Архітектурні конструкції

 1. Будинки та їх елементи, основні поняття та визначення

Будівлі - це наземні споруди, що мають внутрішній простір, призначений для проживання, праці, задоволення тих чи інших потреб людини і суспільства (житлові будинки, виробничі корпуси, клуби, лікарні тощо). Термін будівлю непридатний до наземних споруд, які не мають такого внутрішнього простору (мостах, естакадах транспортним, градирень тощо), а також до багатьох підземним і підводним спорудам (тунелях, греблям і т.п.). Ці споруди носять назву інженерних споруд або, для стислості, просто споруд. До них відносяться також і формально схожі на будівлі багатоярусні етажерки промислових підприємств, призначені для періодичного обслуговування технологічного устаткування, водонапірні башти та інші подібні споруди. Внутрішній простір будинків найчастіше розчленоване на окремі приміщення - частини внутрішнього об'єму будівлі, огороджені з усіх боків. 

Сукупність усіх таких приміщень, підлоги яких розташовані на одному рівні, утворює поверх будівлі. Окремі поверхи мають певну назву (рис. 1.1). Підвал - поверх, повністю або більшою своєю частиною заглиблений у землю (званий також підвальний поверх) (а). Напівпідвальний, або цокольний - поверх, рівень підлоги якого заглиблений від рівня тротуару або вимощення не більше ніж на половину висоти приміщення (б). Надземний - поверх (перший, другий, третій і т.п.), розташований вище рівня землі (б, в). Горищний (або горище) - поверх, розташований між дахом і перекриттям над останнім поверхом будинку (так званим горищним перекриттям) (г). Мансардний (або мансарда) - поверх, обгороджених всередині горищного простору, утвореного скатної дахом, і призначений для розміщення житлових або підсобних опалювальних приміщень, площа горизонтальної частини стелі бажано щоб займала не менш 50% площі підлоги, а висота стін до низу похилої частини стелі різна , в залежності від кута нахилу даху (зазвичай не менше 1,4-1,6 м). Технічний - поверх, призначений для розміщення інженерного обладнання і прокладання комунікацій. Може бути розташований у нижній (технічне підпілля), верхній (технічний горище) або в середній частині будинку, а також над проїздами, над першим громадським поверхом житлового будинку і т.п.; у виробничих будівлях необхідність і місця розміщення технічних поверхів встановлюються головним чином вимогами технологічного процесу. Висота технічних поверхів залежить від виду обладнання і комунікацій з урахуванням умов експлуатації, у місцях проходу обслуговуючого персоналу висота в чистоті he1, 9 м. Всі ці та інші приміщення є елементами об'ємно-планувальної структури будівлі. Матеріальну ж оболонку будинку становлять взаємопов'язані конструктивні елементи - самостійні частини або елементи будівлі, кожен з яких має своє певне призначення: стіни, фундаменти, дахи і тому подібне (Рис. 1.2). Конструктивні елементи або складаються з більш дрібних, заздалегідь виготовлених елементів - будівельних виробів, що поставляються на будівництво у готовому вигляді (збірних плит, сходинок, покрівельних виробів тощо),  або зводяться на місці з будівельних матеріалів.

У залежності від величини будівельні вироби бувають дрібноштучними (або просто штучними - їх можна взяти рукою, наприклад, цегла), великими і т.д. Конструктивні елементи поділяють на несучі і огороджувальні. Такий підрозділ пов'язано з призначенням цих елементів, з умовами їх роботи в структурі будівлі при сприйнятті тих чи інших сполучень навантажень і впливів, до яких схильне будівля та її елементи як в ході будівництва, так і в процесі експлуатації. Впливу за своїм характером поділяються на дві групи: силові та несилові. До силовим (або механічним) відносяться: навантаження від власної маси частин будівлі, від людей, меблів, обладнання, снігових відкладень, від тиску вітру, сейсмічні, ударні та ін Впливу несилового характеру: атмосферні опади; потоки тепла і вологи, впливи, викликані різницями температур або різницями потенціалів вологості зовнішнього і внутрішнього повітря; шум і вібрація, що йдуть ззовні або від сусідніх приміщень або викликані роботою інженерного обладнання; інфільтрація повітря через нещільність і т.п . Призначення несучих конструктивних елементів будівлі (або, як прийнято говорити, несучих конструкцій) - сприймати всі види навантажень і впливів силового характеру, які можуть виникати в будинку, і передавати їх через фундаменти на грунт. Призначення огороджуючих конструктивних елементів будівлі (або огороджувальних конструкцій) - ізолювати простір будівлі від зовнішнього середовища, розділяти це простір на окремі приміщення і захищати (огороджувати) ці приміщення і простір будівлі в цілому на всі види впливів несилового характеру. Приклади несучих конструкцій: фундаменти, стіни, колони, балки тощо; огороджувальних: перегородки, покрівлі, вікна, двері і т.п. Багато конструктивних елементи є одночасно і несучими, і огороджувальними - в них несучі та огороджувальні функції суміщені. Найбільш характерним прикладом такого поєднання функцій є зовнішні і внутрішні несучі стіни, які одночасно можуть бути і огороджувальними конструкціями, і вертикальними опорами для розміщуваних на них горизонтальних конструктивних елементів.

Якщо стіни виконують тільки огороджувальні функції, їх називають ненесучими. При цьому розрізняють самонесучі стіни і навісні. До перших відносять стіни висотою в один або кілька поверхів, які спираються на фундамент і передають йому вертикальні навантаження лише від їх власної маси. Навісними називають стіни, розчленовані на окремі елементи і навішує на несучі вертикальні або горизонтальні конструкції будівлі (рис. 1.3.). Інший тип вертикальних несучих конструкцій - окремо розташовані вертикальні опори. Так називають вертикальні опори, один розмір яких (висота) значно перевищує два інших - товщину і ширину: це колони, або стійки, і стовпи. Фундаменти - підземні конструктивні елементи будинків, що сприймають усі навантаження від вищерозташованих вертикальних елементів несучого кістяка та передавальні ці навантаження на підставу. Підставою називають грунт, безпосередньо сприймає навантаження. Воно може бути природним (грунти у природному стані) і штучним (грунти з штучно зміненими властивостями за рахунок ущільнення, зміцнення і т.п.). Фундаменти можуть виконуватися у вигляді суцільних стін (стрічок) - стрічкові фундаменти і окремих стовпів - стовпчасті фундаменти. У будинках з підвалами стрічкові фундаменти є одночасно і стінами цих підземних приміщень, відчуваючи додатково до інших навантажень горизонтальний тиск грунту. Перекриття - горизонтальні конструкції, що розділяють будівлю на поверхи; одночасно виконують несучі та огороджувальні функції, тому що призначені для розміщення людей, обладнання, меблів, навантаження від яких перекриття сприймають і передають на вертикальні опори. Розрізняють перекриття: міжповерхові (розділяють суміжні поверхи), горищні (розділяють останній поверх і горище), надпідвальне, над проїздами і т.д. Ізолюючі шари і інші елементи, що входять до складу цих перекриттів, різні. Нижня поверхня перекриттів називається стелею, той же термін відноситься і до самостійних елементів, при необхідності входять до складу перекриттів або застосовуваним автономно: акустичний стеля, підвісний, декоративний і т.п. 

Дах - верхня конструкція, що відокремлює приміщення будівлі від зовнішнього середовища і захищає їх від атмосферних опадів та інших зовнішніх впливів. Складається з несучої частини (крокв) і ізолюючих (огороджувальних) частин, у тому числі - зовнішньої водонепроникної оболонки - покрівлі. Дахи влаштовують горищні та бесчердачниє. Горищні (над горищем) бувають холодними (теплозахисні функції виконує горищне перекриття) і утепленими. Утеплена або, як кажуть, тепла дах влаштовується при наявності та при відсутності горища, коли функції горищного перекриття та покрівлі поєднуються (в останньому випадку застосовуються назви: сполучена дах, суміщене покриття безчердачною перекриття). Ці терміни притаманні, в основному, житлово-цивільного будівництва. У промисловому будівництві в тому ж сенсі вживається термін покриття. У виробничих будівлях горища зазвичай не прийняті, а термін дахах найчастіше асоціюється з похилими поверхнями (скатами) дахів житлових будинків, які правильніше називати скатні даху. Перегородки - тонкі стіни - вертикальні огороджувальні конструкції, що відокремлюють в межах поверху одне приміщення від іншого. Вони спираються на міжповерхові перекриття або на підлогу перших поверхів. Сходи - похилі ступінчасті конструктивні елементи в будівлях і спорудах, призначені для вертикальних комунікацій. Часто, з метою їх захисту від вогню і задимлення, сходи відгороджують від решти приміщень вогнетривкими вертикальними стінами. Ці стіни, простір, обгороджених ними, і розташовані в ньому сходи і майданчики називають сходовою кліткою. Об'ємно-планувальний елемент будівлі, що включає сходову клітку, що примикають до неї шахти ліфтів (стіни, в яких розташований ліфт) і обслуговуючі їх майданчики, називають сходово-ліфтовим вузлом. Елементи стін і перегородок - віконні та дверні прорізи - заповнюють віконними і дверними блоками. Віконні блоки складаються з коробок і віконних плетінь; дверні - з коробок і дверних полотен. Значні за площею прорізи в стінах, заповнені огороджувальної свегопрозрачной конструкцією, називають вітражами. Всі види огороджувальних світлопрозорих поверхонь називають світлопрозорими огорожами. До конструктивних елементів будинків відноситься також ряд додаткових, багато з яких будуть розглянуті, а саме: еркери, лоджії, балкони, веранди, трибуни, ліхтарі тощо; до них відносяться також санітарно-технічні пристрої та інженерне обладнання будівель. Основні конструктивні елементи будинку - горизонтальні (перекриття, покриття), вертикальні (стіни, колони) і фундаменти. Узяті разом, вони становлять єдину просторову систему - несучий кістяк будинку, надійно забезпечує сприйняття та передачу на основани е всіх видів навантажень і механічних (силових) впливів, що виникають у процесі експлуатації будівлі.

2. Загальні принципи проектування несучого кістяка і його елементів

Найважливіше призначення несучого кістяка - конструктивної основи будинку - полягає в сприйнятті навантажень, діючих на будівлю, роботі на зусилля від цих навантажень із забезпеченням конструкціям необхідних експлуатаційних якостей протягом всього терміну їх служби. Навантаження ділять на дві групи: постійні і тимчасові. Постійні - це власна вага всіх без винятку елементів будівлі та інші види навантажень. До тимчасових відносять: корисні, тобто функціонально необхідні - навантаження від періодично перебувають у приміщеннях людей, стаціонарного або пересувного обладнання тощо; навантаження, пов'язані з природними чинниками району будівництва (снігові, вітрові, сейсмічні, температурні впливу) і ін Тимчасові навантаження поділяють на довготривалі, короткочасні і особливі; при розрахунках їх враховують у різних поєднаннях. За характером дії навантаження можуть бути статичними (наприклад, від власної маси) або динамічними (пориви вітру, вибухові вібрації та ін.) За місцем докладання зусиль розрізняють навантаження зосереджені (вага обладнання) і рівномірно розподілені (від снігового покриву і т.п.). За направленням навантаження можуть бути горизонтальними (вітрової натиск, гальмівні сили рухомого обладнання, сейсмічні навантаження) і вертикальними (вага). Навантаження важливо враховувати не тільки в розрахунках, а й на всіх стадіях проектування як кількісних критеріїв оцінки прийнятих рішень. Справа в тому, що залежно від умов, для одних і тих же видів навантажень може бути значною різниця їх нормованих (нормативних) значень. Так, величина рівномірно розподілених корисних навантажень на перекриття житлових будівель може відрізнятися від тих же навантажень виробничих будівель в 10 ... 20 разів і більше (р = 1,5 ... 30 кН/м2), що істотно при встановленні параметрів і типів перекриттів. Нормативні снігові навантаження, в залежності від району будівництва, відрізняються в 5 разів (0,5 ... 2,5 кН / м 2). Тому для снігових районів істотна форма дахів; наприклад, при перепадах висот елементів будівель утворюються замети снігу - снігові мішки (зайва маса, труднощі зі збиранням і т.п.). Значна різниця і у величині швидкісних напорів вітру (0,27 ... 1,0 кН / м 2), особливо несприятливих у гірських районах і на узбережжях морів. Ці нормативні значення зростають і в міру зростання поверховості будівель - до двох і більше разів; тому в міру збільшення їхньої висоти будівлі стають все більш складними інженерними спорудами. Типи несучих кістяків. Горизонтальні несучі елементи перекриттів (покриттів) призначені, перш за все, для роботи при дії на них різноманітних вертикальних навантажень, які у вигляді опорних реакцій передаються на вертикальні опори. На рис.2 II.1 А показаний механізм впливів вертикальних рівномірно розподілених навантажень р на вертикальні опори: а - плити (2) в прольоті 1 спираються на стіни; розрахунковий проліт плити L менше L, тому що спираються плити лише на частину стіни; уздовж стіни на кожну одиницю її довжини (1 п.м.) діє сила q = р F / 2, де F = LI, інакше кажучи, на стіни діє рівномірно розподілене навантаження (9): q = р б - плити (2) спираються на ригелі (5), відстань між якими дорівнює /. Аналогічно попередньому, рівномірно розподілене навантаження q = IL / 2, але вже на ригель (5), який опертя на стіну і передає цій стіні вже зосереджене навантаження (10); в - аналогічна картина при закріпленні ригелів на стовпи. Вертикальні несучі конструкції сприймають всі види впливів і навантажень, що виникають у процесі експлуатації будівлі, і через фундаменти передають їх на грунт (на основу), що показано на рис, II.1 Б. З цього малюнка також видно, що перекриття одночасно є і горизонтальними діафрагмами, що сприймають у своїй площині згинальні і зсувні зусилля від горизонтальних навантажень, забезпечуючи геометричну незмінність будівлі в кожному з горизонтальних рівнів, спільну роботу вертикальних опор при таких навантаженнях, перерозподіл зусиль між ними і т.п. З вищезазначеного випливає, що вертикальні опори є визначальною ознакою для класифікації несучих кістяків за типами. Відомі два типи вертикальних опор (див. рис. II.1): стрижневі - колони або стояка каркасу: площинні - стіни (можна також віднести до несучих опор об'ємні масиви типу пілонів і т.п., тобто такі елементи, у яких всі три генеральні розміру приблизно одного порядку, але подібні опори зустрічаються вкрай рідко). Так, стіна, незалежно від того, складена вона з колод, виконана з цегли або зі збірних панелей, завжди розглядається як площинний елемент, один розмір якого (товщина) значно менше за інших генеральних розмірів. Виходячи з такого визначення, розрізняють два основні типи несучого кістяка будівель: каркасний і стіновий (безкаркасний). Третій - комбінований (або змішаний) - складається з різних поєднань стрижневих і площинних вертикальних елементів (стійок каркаса і стін). Необхідно відзначити й існування таких несучих кістяків, в яких вертикальні опори взагалі відсутні, а похила конструкція покриття спирається безпосередньо на фундамент (арки, трикутні рами і т.п.). Такі споруди, що застосовуються при будівництві складів, ангарів, спортивних споруд тощо, називають шатровими. 

Вся сукупність конструктивних елементів несучого кістяка багатоповерхових будинків у кожному окремому випадку об'єднана між собою, утворюючи в просторі єдність закономірно розташованих частин, тобто систему, яку називають конструктивної, тобто спосіб розміщення несучих горизонтальних і вертикальних конструкцій в просторі, їх взаємне розташування, спосіб передачі зусиль і т.п. 

Види конструктивних систем при стіновому несучому кістяку (рис. IL2 1, 2, 3) 1. Системи з подовжньо розташованими несучими стінами або, як прийнято говорити, з поздовжніми несучими стінами, розташованими вздовж довгої, фасадної сторони будівлі і паралельно їй. Таких паралельно розташованих стін може бути дві, три, чотири. Відповідно побутують спрощені назви таких стінових кістяків: двухстенка, трехстенка і т.п. 2. Системи з поперечно розташованими (з поперечними) несучими стінами. Різновиди: з широким кроком (більше 4,8 м); вузьким кроком (3,0 ... 4,8 м); сосмешаннимі кроками. 3. Системи з перехресним розташуванням несучих стін (перехресно-стінова).

3. Підстави і фундаменти. Відомості про роботу грунту під навантаженням.  Види грунтів та їх найважливіші характеристики

Підстави і фундаменти. Відомості про роботу грунту під навантаженням Грунти - це геологічні породи, що залягають у верхніх шарах земної кори, що складаються з твердих частинок (зерен) різної крупності (скелету грунту) і пор, заповнених чи повітрям повністю, або частково водою. Підставою називають товщу грунту, безпосередньо сприймає навантаження від фундаментів будинку чи споруди. Підстава, здатне сприймати навантаження без попереднього посилення грунтів називають природним. Підстава, здатне сприймати навантаження тільки після проведення заходів щодо посилення грунтів, називають штучним. Внаслідок тиску, переданого будівлею на основу, грунти під фундаментом відчувають значні стискаючі зусилля. Під дією цих зусиль грунти рівномірно ущільнюються. Такі рівномірні деформації називають осадкою грунту, яка викликає осідання фундаментів. Нерівномірні деформації грунту, що відбуваються в результаті ущільнення і, як правило, докорінної зміни структури грунту під впливом зовнішніх навантажень власної маси грунту та інших факторів (замочування просадного грунту, подтаіваніе лінз льоду в грунті і т. д.), називають осіданнями. Вони можуть викликати повороти фундаментів і т. п. аж до руйнування. Осідання підстав неприпустимі. Для того щоб опади не надали небезпечних впливів на працюючі під навантаженням конструкції, а також не вплинули на умови експлуатації будівель, встановлені граничні величини деформацій основи та напружень у грунті, що виникають під підошвою фундаментів.