KONSTRUKCINĖS SISTEMOS IR SCHEMOS
Pastatų konstrukcijų klasifikacijaPastatų konstrukcijos klasifikuojamos pagal įvairius požymius. Pagal paskirtį jos skiriamos į laikančiąsias ir atitvarines.Laikančiosios konstrukcijos – tai tokios, kurios atlaiko visų rūšių apkrovas bei atsiramdančius pastate jėgos pobūdžio poveikius ir perduoda juos per pamatus gruntiniam pagrindui. Jos atlaiko savosios ir į jas atremtų pastato elementų masės apkrovą, naudingą apkrovą (baldus, įrenginius, žmones ir kt.), sniego ir vėjo apkrovas, grunto slėgį bei kt. jos suteikia pastatui erdvinį standumą ir geometrinį stabilumą, atlaiko poveikius, sukeltus gruntinio pagrindo nevienodų deformacijų, temperatūrinių deformacijų, priešinasi ardomosioms jėgoms, sukeltoms žemės drebėjimo ar avarijos.Atitvarinės konstrukcijos – tai tokios, kurios atitveria patalpas nuo išorinės aplinkos nepageidautino poveikio, taip pat vienos patalpos aplinką nuo kitos. Jas daugiausia veikia: temperatūros bei drėgmės pokyčiai, vėjas ir garsas, kuris pasireiškia įvairiu triukšmu. Atitvarinėms priskiriamos taip pat skaidriosios konstrukcijos, skirtos patalpoms natūraliai apšviesti.Atitvarinės konstrukcijos turi sukurti normalias patalpų eksploatacijos sąlygas: numatytą temperatūrą, oro drėgmę, natūralų apšvietimą, apsaugą nuo triukšmo.Dažnai laikančiosios konstrukcijos kartu yra ir atitvarinės, ir atvirkščiai.Pagal išdėstymą konstrukcijos skiriamos į vertikaliąsias ir horizontaliąsias. Vertikaliosios – tai išorinės ir vidinės sienos, laiptinių, liftų šachtų sienos, kolonos pertvaros ir kt. pastatuose būna ir nuožulniųjų konstrukcijų – stogo gegnės, laiptatakiai.Vertikaliosios, horizontaliosios ir nuožulniosios konstrukcijos dažniausiai yra tiesūs ir plokšti elementai, kurie sujungti sudaro pastato erdvinę konstrukcinę sistemą, teikiančią pastatui ir jo dalims būtiną stiprumą bei standumą.Pastato konstrukcinė sistema priklauso nuo pastato konfigūracijos, tarpatramių didumo, patalpų aukščio, aukštų skaičiaus, veikiančių apkrovų didumo ir pobūdžio, klimato ir daugelio kitų veiksnių, taip pat nuo pastato statybos būdo.
Pagal tai, kaip konstrukcijos išdėstytos pirmojo aukšto grindų lygio, kurį sąlygiškai priimta laikyti nuline žyme, atžvilgiu, pastato konstrukcijos ir jo dalys skirstomos į antžemines, išdėstytas aukščiau nulinės žymės, ir požemines, išdėstytas žemiau nulinės žymės.Pastatų konstrukcijos skirstomos ir pagal medžiagos rūšį: į medines, mūrines, plienines ir kitokias metalines, betonines ir gelžbetonines, plastmasines, kompozicines.Mažaaukščių ir daugiaaukščių pastatų konstrukcinės sistemosPastatų konstrukcinių sistemų klasifikacija pavaizduota 1 priede.Šiuolaikinės statybos pastatų konstrukcinės sistemos yra: sieninė, tūrinė blokinė (tūrinių elementų), karkasinė, stiebinė ir jų deriniai.Iš tikrųjų visos arba beveik visos pastato konstrukcijos statiškai dirba kaip erdvinės sistemos elementai. Tačiau, siekiant suprastinti skaičiavimus, laikoma, kad elementai statiškai dirba kaip linijinės arba plokščiosios konstrukcijos. Daugeliui pastatų tai visiškai priimtina. Bet yra konstrukcinių sistemų, kurias būtina nagrinėti tik kaip erdvines.Kai konstrukcinė sistema sieninė, pagrindines apkrovas atlaiko plokštieji elementai – išorinės ir vidinės sienos, nes sienų ir tarpaukštinių perdangų sujungimų faktinis stiprumas ir standumas santykinai nedidelis.Tūrinė blokinė konstrukcinė sistema dažniausiai naudojama gyvenamiesiems namams. Viename elemente talpinamas gyvenamasis kambarys ar kita pastato dalis.Kai konstrukcinė sistema karkasinė, tai svarbiausias apkrovas atlaiko linijiniai elementai – kolonos, rygeliai. Tokia sistema gali būti sudaryta iš pavienių plokščiųjų rėmų, kai prie kolonų prijungiami rygeliai yra vienoje plokštumoje, ir iš erdvinių rėmų, kai prie kolonų prijungiami rygeliai yra dviejose (ar net keliose) plokštumose.Stiebiniai pastatai, dar vadinami pastatais su standumo branduoliu, paprastai yra aukštuminiai. Juos veikia didelės horizontaliosios vėjo apkrovos. Tokių pastatų centre įrengta speciali konstrukcija – branduolys (stiebas, kamienas), kuri ir teikia pastatui reikalingą stiprumą bei standumą. Branduolio viduje talpinamos liftų šachtos, laiptinės, inžinerinių komunikacijų patalpos. Prie branduolio, jungiant perdangomis, tvirtinamos pastato kolonos arba sienos, kurioms tenka vertikaliosios apkrovos.
Dangoraižiams naudojamos ir daug sudėtingesnės konstrukcinės sistemos.Sieninės sistemos naudojamos daugiausia nedidelio aukštingumo gyvenamiesiems pastatams. Kai sienos plytų mūro, pastatai ne aukštesni kaip 10…12 aukštų; kai sienos gelžbetoninės – 20…25 ir daugiau aukštų.Tradicinė konstrukcinė sistema susideda iš išilginių laikančiųjų sienų ir gelžbetoninių perdangų plokščių pakloto, statiškai dirbančio pagal sijinę schemą (1 pav.). Bet dabar dažniau naudojamos sistemos iš kryžmiškai išdėstytų laikančiųjų vidinių sienų. Tokių pastatų tarpaukštinės perdangų plokštės remiamos kontūru, jose lenkimo momentai mažesni, perdangų plokštės standesnės, statybos aikštelėje mažiau darbo, paprastesnė jų gamyba, o pastato konstrukcija stipresnė. Anksčiau buvo statomi pastatai su 2,4…4,2m skersinių sienų žingsniu (2 pav.). Dabar tarpatramiai siekia iki 4,8…7,2m. Tokių pastatų stiprumui ir standumui padidinti naudojamos laiptinių ir liftų šachtų monolitinės arba surenkamosios sienų konstrukcijos, išdėstytos pastato centrinėje dalyje (3 pav.). Jie vadinami pastatais su standumo branduoliu arba kamienu (stiebu).1 pav. Stambiaplokščio namo su trimis laikančiosiomis išilginėmis sienomis konstrukcinė schema (1 – išorinė sienų plokštė, 2 – vidinė sienų plokštė, 3 – perdangos plokštė)
2 pav. Stambiaplokščio namo su mažu laikančiųjų skersinių sienų žingsniu konstrukcinė schema
3 pav. Stambiaplokščio namo su standumo branduoliu konstrukcinė schemaSiekiant sumažinti darbo sąnaudas statybos aikštelėje, sukurta tūrinė blokinė konstrukcinė sistema. Tūrinio blokinio pastato pagrindą sudaro gamykloje pagamintas kambario didumo erdvinis blokas, kurio masė iki 25t.Tūrinių gelžbetoninių blokų sienos ir perdangos statiškai dirba kaip erdvinės konstrukcijos elementai, todėl jiems mažiau reikia medžiagų negu konstrukcijoms iš pavienių plokščių. Kad pastatų fasadai būtų įvairesni, tūriniai blokai įvairiai komponuojami. Tačiau tokių blokų gamybos technologija sudėtingesnė negu plokščių.
Pastatai statomi ir iš blokų, ir iš plokščių. Toks miesto užstatymas įvairesnis ir tikslingas konstrukciniu požiūriu: tūrinė blokinė dalis, kaip stipresnė, yra pastate lyg standumo branduolys, todėl plokštinei pastato daliai tenka mažesni poveikiai.Be surenkamųjų sieninių konstrukcinių sistemų, vis daugiau plinta industrinės monolitinės ir surenkamosios monolitinės sieninių konstrukcijų sistemos. Tokie pastatai statomi tik iš monolitinių gelžbetoninių konstrukcijų arba, pavyzdžiui, sienos daromos monolitinės, o perdangos surenkamosios.Monolitinės konstrukcijos yra ekonomiškos. Tokiai statybai reikia mažiau kapitalinių įdėjimų, pastatams pastatyti reikia mažiau energijos, daug įvairesnė gali būti pastatų architektūra.Monolitiniai ir surenkamieji monolitiniai pastatai skiriasi statybos metodu, naudojamais klojiniais.Karkasinės sistemos dažniausiai naudojamos visuomeniniams pastatams: vaikų lopšeliams – darželiams, mokykloms, poliklinikoms, administraciniams pastatams ir kt. Tokios sistemos pastatuose galima įrengti didesnes patalpas negu sieninės sistemos pastatuose. Kartais karkasinė sistema naudojama ir gyvenamiesiems namams, pavyzdžiui, viešbučiams, sanatorijų miegamiesiems korpusams, poilsio namams ir kt.Karkasinių pastatų aukštis būna įvairus: nuo vieno dviejų iki 20…30 aukštų, kartais ir dar daugiau. Dažniausiai jie statomi iš surenkamųjų arba surenkamųjų monolitinių gelžbetoninių konstrukcijų. Kartais atskiri elementai daromi iš monolitinio gelžbetonio.Plieninės konstrukcijos karkasui naudojamos tada, kai gelžbetoninių konstrukcijų stiprumo nepakanka – aukštiems pastatams, kurių dideli tarpatramiai arba labai aukštiems pastatams.Karkasas – tai pastato skeletas, sudarytas iš linijinių elementų ir atlaikantis pastatą veikiančias apkrovas. Plokščių perdangos ir sienos įrengiamos vėliau. Jos pripildo karkasą, sudaro papildomas apkrovas, bet ir sustandina visą konstrukciją.Gelžbetoninės karkasinės konstrukcijos naudojamos kartu su stambiaplokštėmis išorinėmis sienomis iš lengvų, mažai laidžių šilumai medžiagų, su gelžbetoninėmis perdangų plokštėmis, surenkamosiomis laiptinėmis, pertvaromis ir kitais elementais. Tokie pastatai vadinami karkasiniais plokštiniais.Karkasų sienos, perdangos ir kiti surenkamieji elementai yra unifikuoti, t.y. reglamentuotų tipų ir matmenų. Elementų laikomoji galia keičiama dedant skirtingą kiekį armatūros ir kitos klasės betoną. Tokias konstrukcijas paprasčiau projektuoti, gaminti ir montuoti.Karkasinės plokštinės sistemos gali būti rygelinės (sijinės) ir nerygelinės (nesijinės). Rygelinėje sistemoje perdangų plokštės atremtos į rygelius, o rygeliai į kolonas. Jeigu sistema nerygelinė, tai perdangų plokštės remiamos tiesiai ant kolonų arba ant paplatintų jų dalių – kapitelių. Tokių perdangų plokštės gali būti įvairios formos. Rygelinės konstrukcijos kiek paprastesnės ir naudojamos dažniau kaip nerygelinės.Pagal pastato paskirtį, aukštingumą, architektūrinę planinę sandarą, rygeliai išdėstomi išilgai arba skersai pastato (4 pav.). Kai kuriose karkasų sistemose rygeliai išdėstyti kryžmiškai, t.y. ir išilgai, ir skersai pastato. Išilginis rygelių išdėstymo būdas naudojamas mokykloms, kitokiems objektams, kuriuose yra ilgų patalpų išilgai pastato. Tokių patalpų lubos yra lygios, be išsikišusių žemyn skersinių sijų. Rygeliai dėstomi skersai, kai patalpos nedidelių matmenų, pavyzdžiui, viešbučiuose.Karkasiniai pastatai būna su ištisu arba daliniu karkasu. Ištisas karkasas – tai toks, kai kraštinių navų rygeliai atremti į kraštines kolonas, o išorinės sienos daromos save laikančiomis arba nelaikančiomis iš pakabinamų plokščių. Dalinis karkasas – tai toks, kai kraštinių navų rygeliai atremti į išorines sienas. Ištisas karkasas naudojamas dažniau, nes paprastesnė pastato statyba: karkaso elementų montavimas nesusijęs su išorinių sienų įrengimu (5 pav.).4 pav. Rygelinių karkasinių pastatų iš surenkamųjų gelžbetoninių elementų planų schemos (a – kai rygeliai išdėstyti skersai pastato, b – kai rygeliai išdėstyti išilgai pastato; 1 – kolona, 2 – rygelis, 3 – ryšių plokštė, 4 – perdangos plokštė)
Karkasinės plokštinės sistemos iki keturių penkių aukštų pastatuose vėjo horizontaliosios ir vertikaliosios apkrovos sąlygiškai nedidelės. Tokiems pastatams racionaliausia konstrukcija yra etažerės pavidalo rėminis karkasas, nes laikančiųjų konstrukcijų konstrukcinį plotą sudaro tik kolonos, ir patalpos gali būti bet kaip suplanuotos.Aukštesnius pastatus, maždaug 14…16 aukštų, veikia didesnės vertikaliosios ir ypač horizontaliosios vėjo apkrovos. Todėl, norint panaudoti unifikuotų matmenų bei skerspjūvių kolonas ir rygelius, reikia šiuos konstrukcinius elementus nukrauti. Tam pastate įrengiamos specialios konstrukcijos – ryšiai, kurie iš dalies arba visai atlaiko pastatui tenkančias horizontalias apkrovas. Šiais ryšiais gali būti liftų šachtų ir laiptinių sienos, specialios vidinės sienos arba sienutės – standumo diafragmos. Dėl karkaso rėmus ir ryšius jungiančių perdangų horizontaliąsias apkrovas atlaiko visa konstrukcinė sistema. Ji vadinama rėmine ryšine, arba rėmine diafragmine. Tokios sistemos pastatuose patalpas suplanuoti šiek tiek sudėtingiau, nes ryšių konstrukcijos eina per aukštus ir turi pamatus.5 pav. Pastatų su rėminiais karkasais skersiniai pjūviai ir jų skaičiuojamosios schemos (a – su ištisu karkasu, b – su daliniu karkasu)Jei tik ryšiai atlaiko pastatą veikiančias vėjo apkrovas, tai karkasas gali būti ir ne rėminis. Kolonų ir rygelių sandūros tuomet daromos šarnyrinės, o karkasas atlaiko tik vertikaliąsias apkrovas, ir todėl yra paprastesni karkaso elementai bei sujungimo mazgai. Kad pastatas būtų stabilus, kolonos sujungiamos su diafragmomis. Tokia konstrukcinė sistema vadinama ryšine (diafragmine). Ji plačiai taikoma statybose. Kad būtų galima karkasą montuoti kiek anksčiau negu ryšių konstrukcijas, rygelių ir kolonų sandūros yra ne šarnyrinės, o šiek tiek standesnės, t.y. karkasas gali atlaikyti ir tam tikras vėjo apkrovas.
Labai aukštuose karkasiniuose pastatuose ryšinių konstrukcijų (standumo diafragmų ir liftų šachtų pavidalo) stiprumas ir standumas jau nepakankamas. Dėl horizontalių jėgų atsiradę lenkimo momentai būna tokie pat kaip vidutinių ir didelių tarpatramių tiltuose. Todėl naudojami uždari, erdviniai ryšiai, kurie išdėstomi pastatą veikiančių redukuotų jėgų centre. Tada pastatai tampa kompaktiškesni, simetriniai, bokšto tipo. Vėjo apkrovoms atlaikyti skirta konstrukcija vadinama stiebu, šerdimi, kamienu arba standumo branduoliu. Racionalių konstrukcinių sistemų bendrų plėtojimo tendencijų ir pastatų aukščio priklausomybė pavaizduota 6 paveiksle.6 pav. Įvairaus aukščio pastatų konstrukcinės schemos (1 – rėminė, 2 – rėminė diafragminė, 3 – diafragminė, 4 – stiebinė, stiebinė kevalinė)Stiebinės ir kevalinės sistemos pastatai yra aukštuminiai. Tai sistema, sudaryta iš dviejų koncentriškų, įeinančių viena į kitą, sienų. Jos sudaro kartu statiškai dirbančius vidinį stiebą ir išorinį kevalą, į kurį atremtos perdangos.Centriniame stiebe (branduolyje) dėstomi liftai, laiptinės, visos inžinerinės komunikacijos. Apgaubiantys plotai, nevaržomi laikančiųjų konstrukcijų, labai efektyviai panaudojami patalpoms.Vidinio stiebo ir išorinio kevalo bendras statinis darbas sudaromas perdangų sijomis ir įvedant techniniuose aukštuose specialias standinančias konstrukcijas, apskaičiuotas šlyties poveikiams, kurie atsiranda kartu statiškai dirbant vidiniam stiebui ir išoriniam kevalui, atlaikyti.Stiebinėms sistemoms su dideliais perdangų tarpatramiais suvartojama daug plieno ir darbo. Naudojamos sistemos, kai apkrovas atlaiko tik stiebas, turintis pakankamai didelį pamatą. Aukštams laikyti kiekviename aukšte įrengiamos gembės arba visam pastatui viena gembė įrengiama apatinėje pastato dalyje, arba aukštai pakabinami ant į stiebo viršų atremtos konstrukcijos.