Чем отличаются каркасные и бескаркасные здания
GardenWeb
Конструктивные типы здании
Несущие конструкции здания — фундаменты, стены, колонны, перекрытия, соединяясь в пространстве между собой, образуют несущий остов здания.
По особенностям пространственного расположения несущих элементов остова различают конструктивные типы зданий.
Бескаркасный (с несущими стенами) в виде системы ячеек, образованных стенами и перекрытиями. Здесь наружные и внутренние стены воспринимают нагрузки от междуэтажных перекрытий и покрытия. Этот конструктивный тип получил широкое распространение при возведении жилых домов, школ и других общественных зданий.
Каркасный тип представляет собой пространственную систему, состоящую из колонн и междуэтажного перекрытия. Несущей основой здания служат колонны, ригели и перекрытия, а роль ограждающих элементов выполняют наружные стены Такой конструктивный тип используется для возведения высотных зданий и там, где необходимы помещения значительных размеров, свободные от внутренних опор.
Неполный каркас. Здесь наряду с внутренним рядом колонн нагрузку от междуэтажных перекрытий воспринимают наружные стены. Такой конструктивный тип в современном строительстве имеет ограниченное применение.
Здание любого типа находится под воздействием различных нагрузок и поэтому должно обладать:
– прочностью, т. е. способностью здания и его отдельных элементов не разрушаться от действия приложенных нагрузок;
– устойчивостью, т. е. способностью здания сопротивляться опрокидыванию при действии горизонтальных нагрузок;
– пространственной жесткостью, т. е. способностью здания и его элементов сохранять первоначальную форму при действии приложенных сил.
Пространственная жесткость бескаркасных зданий обеспечивается:
– внутренними поперечными стенами, в том числе стенами лестничных клеток, связанными с наружными продольными стенами;
– междуэтажными перекрытиями, связывающими стены и расчленяющими их по высоте здания на отдельные ярусы.
Этот тип здания отличается достаточной пространственной жесткостью и устойчивостью.
Пространственная жесткость каркасных зданий обеспечивается:
– совместной работой колонн, связанных между собой ригелями и перекрытиями и образующих геометрически неизменяемую систему;
– установкой между колоннами стенок жесткости и стальных вертикальных связей;
– сопряжением стен лестничных клеток, лифтовых шахт с конструкциями каркаса;
– укладкой в междуэтажных перекрытиях (между колоннами) настилов-распорок;
– надежным соединением стыков.
§ 2.1. Конструктивные схемы зданий
Основные несущие элементы (фундаменты, стены и т. д.) в совокупности образуют несущий остов здания, который воспринимает все нагрузки, воздействующие на здание, и передает их на основание, а также обеспечивает пространственную неизменяемость (жесткость) и устойчивость здания.
По конструктивной схеме несущего остова здания подразделяются на бескаркасные, каркасные и с неполным каркасом. В бескаркасных зданиях основными вертикальными несущими элементами служат стены, в каркасных — отдельные опоры (колонны, столбы), в зданиях с неполным каркасом — и стены, и отдельные опоры.
Жилые и общественные здания, как правило, строят из кирпича, камней и из крупноразмерных деталей и элементов: крупноблочные, крупнопанельные и объемно-блочные.
Рис. 2. Конструктивные схемы бескаркасных зданий с несущими стенами:
а — продольными, б — поперечными и продольными
Бескаркасные здания из кирпича и мелких камней возводят обычно с продольными несущими (рис. 2, а) наружными и внутренними стенами. Поперечные стены в таких зданиях устраивают преимущественно в лестничных клетках, в местах, где проходят дымовые и вентиляционные каналы, а также в промежутках между ними для придания большей устойчивости продольным стенам и зданию в целом. В зданиях с поперечными несущими стенами продольные наружные стены являются самонесущими, а перекрытия опираются на поперечные стены. Возводятся также бескаркасные здания, у которых несущими являются как поперечные, так и продольные стены (рис. 2, б). В таких зданиях панели перекрытий размером на комнату опираются всеми четырьмя сторонами на поперечные и продольные стены.
Бескаркасные крупноблочные здания со стенами из бетонных и других блоков имеют конструктивную схему с поперечными и продольными несущими стенами (рис. 3). Общественные многоэтажные здания чаще возводят с продольными несущими стенами. При этом в зависимости от ширины здания может быть не одна, а две внутренние продольные стены.
Бескаркасные крупнопанельные здания бывают: с тремя продольными несущими стенами; с поперечными несущими стенами-перегородками, устанавливаемые с малым или большим шагом (расстоянием) друг от друга.
В домах с поперечными несущими стенами-перегородками (рис. 4) все основные элементы несущие: поперечные стены-перегородки, внутренняя продольная и наружные стены. Панели перекрытий имеют опоры по четырем сторонам. При этом наружные стеновые панели 2, которые мало отличаются от наружных панелей в домах с продольными несущими стенами, считаются также несущими. Перегородочные панели 4 и панели внутренней продольной стены в таких домах изготовляют из тяжелого (конструктивного) бетона.
Рис. 4. Конструктивная схема крупнопанельного дома с несущими стенами-перегородками:
1 — наружные панели, 2 — санитарно-технические кабины, 3 — несущие перегородки, 4 — внутренние несущие поперечные стены (перегородки), 5 — панели перекрытия, 6 — цокольные панели, 7 — блоки фундаментов
Каркасными сооружают, как правило, общественные и административные здания. В последние годы начали строить также и каркасные многоэтажные жилые дома.
Несущий каркас состоит из колонн и ригелей, выполняемых в виде балок с четвертями для рпирания конструкций перекрытий. Скрепленные между собой колонны и ригели образуют несущие рамы, воспринимающие вертикальные и горизонтальные нагрузки здания. Наружные стены зданий могут выполняться как самонесущие. В этом случае они опираются непосредственно на фундаменты или на фундаментные балки, устанавливаемые по столбчатым фундаментам. Ненесущие наружные стены в виде навесных панелей прикрепляют к наружным колоннам каркаса.
В зданиях с неполным каркасом наружные стены делают несущими, а колонны располагают лишь по внутренним осям здания. При этом ригели укладывают между колоннами, в иногда и между колоннами и наружными стенами.
Объемно-блочные здания возводят из крупноразмерных элементов — объемных блоков, которые представляют собой готовую часть здания, например комнату. Размеры объемных блоков зависят от схемы разрезки здания на блоки-комнаты. Такие дома имеют две конструктивые схемы: блочную и блочно-панельную. Блочные здания возводят только из объемных блоков, устанавливаемых вплотную друг к другу, в блочно-панельных — объемные блоки устанавливают на расстоянии один от другого так, что между ними образуется комната, которую перекрывают панелями.
Производственные здания строят одно-и многоэтажными. Основные конструктивные элементы их выполняют те же функции, что и в гражданских.
Одноэтажные бескаркасные здания возводят с несущими наружными и внутренними стенами.
Здания с неполным каркасом имеют внутренний каркас (колонны или столбы, ригели) и несущие наружные стены. Конструктивная схема таких зданий аналогична схеме гражданских; в таких зданиях может быть один ряд или несколько внутренних несущих колонн или столбов в зависимости от ширины здания.
Рис. 5. Схемы каркасов одноэтажных промышленных зданий:
а — с плоской, б — со скатной кровлей; 1 — фундаментные балки (рандбалки), 2 — фундаменты, 3 — колонны крайнего ряда, 4 — колонны среднего ряда, 5 — подкрановые балки, 6 — балки покрытия, 7 — панели покрытия, 8 — воронка водостока, 9 — утеплитель и кровля, 10 — парапет, 11 — панели стены, 12 — оконные переплеты, 13 — пол по грунту, 14 — фонарь, 15 — стропильные фермы
Одноэтажные каркасные здания возводят с самонесущими или ненесущими навесными наружными стенами, все конструкции внутри здания опираются на элементы каркаса. Здания бывают многопролетные с пролетами одинаковой (см. рис. 5) или разной ширины и высоты или однопро-летные. Покрытия делают плоские (рис. 5, а) или скатные (рис. 5, б), с бесфонарными или фонарными надстройками.
Основные элементы каркаса: колонны 3 и 4, балки 6 покрытий или стропильные фермы 15, которые образуют плоские поперечные рамы. Рамы устанавливают на расстоянии 6 или 12 м друг от друга. Эти элементы каркаса бывают стальными и железобетонными. На рамы опирают продольные элементы каркаса: подкрановые балки 5, по которым прокладывают пути для мостовых кранов: ригели стенового каркаса (фахверка), используемого для крепления оконных переплетов 12 и стеновых ограждающих панелей в случае вертикальной разрезки их; панели покрытий 7 или прогоны кровли, по которым укладывают листы профилированной стали или панели из асбестоцементных листов и других материалов: фонари 14, назначение которых — обеспечить естественную аэрацию и освещение зданий.
Стены устраивают из кирпича, панелей, навесных крупноразмерных железобетонных, армопенобетонных, асбестоцементных и других плит, которые прикрепляют непосредственно к колоннам каркаса.
Сравнение каркасного и бескаркасного строительства ангаров.
Бескаркасные ангары представляют собой быстровозводимые металлические конструкции, собираемые по современной технологии. Технология бескаркасного строительства на протяжении десятилетий применяется в развитых странах, и все увереннее завоевывает российский рынок быстровозводимых зданий.
Основа металлоконструкции – арочные элементы, выполняющие одновременно несущую и ограждающую функцию. Легкий вес элементов снижает вес металлоконструкции в целом, не требует возведения фундамента и позволяет строить бескаркасный ангар практически на любом грунте, что сокращает не только сроки строительства, но и затраты на него.
Мы предлагаем наглядно убедиться в преимуществе бескаркасного строительства на конкретных примерах и цифрах.
Миф №1. Каркасный ангар может быть дешевле бескаркасного ангара.
Каркасный ангар состоит из металлокаркаса и внешнего ограждения, выполняемого, как правило, из профнастила толщиной 0,5 мм. Компании, предлагающие строительство каркасных ангаров, иногда хитрят и говорят о стоимости своих сооружений в районе 1.600-1.800 руб. за 1м2.
Нужно понимать, что речь, в этом случае, идет только о каркасе ангара. Если к этой цене прибавить затраты на внешнее ограждение (профнастил), фундамент, логистику и строительно-монтажные работы, то цена существенно вырастет и составит в среднем 5.000-7.000 руб. за 1м2.
При использовании бескаркасной технологии строительства все элементы сооружения соединяются между собой в замок и вальцуются, что придает 100% герметичность металлоконструкции и позволяет не только сэкономить на крепежных элементах, но и снизить эксплуатационные затраты по гидроизоляции конструкции.
Использование технологии бескаркасного строительства позволяет существенно снизить цену 1м2. Арочный ангар в среднем обходится заказчику в 2.500-3.000 руб. за 1м2 «под ключ».
Миф №2. Для организации складов выгоднее использовать каркасные ангары.
Использование прямостенных ангаров при организации складского хозяйства удобно тем, что такая форма конструкции позволяет полностью использовать внутреннее пространство. Тем не менее, если учесть разницу в стоимости 1м2 каркасного и бескаркасного ангаров, то получится, что экономически все-таки выгоднее строить бескаркасные сооружения. Докажем это на примере.
Допустим, нам требуется складской объем 18*36*4 м. Рассчитаем стоимость каркасного и бескаркасного ангаров, удовлетворяющих заданным параметрам. Будем учитывать, что стоимость 1 м2 бескаркасного сооружения – 2.500 руб., а каркасного – 5.000 руб.
Как видно на рисунке, чтобы «разместить» требуемый складской объем, нам потребуется каркасный склад размером 36*18 м или бескаркасный арочный ангар 36*20 м. Каркасный ангар обойдется в 3 млн. 240 тыс. руб. (36*18*5000), а бескаркасный – в 1 млн. 800 тыс. (36*20*2500) руб. Экономия составит 44,5% от стоимости каркасного склада.
Таким образом, бескаркасное сооружение хоть и потребовало строительства дополнительных квадратных метров, но все равно осталось почти в два раза дешевле.
Получается, что ангары, выполненные по технологии бескаркасного строительства, являются наиболее выгодным вариантом, поскольку быстро окупаются.
Миф №3. Каркасные ангары прочнее и долговечнее бескаркасных.
Наличие массивного металлокаркаса, безусловно, увеличивает прочность сооружения. Но вместе с тем растет и расход металла, а значит и стоимость сооружения. Кроме того, наличие каркаса не убережет от разрушения (падения), если монтаж каркаса произведен до набора бетоном необходимого уровня прочности. Кроме того, внешнее ограждение (стены, крыша) производится из профнастила толщиной 0,5 мм. Небольшая толщина профнастила (в целях снижения затрат) приводит к разрушению элементов внешнего ограждения под воздействием факторов внешней среды: снега, ветра, сейсмических колебаний. Это влечет за собой ежегодные затраты по восстановлению части внешнего ограждения.
Бескаркасный ангар производится нашими специалистами на месте из ГОСТовской рулонной стали горячего катания толщиной 1,2-1,5 мм. Такие параметры позволяют построенным ангарам выдерживать существующие снеговые и ветровые нагрузки региона строительства. Кроме того, оцинкованная сталь дает возможность сэкономить на антикоррозийной обработке.
По прочности бескаркасные ангары несколько уступают каркасным сооружениям (ввиду отсутствия массивного каркаса), но полностью соответствуют нормам региона строительства; срок использования и каркасных и бескаркасных сооружений составляет 30-50 лет. Разница лишь в том, что бескаркасные сооружения не требуют затрат по ремонту и обслуживанию.
Миф №4. Каркасные ангары строятся быстрее арочных ангаров.
Возведение каркасного ангара начинается с заливки глубоких фундаментов, необходимость в которых обусловлена массивностью и тяжеловесностью самого каркаса. Бетон должен набрать прочность. Это занимает от 10-15 дней при благоприятных климатических условиях. При возведении каркасных зданий фундаментные работы являются ключевыми, так как риск разрушения каркасного ангара связан, прежде всего, с преждевременным началом монтажа металлокаркаса, когда бетон еще не набрал необходимой прочности. Второй этап – монтаж каркаса ангара. Затем производится монтаж внешнего ограждения – покрытия стен и кровли.
Строительство бескаркасного ангара начинается с монтажа арочной конструкции, а фундаментные работы выполняются на заключительном этапе.
Каждый элемент бескаркасного ангара по своему функциональному признаку является одновременно несущей и ограждающей конструкцией, что позволяет существенно уменьшить сроки изготовления элементов ангара (1-3 дня) и сроки монтажа конструкции (3-5 дней). Кроме того, фундамент при монтаже арочных ангаров играет скорее эстетическую роль, делает вид ангара законченным.
Поэтому строительство бескаркасного ангара производится примерно в 1,5-2 раза быстрее каркасного аналога.
Итак, подведем итоги
Отсутствие затрат по возведению фундамента дает существенную экономию средств, а использование технологии бескаркасного строительства в целом позволяет снизить цену за 1м2 ангара почти в два раза.
Кроме того, технология бескаркасного строительства позволяет изготавливать элементы сооружения непосредственно на строительной площадке, что исключает транспортные расходы.
Бескаркасное сооружение – это 100% герметичная металлоконструкция, что позволяет не только сэкономить на крепежных деталях, но и снизить эксплуатационные затраты по гидроизоляции конструкции, так как способ соединения деталей и отсутствие технологических отверстий конструкции делает ее водонепроницаемой.
Так как в качестве материала для внешнего ограждения используется высококачественная оцинкованная сталь, отпадает необходимость в антикоррозийной обработке сооружения.
Ангары, построенные из рулонной стали, способны выдерживать снеговые и ветровые нагрузки, соответствующие нормам региона строительства, и не требуют затрат по ремонту и последующему обслуживанию внешнего ограждения.
Бескаркасное сооружение при этом не уступает в прочности каркасному. Срок эксплуатации у обоих сооружений одинаков. Сфера применения не ограничивается складами и хранилищами, это может быть рабочий цех, гараж, спортивный комплекс и даже торговый центр. Размеры ангаров могут быть любой длины с шириной пролета до 24 м, высотой в коньке до 12 м.
Строительство бескаркасного ангара производится примерно в 1,5-2 раза быстрее каркасного аналога. Так как нет необходимости в возведении фундамента, срок монтажа конструкции составляет всего 3-5 дней!
—ЦБС , Калининград.
Каркасные и бескаркасные панельные системы
Каркас как конструктивная система известна с древнейших времен. Многие народы используют деревянный каркас при устройстве жилища. Особенно интересны свайные каркасные сооружения, в которых жилище поднято на столбы, — идея, получившая в наш век новую интерпретацию. Но о профессионально отработанной конструктивной системе каркаса можно говорить только в связи с архитектурой Древнего Китая, где она возникла уже в период Шан и затем получила законченное выражение в пяти стандартизированных типах зданий. Другая ветвь каркасной системы развивалась в странах Западной Европы, где, например в Германии (IX—XIII вв.), были построены многоэтажные здания с деревянным каркасом, заполненным глиняными панелями или камнем. Следующий этап Развития каркаса — замечательные творения мастеров готики, впервые создавших систему каменного каркаса, включавшую в себя несущие столбы, стрельчатые арки, нервюрные своды, аркбутаны.
В XIX—XX вв. перед зодчими в использовании каркаса раскрылись новые, практически неограниченные перспективы благодаря развитию металлических, а затем и железобетонных конструкций. «Исходной формой архитектуры был деревянный каркас, — писал О Перре, — рождается и железобетонный, который в недалеком будущем сделает настоящую архитектуру достоянием всей планеты». В жилом доме О. Перре (1903), московских торговых домах Ф. Шехтеля (1903—1910), в ряде промышленных зданий, построенных по проектам А. Ф. Лолейта, А. В. Кузнецова и др., в начале нашего века получает развитие многоэтажный железобетонный каркас. Это был преимущественно монолитный каркас рамного типа (колонна, балка, плита), представляющая собой жесткую пространственную систему с фахверковым заполнением стен.
Типы железобетонных каркасов
1 – неполный (внутренний) каркас;
2 – полный;
3,7 – безбалочный;
4 – рамочный;
5,6,8 – рамно-консольный каркас
Террасная и башенная формы каркасных железобетонных зданий
В настоящее время архитектура располагает разнообразием железобетонных каркасных систем, отличающихся по принципу статической работы, способам соединения элементов и их форме, параметрам, технологии изготовления и монтажа. Принцип классификации каркасных систем в архитектуре должен исходить не только из материала и конструкции, но и из присущих им пространства и Объёма. Впервые эти принципы были интерпретированы Ле Корбюзье в проекте «Домино» в 1914 г., где применены свободный план, горизонтальные окна и пр. Исходя из анализа практики проектирования железобетонных каркасных зданий, нам представляется целесообразным применить следующую архитектурную классификацию каркасов:
Неполный (внутренний) каркас — комбинированная система, в которой каркас влияет только на организацию внутреннего пространства. Несущие наружные стены определяют внешний облик здания, типичный для стеновой системы. Способом выражения тектоники такого здания могут быть пилястры наружных стен, отвечающие структуре и шагу каркаса;
Полный каркас связевого или рамно-консольного типа. Каркас связевого типа представляет собой замкнутую самонесущую систему, наружные сетки или ячейки которой заполнены вкладышами из различных материалов или панельными стенами навесной конструкции. Является основным видом каркаса для общественных зданий. В каркасе рамно-консольного типа конструкция перекрытий выходит за наружные контуры, что позволяет наружные стены сделать навесными, а несущие колонны скрыть внутри здания. Такой каркас применяется обычно в жилых зданиях;
Каркасы с безбалочными перекрытиями являются самостоятельным типом со своими архитектурными особенностями. Такая система дает максимальные возможности для решения внутреннего пространства (за счет применения широкого шага колонн), а также выбора конфигурации плана. К этой же группе следует отнести каркасы зданий, возводимых методом подъёма перекрытий.
Некоторые экспериментальные системы каркаса в силу ряда причин получили локальное применение. К их числу следует отнести рамочно-панельную систему, предложенную впервые в СССР В. В. Михайловым (1956). Особенностью ее является несущая железобетонная рамка, окаймляющая панель. При монтаже вертикальные стойки двух или четырех панелей образуют стойку каркаса. На основе этой системы были построены экспериментальные жилые дома в СССР и большое число многоэтажных жилых домов в Чехословакии. В 70-е годы подобного рода сборно-монолитный рамный каркас был предложен и внедрен в Ереване архит. Р. Бадаляном.
Каркас собирается из элементов одного типа —рамок 6,1Х3,3 м сечением 15X30 см. Для замоноличивания каркаса между рамками и по вертикали закладывается арматура, после замоноличивания узлов образуется пространственный каркас. Первые попытки унифицировать параметры каркасно-панельных зданий были предприняты в Москве (МНИИТЭП, Моспроект-1) и в Киеве. На основе длительных исследований и технико-экономического анализа установлено, что каркас связевого типа является наиболее рациональным, так как позволяет обеспечить высокую прочность сооружения и в то же время дает экономию металла на 15% по сравнению с каркасом рамного типа.
Усовершенствованный (связевый) каркас ИИ-04 был разработан в 1972—1973 гг. и утвержден Госгражданстроем. В номенклатуру этого каркаса входят колонны высотой в 1—3 этажа (при высоте этажа 3,3; 3,6; 4,2 м) и сечением 30X30 и 40X40 см; диафрагмы жесткости; панели стен и перекрытий; ригели. В Москве на основе усовершенствованного каркаса построено несколько крупных зданий, в частности Институт хирургии им. А. В. Вишневского, Институт стандартов, многоэтажные жилые дома в микрорайоне Лебедь. В этих зданиях найдены новые формы, особенно в решении первых этажей зданий, поднятых на столбы. Однако нельзя считать целесообразным повсеместное применение каркаса ИИ-04. Очевидно, в городах, имеющих крупную индустриальную строительную базу, следует разрабатывать свои разновидности каркасов, позволяющие придать городу своеобразие.
Новой по своей конструкторской идее можно считать разработку системы со скрытым сталежелезобетонным каркасом (И. Д. Дмитриев, В. И. Ленский, А. Я. Пригожий и др.). Заключается она в том, что панели из легкого бетона с бортовыми элементами из профильного металла после монтажа и сварки образуют несущий пространственный каркас, наподобие рамочно-панельной системы В. В. Михайлова. В 1977 г. в Москве начато строительство первых многоэтажных зданий по этой системе. Из новых систем, предложенных за рубежом, следует отметить каркас из крестообразных элементов и каркас с корытообразной формой перекрытия. Своеобразная форма наружной колонны этого каркаса, совмещение панели перекрытия с ограждением стены, большие пролеты (9 м) демонстрируют возможности архитектурной трансформации каркасной системы. Определяющей тенденцией в проектировании каркасных зданий является укрупнение ячейки каркаса. Так, в многоэтажных промышленных зданиях наряду с наиболее распространённой сеткой 6X6 м проектируются здания с сеткой 12X12 м.
Впервые такой шаг применен на Волжском автозаводе в г. Тольятти. Аналогичные тенденции наблюдаются и в решении общественных и жилых зданий. Однако здесь до сих пор имеется противоречие между возможностями каркасов с широким шагом и мелкой планировочной структурой, которая фактически сводит на нет эти возможности.
Каковы основные особенности формообразования зданий каркасной системы из железобетона? Какие элементы и параметры каркаса представляют особый интерес для архитектора в поисках оригинальной формы?
Свободное композиционное решение плана и Объёма является главной архитектурной особенностью каркасных зданий. Поэтому предпочтение следует отдавать таким планировкам, структура которых не совпадает с сеткой каркаса. В малоэтажных каркасных зданиях это легко достигается широким шагом каркаса. Предусмотренные Единым каталогом сетки колонн размером 6X6, 6X9 и 9X9 м дают достаточно большие пространства и в многоэтажных зданиях. В них колонны можно или скрывать в перегородках, или делать акцентами пространства. Колонны можно оставлять снаружи, компонуя их с открытыми лестницами и другими элементами. Объёмная форма каркасных зданий может быть разнообразной. Следует применять не только прямоугольную, но и другие виды компоновки Объёмов (уступчатую, круглую, трапециевидную и др.).
Формы железобетонных колонн каркасных зданий могут быть индивидуальными по сечению и профилю. В массовом строительстве используются только два вида колонн (прямоугольные и круглые) сечением 30X30 и 40X40 см для зданий высотой до 16 этажей. Созданные П. Л. Нерви формы колонн в зданиях ЮНЕСКО в Париже и вокзала в Савоне показывают, как многообразны их архитектурные возможности. Эти возможности могут быть реализованы и в сборных колоннах.
Источник: В.Е. Ясиевич. Бетон и железобетон в архитектуре.М. Стройиздат 1980 г