Конструктивные решения и теплотехнический расчет наружных стен. Конструктивные решения наружных и внутренних стен, междуэтажных перекрытий, фундаментов Наружные стены здания конструктивные решения

Конструкции наружных стен гражданских и промышленных зданий классифицируются по следующим признакам:

1) по статической функции:

а) несущие;

б) самонесущие;

в) ненесущие (навесные).

Несущие наружные стены воспринимают и передают на фундаменты собственный вес и нагрузки от смежных конструкций здания: перекрытий, перегородок, крыш и др. (одновременно выполняют несущую и ограждающую функции).

Самонесущие наружные стены воспринимают вертикальную нагрузку только от собственного веса (включая нагрузку от балконов, эркеров, парапетов и др. элементов стены) и передают их на фундаменты через промежуточные несущие конструкции – фундаментные балки, ростверки или цокольные панели (одновременно выполняют несущую и ограждающую функции).

Ненесущие (навесные) наружные стены поэтажно (или через несколько этажей) опираются на смежные несущие конструкции здания – перекрытия, каркас или стены. Таким образом, навесные стены выполняют только ограждающую функцию.

Несущие и ненесущие наружные стены применяются в зданиях любой этажности. Самонесущие стены опираются на собственный фундамент, поэтому их высота ограничивается из-за возможности взаимных деформаций наружных стен и внутренних конструкций здания. Чем выше здание, тем больше разница в вертикальных деформациях, поэтому, например, в панельных домах допускается применение самонесущих стен при высоте здания не более 5 этажей.

Устойчивость самонесущих наружных стен обеспечивается гибкими связями с внутренними конструкциями здания.

2) По материалу:

а) каменные стены возводятся из кирпича (глиняного или силикатного) или камней (бетонных или природных) и применяются в зданиях любой этажности. Каменные блоки выполняют из естественного камня (известняк, туф и др.) или искусственного (бетон, легкий бетон).

б) Бетонные стены выполняют из тяжелого бетона класса В15 и выше плотностью 1600 ÷ 2000 кг/м3 (несущие части стен) или легкого бетона классов В5 ÷ В15 плотностью 1200 ÷ 1600 кг/м3 (для теплоизоляционных частей стен).

Для изготовления легких бетонов используются искусственные пористые заполнители (керамзит, перлит, шунгизит, аглопорит и т. п.) или естественные легкие заполнители (щебень из пемзы, шлака, туфа).

При возведении ненесущих наружных стен также используется ячеистый бетон (пенобетон, газобетон и т. п.) классов В2 ÷ В5 плотностью 600 ÷ 1600 кг/м3. Бетонные стены применяются в зданиях любой этажности.

в) Деревянные стены применяются в малоэтажных зданиях. Для их возведения используются сосновые бревна диаметром 180 ÷ 240 мм или брусья сечением 150х150 мм или 180х180 мм, а также дощатые или клеефанерные щиты и панели толщиной 150 ÷ 200 мм.

г) стены из небетонных материалов в основном применяются при возведении промышленных зданий или малоэтажных гражданских зданий. Конструктивно они состоят из наружной и внутренней обшивки из листового материала (сталь, алюминиевые сплавы, пластик, асбестоцемент и др.) и утеплителя (сэндвич-панели). Стены данного типа проектируют несущими только для одноэтажных зданий, а при большей этажности – только как ненесущие.

3) по конструктивному решению:

а) однослойные;

б) двухслойные;

в) трехслойные.

Количество слоев наружных стен здания определяется по результатам теплотехнического расчета. Для соответствия современным нормам по сопротивлению теплопередаче в большинстве регионов России необходимо проектировать трехслойные конструкции наружных стен с эффективным утеплителем.

4) по технологии возведения:

а) по традиционной технологии возводятся каменные стены ручной кладки. При этом кирпичи или камни укладываются рядами по слою цементно-песчаного раствора. Прочность каменных стен обеспечивается прочностью камня и раствора, а также взаимной перевязкой вертикальных швов. Для дополнительного повышения несущей способности каменной кладки (например, для узких простенков) применяется горизонтальное армирование сварными сетками через 2 ÷ 5 рядов.

Требуемую толщину каменных стен определяют по теплотехническому расчету и увязывают со стандартными размерами кирпичей или камней. Применяются кирпичные стены толщиной в 1; 1,5; 2; 2,5 и 3 кирпича (250, 380, 510, 640 и 770 мм соответственно). Стены из бетонных или природных камней при кладке в 1 и 1,5 камня имеют толщину 390 и 490 мм соответственно.

5) по расположению оконных проемов:

Из рассмотрения данных вариантов можно видеть, что функциональное назначение здания (жилое, общественное или промышленное) определяет конструктивное решение его наружных стен и внешний вид в целом.

Одно из основных требований, предъявляемое к наружным стенам – это необходимая огнестойкость. По требованиям противопожарных норм несущие наружные стены должны быть выполнены из несгораемых материалов с пределом огнестойкости не менее 2 часов (камень, бетон). Применение трудносгораемых несущих стен (например, деревянных оштукатуренных) с пределом огнестойкости не менее 0,5 часа допускается только в одно-, двухэтажных домах.

Изучение старой жилой застройки Москвы, Санкт-Петербурга, Калининграда, Калуги и других городов России показало, что в пределах издавна сложившейся центральной части города основными объектами капитального ремонта и реконструкции являются двух-пятиэтажные жилые дома, построенные в начале прошлого века. Разнообразие конструктивных форм объектов старого фонда отличается сравнительно небольшим ассортиментом: материал – бутовый камень, кирпич, дерево; технология строительства — ручной труд.

Конструктивные решения домов старой постройки

Фундаменты при обычных грунтах, как правило, возводились ленточными из рваного бутового камня, реже — из пережженного кирпича-железняка на сложном растворе. На слабых, неравномерно сжимаемых грунтах, например, в Санкт-Петербурге, фундаменты часто устраивались на искусственном основании — на деревянных сваях или лежнях.

Несущие стены жилых зданий выкладывались на тяжелых цементных и известковых растворах из полнотелого красного кирпича наивысшего (по сегодняшним меркам) качества. Вследствие этого они сохранились гораздо лучше чем другие типы конструкций. Толщина стен составляет от 2,5 до 4 кирпичей. Жесткую связь продольных и поперечных каменных стен зданий обеспечивалась посредством установки скрытых связей из прочнейшего кованого железа. В целом, гражданские здания дореволюционных лет постройки характеризуются большим разнообразием конструктивных решений, наличием значительного количества поперечных стен, обеспечивающих высокую пространственную жесткость несущего остова. Вертикальную нагрузку в этих зданиях, как правило, воспринимают наружные и внутренние продольные стены. Изредка встречаются несущие деревянные фахверковые перегородки. Межкомнатные перегородки устраивались деревянными (оштукатуренными с двух сторон по дранке), либо кирпичными.

Основным типом перекрытий в старых каменных зданиях является перекрытие по деревянным балкам с накатом из пластин или досок. Шаг несущих балок по дореволюционному «урочному положению» назначался обычно равным 1-1,5 м. Полы в жилой зоне – деревянные, паркетные либо линолеум. В мокрых помещениях и в зоне лестнично-лифтовых узлов — из метлахской плитки, либо цементные с железнением.

Стропильная система скатных крыш устраивались из бревен наслонного и висячего типа. Конструкция лестниц в большинстве каменных зданий решена в виде каменных или бетонных наборных ступеней, уложенных по стальным косоурам. В лестницах с одним косоуром на марш ступени одним концом заделывались в кладку стен.

Типизация конструктивных решений старого фонда

Исследованиями и типизацией конструктивных решений в сфере капитального ремонта и реконструкции жилых домов старой постройки занимается ряд научно-исследовательских организаций. Результаты исследований сведены в единую систему и рассортированы на группы и категории по множеству классификационных признаков.

На рис.1. приведен схематический план и разрез жилого дома с обозначением конструктивных элементов и технико-экономических параметров, представляющих наибольший интерес для проектировщиков и строителей, работающих в сфере реконструкции домов старой застройки.

Рис.1. Схематический план и разрез жилого дома старой постройки с обозначением основных параметров типизации

Анализ данных, накопленных инженерами и строителями в процессе исследований, позволяет сделать следующие выводы:

1. Наиболее часто встречается двухпролетная схема жилых домов (с 1-й внутренней стеной), реже — трехпролетная (с 2-мя внутренними стенами). На долю этих схем приходится 53-54%, т.е. большая половина всех домов.

2. Расстояния «в свету» между несущими стенами составляет:

• в Москве от 4 до 7 м — 51 %; от 7 и более — 46‚9%;
• в Санкт-Петербурге от 4 до 7 м — 77‚1 %; от 7 и более — 16,7%.

3. Наиболее распространенные расстояния между осями наружных простенков:

• в Москве от 2 до 2,5 м — 80‚5%;
• в Санкт-Петербурге от 1,75 до 2,75 м — 87‚9%.

4. Наружные стены в своей верхней части, на уровне чердачного перекрытия, имеют толщину от 60 до 90 см, а внутренние стены — от 40 до 80 см.

5. Толщина перекрытий и полов составляет от 33 до 40 см (89,6%).

6. Высоты этажей также разнятся в больших пределах. Однако в Москве зданий с высотой этажей от 3 до 4 м — 93‚1%‚ а в Санкт-Петербурге — 84,3%.

Рассмотренные конструктивные характеристики жилых домов старой постройки должны быть положены в основу разработки индустриальных инженерных решений.

[ наружные стены дома, технология, классификация, каменщик, дизайн и кладка несущих стен ]

Быстрый переход:

• Температурно-усадочные и осадочные швы
• Классификация наружных стен
• Конструкции одно- и многослойных стен
• Панельные бетонные стены и их элементы
• Проектирование панелей несущих и самонесущих однослойных стен
• Бетонные панели трехслойной конструкции
• Методы решения основных задач проектирования стен в бетонных панельных конструкциях
• Вертикальные стыки и Связи панелей наружных стен с внутренними
• Тепло и изоляционная способность стыков, виды стыков
• Композиционные и декоративные особенности панельных стен

Конструкции наружных стен крайне разнообразны; они определяются строительной системой здания, материалом стен и их статической функцией.

Общие требования и классификация конструкций

Рис.2.Деформационные швы

Рис.3.Детали устройстватемпературныхшвов вкирпичных и панельных зданиях

Температурно-усадочные швы устраивают во избежание образования в трещин и перекосов, вызываемых концентрацией усилий от воздействия переменных температур и усадки материала (каменной кладки, монолитных или сборных бетонных конструкций и др.). Температурно-усадочные швы рассекают конструкции только наземной части здания. Расстояния между температурно-усадочными швами назначают в соответствии с климатическими условиями и физико-механическими свойствами стеновых материалов. Для наружных стен из глиняного кирпича на растворе марки М50 и более расстояния между температурно-усадочными швами 40-100 м принимают по СНиП «Каменные и армокаменные конструкции», для наружных стен из бетонных панелей 75-150 м по ВСН32-77, Госгражданстрой «Инструкция по проектированию конструкций панельных жилых зданий». При этом наименьшие расстояния относятся к наиболее суровым климатическим условиям.

В зданиях с продольными несущими стенами швы устраивают в зоне примыкания к поперечным стенам или перегородкам, в зданиях с поперечными несущими стенами швы часто устраивают в виде двух спаренных стен. Наименьшая ширина шва составляет 20 мм. Швы необходимо защищать от продувания, промерзания и сквозных протечек с помощью металлических компенсаторов, герметизации, утепляющих вкладышей. Примеры конструктивных решений температурно-усадочных швов в кирпичных и панельных стенах даны на рис. 3.

Осадочные швы следует предусматривать в местах резких перепадов этажности здания (осадочные швы первого типа), а также при значительной неравномерности деформаций основания по протяженности здания, вызванной спецификой геологического строения основания (осадочные швы второго типа). Осадочные швы первого типа назначают для компенсации различий вертикальных деформаций наземных конструкций высокой и низкой частей здания, в связи с чем их устраивают аналогично температурно-усадочным только в наземных конструкциях. Конструкция шва в бескаркасных зданиях предусматривает устройство шва скольжения в зоне опирания перекрытия малоэтажной части здания на стены многоэтажной, в каркасных - шарнирное опи-рание ригелей малоэтажной части на колонны многоэтажной. Осадочные швы второго типа разрезают здание на всю высоту - от конька до подошвы фундамента. Такие швы в бескаркасных зданиях конструируют в виде парных поперечных стен, в каркасных - парных рам. Номинальная ширина осадочных швов первого и второго типа 20 мм.Особенности проектирования сейсмостойких здании, а также зданий, строящихся на просадочных, подрабатываемых и вечномерзлых грунтах, рассмотрены в отдельном разделе.

Рис.4.Наружныестены виды

Конструкции наружных стен классифицируют по признакам:

• статической функции стены, определяемой ее ролью в конструктивной системе здания;
• материала и технологии возведения, щ деляемых строительной системой здания;
• конструктивного решения - в виде однослойной или слоистой ограждающей конструкции.

По статической функции различают несущие, самонесущие или ненесущие конструкции стен (рис. 4).Г

Несущие стены помимо вертикальной нагрузки от собственной массы воспринимая передают фундаментам нагрузки от смежных конструкций: перекрытий, перегородок, крыш и пр.

Самонесущие стены воспринимают вертикальную нагрузку только от собственной массы (включая нагрузку от балконов, эркеров, парапетов и других элементов стены) и передают ее на фундаменты непосредственно либо через цокольные панели, рандбалки, ростверк или другие конструкции.

Таблица 1.Конструкциинаружных стениих применение

1 - кирпич; 2 - мелкий блок; 3, 4 - утеплитель и воздушный прослоек; 5 - легкий бетон; 6 - автоклавный ячеистый бетон; 7 - конструктивный тяжелый или легкий бетон; 8 - бревно; 9 - конопатка; 10 - брус; 11 - деревянный каркас; 12 - пароизоляция; 13 - воздухонепроницаемый слой; 14 - обшивка из досок, водостойкой фанеры, ДСП или др.; 15 - обшивка из неорганических листовых материалов; 16 - металлический или асбестоцементный каркас; 17 - вентилируемый воздушный прослоек

Наружные стены могут быть однослойной или слоистой конструкции. Однослойные стены возводят из панелей, бетонных или каменных блоков, монолитного бетона, камня, кирпича, деревянных бревен или брусьев. В слоистых стенах выполнение разных функций возложено на различные материалы. Функции прочности обеспечивают бетон, камень, дерево; функции долговечности - бетон, камень, дерево или листовой материал (алюминиевые сплавы, эмалированная сталь, асбестоцемент или др.); функции теплоизоляции - эффективные утеплители (минераловатные плиты, фибролит, пенополистирол и др.); функции пароизоляции - рулонные материалы (прокладочный рубероид, фольга и др.), плотный бетон или мастики; декоративные функции-различные облицовочные материалы. В число слоев такой ограждающей конструкции может быть включен воздушный прослоек. Замкнутый-для повышения ее сопротивления теплопередаче, вентилируемый -для защиты помещения от радиационного перегрева либо для уменьшения деформаций наружного облицовочного стены.

Конструкции одно- и многослойных стен могут быть выполнены полносборными или в традиционной технике.

Основные типы конструкций наружных стен и области их применения приведены втабл. 1.

Назначение статической функции наружной стены, выбор материалов и конструкций осуществляют с учетом требований СНиП «Противопожарные нормы проектирования зданий и сооружений». Согласно этим нормам, несущие стены, как правило, должны быть несгораемыми. Применение трудносгораемых несущих стен (например, деревянных оштукатуренных) с пределом огнестойкости не менее 0,5 ч допускается только в одно-двухэтажных домах. Предел огнестойкости несгораемых конструкций стен должен составлять не менее 2 ч, в связи с чем их необходимо выполнять из каменных или бетонных материалов. Высокие требования к огнестойкости несущих стен, а также колонн и столбов обусловлены их ролью в сохранности здания или сооружения. Повреждение при пожаре вертикальных несущих конструкций может привести к обрушению всех опирающихся на них конструкций и здания в целом.

Ненесущие наружные стены проектируют несгораемыми или трудносгораемыми с существенно меньшими пределами огнестойкости (0,25-0,5 ч), так как разрушение этих конструкций от воздействия огня приводит только к локальным повреждениям здания.

Несгораемые ненесущие наружные стены следует применять в жилых домах выше 9 этажей, при меньшей этажности допускается применение трудносгораемых конструкций.

Толщину наружных стен выбирают по наибольшей из величин, полученных в результате статического и теплотехнического расчетов, и назначают в соответствии с конструктивными и теплотехническими особенностями ограждающей конструкции.

В полносборном бетонном домостроении расчетную толщину наружной стены увязывают с ближайшей большей величиной из унифицированного ряда толщин наружных стен, принятых при централизованном изготовлении формовочного оборудования 250, 300, 350, 400 мм для панельных и 300, 400, 500 мм для крупноблочных зданий.

Расчетную толщину каменных стен согласуют с размерами кирпича или камня и принимают равной ближайшей большей конструктивной толщине, получаемой при кладке. При размерах кирпича 250X120X65 или 250Х X 120x88 мм (модульный кирпич) толщина стен сплошной кладки в 1; 1 1/2; 2; 2 1/2 и 3 кирпича (с учетом вертикальных швов по 10 мм между отдельными камнями) составляет 250, 380, 510, 640 и 770 мм.

Конструктивная толщина стены из пиленого камня или легкобетонных мелких блоков, унифицированные размеры которых составляют 390X190X188 мм, при кладке в один камень равна 390 и в 1 /2 г - 490 мм.

Толщину стен из небетонных материалов с эффективными утеплителями в некоторых случаях принимают больше полученной по теплотехническому расчету из-за конструктивных требований: увеличение размеров сечения стены может оказаться необходимым для устройства надежной изоляции стыков и сопряжений с заполнением проемов.

Конструирование стен основано на всестороннем использовании свойств применяемых материалов и решает задачи создания необходимого уровня прочности, устойчивости, долговечности, изоляционных и архитектурно-декоративных качеств.

Пути дальнейшего повышения энергоэффективности зданий

Снижение энергопотребления в строительном секторе - проблема комплексная; тепловая защита отапливаемых зданий и ее контроль являются лишь частью, хотя и важнейшей, общей проблемы. Дальнейшее снижение нормируемых удельных расходов тепловой энергии на отопление жилых и общественных зданий за счет повышения уровня тепловой защиты на ближайшее десятилетие, по-видимому, нецелесообразно. Вероятно, это снижение будет происходить за счет ввода более энергоэффективных систем воздухообмена (режим регулирования воздухообмена по потребности, рекуперации теплоты вытяжного воздуха и пр.) и за счет учета управления режимами внутреннего микроклимата, например, в ночные часы. В связи с этим потребуется доработка алгоритма расчета расхода энергии в общественных зданиях.

Другая часть общей, пока не решенной проблемы - отыскание уровня эффективной тепловой защиты для зданий с системами охлаждения внутреннего воздуха в теплый период года. В этом случае уровень тепловой защиты по условиям энергосбережения может быть выше, чем при расчетах на отопление зданий.

Это означает, что для северных и центральных регионов страны уровень тепловой защиты может устанавливаться из условий энергосбережения при отоплении, а для южных регионов - из условия энергосбережения при охлаждении. По-видимому, целесообразно объединение нормирования расхода горячей воды, газа, электроэнергии на освещение и другие нужды, а также установление единой нормы по удельному расходу энергии здания.

В зависимости от типа нагрузок наружные стены делятся на:

- несущие стены - воспринимающие нагрузки от собственного веса стен по всей высоте здания и ветра, а также от других конструктивных элементов здания (перекрытий, кровли, оборудования, и т.д.);

- самонесущие стены - воспринимающие нагрузки от собственного веса стен по всей высоте здания и ветра;

- ненесущие (в том числе навесные) стены - воспринимающие нагрузки только от собственного веса и ветра в пределах одного этажа и передающие их на внутренние стены и перекрытия здания (типичный пример - стены-заполнители при каркасном домостроении).

Требования к различным типам стен существенно отличаются. В первых двух случаях очень важны прочностные характеристики, т.к. от них во многом зависит устойчивость всего здания. Поэтому материалы, используемые для их возведения, подлежат особому контролю.

Конструктивная система представляет собой взаимосвязанную совокупность вертикальных (стены) и горизонтальных (перекрытия) несущих конструкций здания, которые совместно обеспечивают его прочность, жесткость и устойчивость.

На сегодняшний день наиболее применяемыми конструктивными системами являются каркасная и стеновая (бескаркасная) системы. Следует отметить, что в современных условиях часто функциональные особенности здания и экономические предпосылки приводят к необходимости сочетания обеих конструктивных систем. Поэтому сегодня все большую актуальность приобретает устройство комбинированных систем.

Для бескаркасной конструктивной системы используют следующие стеновые материалы:

Деревянные брусья и бревна;

Керамические и силикатные кирпичи;

Различные блоки (бетонные, керамические, силикатные;

Железобетонные несущие панели 9панельное домостроение).

До недавнего времени бескаркасная система являлась основной в массовом жилищном строительстве домов различной этажности. Но в условиях сегодняшнего рынка, когда сокращение материалоемкости стеновых конструкций при одновременном обеспечении необходимых показателей теплозащиты является одним из самых актуальных вопросов строительства, все большее распространение получает каркасная система возведения зданий.

Каркасные конструкции обладают высокой несущей способностью, малым весом, что позволяет возводить здания разного назначения и различной этажности с применением в качестве ограждающих конструкций широкого спектра материалов: более легких, менее прочных, но в то же время обеспечивающих основные требования по теплозащите, звуко- и шумоизоляции, огнестойкости. Это могут быть штучные материалы или панели (металлические типа сэндвич либо железобетонные). Наружные стены в каркасных зданиях не являются несущими. Поэтому прочностные характеристики стенового заполнения не так важны, как в зданиях бескаркасного типа.

Наружные стены многоэтажных каркасных зданий посредством закладных деталей крепятся к несущим элементам каркаса или опираются на кромки дисков перекрытий. Крепление может осуществляться и посредством специальных кронштейнов, закрепляемых на каркасе.

С точки зрения архитектурной планировки и назначения здания, наиболее перспективным является вариант каркаса со свободной планировкой - перекрытия на несущих колоннах. Здания такого типа позволяют отказаться от типовой планировки квартир, в то время как в зданиях с поперечными или продольными несущими стенами это сделать практически невозможно.

Хорошо зарекомендовали себя каркасные дома и в сейсмически опасных районах.
Для возведения каркаса используются металл, дерево, железобетон, причем железобетонный каркас может быть как монолитный, так и сборный. На сегодняшний день наиболее часто используется жесткий монолитный каркас с заполнением эффективными стеновыми материалами.

Все большее применение находят легкие каркасные металлоконструкции. Возведение здания осуществляется из отдельных конструктивных элементов на строительной площадке; либо из модулей, монтаж которых производится на стройплощадке.

Данная технология имеет несколько основных достоинств. Во-первых, - это быстрое возведение сооружения (короткий срок строительства). Во-вторых, - возможность формирования больших пролетов. И наконец, - легкость конструкции, уменьшающая нагрузку на фундамент. Это позволяет, в частности, устраивать мансардные этажи без усиления фундамента.

Особое место среди металлических каркасных систем занимают системы из термоэлементов (стальных профилей с перфорированными стенками, прерывающими мостики холода).

Наряду с железобетонными и металлическими каркасами давно и хорошо известны деревянные каркасные дома, в которых несущим элементом является деревянный каркас из цельной или клееной древесины. По сравнению с рублеными деревянные каркасные конструкции отличаются большей экономичностью (меньше расход древесины) и минимальной подверженностью усадке.

Несколько особняком стоит еще один способ современного возведения стеновых конструкций - технология с применением несъемных опалубок. Специфика рассматриваемых систем заключается в том, что сами элементы несъемной опалубки не являются несущими. элементами конструкции. В процессе строительства сооружения, путем установки арматуры и заливки бетоном, создается жесткий железобетонный каркас, удовлетворяющий требованиям по прочности и устойчивости.