плён­ки, тка­ни и др.). Жё­ст­кие ма­те­риа­лы ис­поль­зу­ют в кон­ст­рук­ци­ях, ра­бо­таю­щих на сжа­тие и из­гиб, не­жё­ст­кие – в кон­ст­рук­ци­ях, ра­бо­таю­щих на рас­тя­же­ние.

Со­во­куп­ность го­ри­зон­таль­ных и вер­ти­каль­ных Н. к. соз­да­ют кон­ст­рук­тив­ные сис­те­мы (сто­еч­но-ба­лоч­ную, ароч­но-свод­ча­тую, обо­лоч­ко­вую, склад­ча­тую, ви­ся­чую и пнев­ма­ти­че­скую), об­ра­зую­щие не­су­щий ос­тов зда­ния (со­ору­же­ния). Сто­еч­но-ба­лоч­ная сис­те­ма наи­бо­лее про­ста в при­ме­не­нии и со­сто­ит из вер­ти­каль­ных и го­ри­зон­таль­ных стерж­не­вых не­су­щих эле­мен­тов. Ароч­но-свод­ча­тая сис­те­ма пред­став­ля­ет со­бой бал­ки кри­во­ли­ней­но­го очер­та­ния (цир­ку­ляр­но­го, па­ра­бо­ли­че­ско­го и т. п.). При уве­ли­че­нии ши­ри­ны ар­ки в на­прав­ле­нии, пер­пен­ди­ку­ляр­ном её про­лё­ту, соз­да­ёт­ся про­стран­ст­вен­ная кон­ст­рук­ция – ци­лин­д­рич. свод. Обо­лоч­ка – тон­ко­стен­ная жё­ст­кая кон­ст­рук­ция с кри­во­ли­ней­ной по­верх­но­стью разл. фор­мы (ве­ер­ная, сер­по­вид­ная, с вы­нос­ной кон­со­лью и др.). Склад­ча­тые кон­ст­рук­ции, или склад­ки, об­ра­зу­ют про­стран­ст­вен­ную сис­те­му из рас­по­ло­жен­ных под уг­лом отд. плос­ко­стей; мо­гут соз­да­вать разл. фор­мы – тра­пе­цие­вид­ные, тре­уголь­ные, ве­ер­ные и т. п. Ви­ся­чие кон­ст­рук­ции про­ек­ти­ру­ют пло­ско­ст­ны­ми или про­стран­ст­вен­ны­ми из тро­сов, вант, це­пей и сталь­ных лис­тов, опи­раю­щих­ся на опор­ный кон­тур (жел.-бе­тон. или сталь­ной), ус­та­нав­ли­вае­мый на вер­ти­каль­ные кон­ст­рук­тив­ные эле­мен­ты. Пнев­ма­ти­че­ские кон­ст­рук­ции со­сто­ят из воз­ду­хо­не­про­ни­цае­мой про­ре­зи­нен­ной тка­ни или син­те­тич. плён­ки, за­кре­п­лён­ной на опор­ных эле­мен­тах. Про­ект­ное по­ло­же­ние воз­ду­хо­не­про­ни­цае­мой плён­ки обес­пе­чи­ва­ет­ся дав­ле­ни­ем внутр. воз­ду­ха.

Вы­бор ва­ри­ан­та Н. к. в зда­ни­ях и со­ору­же­ни­ях за­ви­сит от ве­ли­чи­ны пе­ре­кры­вае­мо­го про­лё­та, си­ло­вых воз­дей­ствий на кон­ст­рук­ции, тех­нич. и эко­номич. воз­мож­но­стей, от тре­бо­ва­ний к ху­дож. вы­ра­зи­тель­но­сти кон­ст­рук­тив­ной фор­мы.

Основной несущий каркас здания из металлоконструкций – это совокупность элементов, передающих нагрузки на фундамент здания. Основные несущие рамы из сварных двутавровых колонн и ригелей переменного сечения изготавливаются из высокопрочной стали С345 (09Г2С). Все сварные конструкции здания из металлоконструкций проходят дробеструйную обработку и покрываются грунтовкой 80 мкм. Крепление колон основного несущего металлокаркаса к фундаментам осуществляется анкерными болтами, которые изготавливаются из стали С345 (09Г2С) и поставляются в соответствии с планом анкерных болтов. Ветровые связи также изготавливаются из стали С345 (09Г2С).

В основном в каркасах здании из металлоконструкций Lindab применяется сварная балка переменного сечения. К преимуществам такого решения можно отнести надежность, малую строительную высоту, позволяющую существенно уменьшить строительный объем здания и практически исключить дополнительную монтажную сборку, присущую фермам больших пролетов. 

Защитные покрытия

Все конструкции подвергаются дробеструйной обработке, степень очистки SA 2.5. Все элементы основного несущего каркаса покрыты грунтовкой или антикоррозийным покрытием. Дополнительно может быть выполнено горячее цинкование элементов основного несущего каркаса.

Грунтовка 

— грунтовка на водной основе

— толщина покрытия: 80 микрон

— коррозионная защита: C2, высокая

— цвета: насыщенный серый (примерно RAL 7036), естественный красный (примерно RAL 8012), ярко-синий (примерно RAL 5010)

Антикоррозийное покрытие

— грунтовка на водной основе

— толщина покрытия: 100 микрон

— коррозионная защита: C3

— дополнительно под заказ конструкции могут быть защищены от коррозии специальной краской или оцинкованы.

Примеры мероприятий по повышению пожаростойкости:

·         Устройство дымоэваукационных фонарей и пожарных выходов

·         Окраска несущих конструкций огнезащитными красками

·         Оштукатуривание несущих конструкций по сетке

·         Физическое ограждение конструкций – каменной (кирпичной) кладкой или несколькими слоями гипсокартона

·         Установка водяных или поршковых систем пожаротушения

Основные преимущества: 

·         Возможность построения трехмерных моделей и оптимизации концепции здания из металлоконструкций до начала проектирования

·         Высокая скорость разработки проектной документации и гибкость в выборе конфигурации здания, пролетах, шагах рам, высоте и пр.

·         Высокое качество сварного шва за счет автоматической сварки

·         Дробеструйная обработка до и после сварочных работ

·         Трехступенчатый контроль качества:

a.    Контроль геометрии рамы и расположения отверстий

b.    Ультразвуковой контроль сварных швов

c.    Финальная приемка перед покраской

d.    Контроль толщины грунтовочного покрытия

·         Комплект полной заводской готовности, включая весь необходимый крепеж, анкерные болты и связи.

·         Быстрый, легкий и надежный монтаж на болтовых соединениях отсутствие сварки на строительной площадке

·         Минимальное количество промежуточных колонн и, как следствие, свобода планировки. Максимальный свободный пролет – 100 м

·         Возможность крепления внутренних коммуникаций к кровельным и стеновым прогонам и к основным несущим конструкциям

·         Цинковое покрытие стеновых и кровельных прогонов обеспечивает защиту от коррозии, увеличивает срок службы конструкций и имеет эстетичный внешний вид.

·         Применение высокопрочных сталей (минимальный предел текучести 345 Н/кв. мм) позволяет существенно снизить металлоемкость конструкций и соответственно снизить расходы на устройство фундаментов и монтаж здания. Сталь 09Г2С наиболее устойчива к появлению трещин в сварном шве.

·         Переменная высота сечения конструкций обеспечивает наиболее эффективное использование внутреннего объема здания и сокращает эксплуатационные расходы. Малая строительная высота – оптимальное использование внутреннего пространства

·         Применение в качестве прогонов стен и кровель Z-образных профилей снижает транспортные расходы за счет экономичной упаковки. Компактная упаковка – экономичная доставка.