Нагрузки и воздействия на здание и его конструктивные элементы

В процессе строительства и эксплуатации здание испытывает на себе действие различных нагрузок. Внешние воздействия можно разделить на два вида: силовые и несиловые или воздействия среды.

К силовым воздействиям относятся различные виды нагрузок:

• постоянные – от собственного веса (массы) элементов здания, давления грунта на его подземные элементы;
• временные (длительные) – от веса стационарного оборудования, длительно хранящихся грузов, собственного веса постоянных элементов здания (например, перегородок);
• кратковременные – от веса (массы) подвижного оборудования (например, кранов в промышленных зданиях), людей, мебели, снега, от действия ветра;
• особые – от сейсмических воздействий, воздействий в результате аварий оборудования и т.п.

К несиловым относятся:

• температурные воздействия, вызывающие изменения линейных размеров материалов и конструкций, которое приводит в свою очередь к возникновению силовых воздействий, а также влияющие на тепловой режим помещения;
• воздействия атмосферной и грунтовой влаги, а также парообразной влаги, содержащейся в атмосфере и в воздухе помещений, вызывающие изменение свойств материалов из которых выполнены конструкции здания;
• движения воздуха вызывающее не только нагрузки (при ветре), но и его проникновение внутрь конструкции и помещений, изменение их влажностного и теплового режима;
• воздействие лучистой энергии солнца (солнечная радиация) вызывающие в результате местного нагрева изменение физико-технических свойств поверхностных слоев материала, конструкций, изменение светового и теплового режима помещений;
• воздействие агрессивных химических примесей, содержащихся в воздухе, которые в присутствии влаги могут привести к разрушению материала конструкций здания (явлении коррозии);
• биологические воздействия, вызываемые микроорганизмами или насекомыми, приводящие к разрушению конструкций из органических строительных материалов;
• воздействие звуковой энергии (шума) и вибрации от источников внутри или вне здания.

По месту приложения усилий нагрузки разделяются на сосредоточенные (например, вес оборудования) и равномернораспределенные (собственный вес, снег).

По характеру действия нагрузки могут быть статическими, т.е. постоянными по величине во времени и динамическими (ударными).

По направлению – горизонтальные (ветровой напор) и вертикальные (собственный вес).

Т.о. на здание действует самые различные нагрузки по величине, направлению, характеру действия и месту приложения.

Рис. 2.3. Нагрузки и воздействия на здание.

Может получится такое сочетание нагрузок, при котором все они будут действовать в одном направлении, усиливая друг друга. Именно на такие неблагоприятные сочетания нагрузок рассчитывают конструкции здания. Нормативные значения всех усилий, действующих на здание, приведены в ДБН или СНиПе.

Следует помнить, что воздействия на конструкции начинаются с момента их изготовления, продолжаются при транспортировке, в процессе возведения здания и его эксплуатации.

4. Основные требования предъявляемые к зданиям и их элементам.

Здания образуют материально-пространственную среду для осуществления людьми различных социальных процессов быта, труда и отдыха. Поэтому они должны отвечать ряду требований, основные из них:

– функциональная (или технологичная) целесообразность, т.е. здание должно быть удобно для труда, отдыха или другого процесса, для которого оно предназначено;

– техническая целесообразность, т.е. здания должны быть прочными, устойчивыми, долговечными, надежно защищать людей и оборудование от вредных атмосферных воздействий, удовлетворять противопожарным требованиям;

– архитектурно-художественной выразительности, т.е. оно должно быть привлекательным по своему внешнему виду, благоприятно воздействовать на психологическое состояние и сознание людей;

– экономическая целесообразность, предусматривающая при минимальных затратах на постройку и эксплуатацию здания получения максимума полезной площади.

– природоохранные.

Основным в здании или помещении является его функциональное назначение.

Осуществление той или иной функции всегда сопровождается осуществлением какой-либо другой функции, имеющей подсобный характер. Например, учебные занятия в аудитории представляют главную функцию этого помещения, движение же людей при заполнении аудитории и после окончания занятий – подсобную. Следовательно, можно различить главные и подсобные функции. Главная функция для конкретного помещения в другом помещении может быть подсобной, и наоборот.

Помещение – основной структурный элемент или часть здания. Соответствие помещения той или другой функции достигается только тогда, когда в нем создаются оптимальные условия для человека, т.е. среда, отвечающая выполняемой им в помещении функции.

Качество среды зависит от ряда факторов. К ним можно отнести:

• пространство, необходимое для деятельности человека, размещения оборудования и перемещения людей;
• состояние воздушной среды (микроклимат) – запас воздуха для дыхания с оптимальными параметрами температуры, влажности и скорости его движения. Состояние воздушной среды характеризуется также степенью чистоты воздуха, т.е. количеством содержания вредных для человека примесей (газов, пыли);
• звуковой режим – условия слышимости в помещении (речи, музыки, сигналов), соответствующие его функциональному назначению, и защита от мешающих звуков (шума), возникающих как в самом помещении, так и проникающие извне, и оказывающих вредное влияние на организм и психику человека;
• световой режим– условия работы органов зрения, соответствующие функциональному назначению помещения, определяемые степенью освещенности помещения;
• видимость и зрительное восприятие – условия для работы людей, связанные с необходимостью видеть плоские или объемные объекты в помещении.

Техническая целесообразность здания определяется решением его конструкций, которое должно находиться в полном соответствии с законами механики, физики, химии.

В соответствии с воздействием среды к зданию и его конструкциям предъявляется комплекс технических требований.

Прочность – способность здания в целом и отдельных его конструкций воспринимать внешние нагрузки и воздействия без разрушения и существенных остаточных деформаций.

Устойчивость (жесткость) – способность здания сохранять статическое и динамическое равновесие при внешних воздействиях здания зависящая от целесообразного размещения конструкций в соответствии с величиной и направлением нагрузок и от прочности их сопряжений.

Долговечность, означающая прочность, устойчивость и сохранность здания и его элементов во времени. Она зависит от:

• ползучести материалов, т.е. от процесса малых непрерывных деформаций, протекающих в материалах в условиях длительного воздействия нагрузок.
• морозостойкости материалов, т.е. от способности влажного материала противостоять многократному попеременному замораживанию и оттаиванию;
• влагостойкости материалов, т.е. их способности противостоять разрушающему действию влаги (размягчению, набуханию, короблению, расслоению, растрескиванию и т.д.);
• коррозиестойкости, т.е. от способности материала сопротивляться разрушению, вызываемому химическими и электрическими процессами;
• биостойкости, т.е. от способности органических строительных материалов противостоять действию насекомых и микроорганизмов.

Долговечность определяется предельным сроком службы зданий. Практических инженерных методов расчета долговечности зданий пока не создано, поэтому в строительных нормах и правилах здания по долговечности условно разделяются на три степени:

1-я степень – срок службы более 100 лет;

2-я степень – срок службы от 50 до 100 лет;

3-я степень – срок службы от 20 до 50 лет.

Что такое классы ответственности или категория сложности объекта?

Согласно ДБН В.1.2-14-2009 «Общие принципы обеспечения надежности и конструктивной безопасности зданий, сооружений, строительных конструкций и оснований» и ДБН A.2.2-3:2012 «Состав и содержание проектной документации на строительство», который распространяются на:

- строительные объекты (здания и сооружения) различного назначения.
- составные части объектов, их основы и конструкции из различных материалов.

КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

Классы последствий (ответственности) зданий и сооружений определяются уровнем возможных материальных убытков и (или) социальных потерь, связанных с прекращением эксплуатации или с потерей целостности объекта.

Возможные социальные потери от отказа должны оцениваться в зависимости от таких факторов риска, как:

- опасность для здоровья и жизни людей;
- резкое ухудшение экологической обстановки в прилегающей к объекту местности (например, при разрушении хранилищ токсичных жидкостей или газов, отказе очистных сооружений канализации и т.п.);
- потеря памятников истории и культуры или других духовных ценностей общества;
- прекращение функционирования систем и сетей связи, энергоснабжения, транспорта или других элементов жизнеобеспечения населения или безопасности общества;
- невозможность организовать предоставление помощи пострадавшим при авариях и стихийных бедствиях;
- угроза обороноспособности страны.

КАТЕГОРИЯ СЛОЖНОСТИ ОБЪЕКТА СТРОИТЕЛЬСТВА

Категория сложности объекта строительства определяют на основании класса последствий (ответственности) в соответствии с таблицей.

Возможные экономические убытки должны оцениваться расходами, связанными как с необходимостью восстановления объекта, который отказал, так и косвенный ущерб (убытки от остановки производства, упущенная выгода и т.д.).

Классы ответственности или категория сложности объекта

Характеристики возможных последствий отказа здания или сооружения
	Возможная опасность
Категории сложности объектов строительства	Класс последствий (ответствен- ности) зданий или сооружений	для здоровья и жизни людей, которые постоянно находятся на объекте	для здоровья и жизни людей, которые периодически находятся на объекте	для жизнедеятель- ности людей, которые находятся снаружи	Объем возможных экономических утрат	Потеря объектов культурного наследия	Прекращение функционирова- ния объектов коммуникаций транспорта, связи, энергетики, других инженерных сетей
		Количество человек	Количество человек	Количество человек	Минимальных зарплат	Категории объектов	Уровень
V	СС-3	свыше 400	свыше 1000	свыше 50000	свыше 150000	Национального значения	Общегосударст- венный
IV	СС-2	300-400	500-1000	10000-50000	15000-150000	Местного значения	Региональный
III		50-300	100-500	100-10000	2000-15000	-	Местный
II	СС-1	0-50	50-100	до 100	до 2000	-	-
I			до 50	до 100	до 2000	-	-

 

Категория сложности объекта строительства определяется независимо по каждой из приведенных в колонках таблицы характеристикой возможных последствий отказа от объекта.

Объектам строительства присваивают высшую категорию сложности из определенных категорий с учетом приведенных ниже положений.

1) для объекта строительства, в состав которого входит несколько отдельных домов, зданий или сооружений (комплекс), категория сложности определяется отдельно для каждого дома, здания, сооружения. В случае, если в состав комплекса входят здания и сооружения IV-V категорий сложности, на экспертизу проектная документация предоставляется в полном составе на весь комплекс сооружений;
2) объект повышенной опасности, идентифицирован согласно законодательству, относят к V категории сложности;
3) к объектам культурного наследия национального или местного значения относятся здания или сооружения, которые занесены в соответствующий Государственный реестр недвижимых памятников Украины.

Примечание 1. Здания или сооружения присваивается наивысший класс последствий (ответственности) по одной из всех характеристик возможного ущерба от отказа.
Примечание 2. Считается, что на объекте постоянно есть люди, если он заполнен не менее чем восемь часов в сутки и не менее 150 дней на год. Людьми, которые периодически посещают объект, считаются те, которые заполняют его не больше трех часов в сутки. Возможной опасностью для жизнедеятельности людей является вероятное нарушение нормальных условий жизнедеятельности более чем на трое суток.
Примечание 3. Объем возможного экономического ущерба определяется в соответствии с Методикой.
Примечание 4. Минимальный размер заработной платы ежегодно устанавливается Законом Украины.
Примечание 5. Категории объектов культурного наследия устанавливаются в соответствии с действующим законодательством.
Примечание 6. Уровень значение коммуникаций и других инженерных сетей устанавливается в соответствии с действующим законодательством.

Независимо от классификации по признакам следует устанавливать класс последствий (ответственности) не менее:

СС1 - для объектов (зданий и сооружений) повышенной опасности, определенных в соответствии с законодательством;
СС2 - для высотных жилых и общественных зданий высотой от 73,5 м до 100 м;
СС3 - для высотных жилых и общественных зданий высотой более 100 м;

Различают три категории ответственности конструкций и их элементов в зависимости от последствий, которые могут быть вызваны их отказом:

А - конструкции и элементы, отказ которых может привести к полной непригодности к эксплуатации здания (сооружения) в целом или значительной ее части.
Б - конструкции и элементы, отказ которых может привести к осложнению нормальной эксплуатации здания (сооружения) или к отказу других конструкций, которые не относятся к категории А.
В - конструкции, отказы которых не приводят к нарушению функционирования других конструкций или их элементов.

ОРИЕНТИРОВОЧНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ОБЪЕКТОВ ПО КЛАССАМ ПОСЛЕДСТВИЙ (ОТВЕТСТВЕННОСТИ)

До зданий и сооружений класса СС3, как правило, следует относить:

- объекты нефте - и газодобывающей, газоперерабатывающей, металлургической, химической и других отраслей промышленности, оборудованы пожарно - и взрывоопасными емкостями и хранилищами жидкого топлива, газа и газопродуктов, особенно при их хранении под давлением (технологические трубопроводы, аппараты, котлы, газгольдеры, изотермические резервуары емкостью свыше 10 тыс. кубометров, резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов емкостью 30 тыс. кубометров и более, сосуды высокого давления и т.п.);
- объекты химической, нефтехимической, биотехнологической, оборонной и других отраслей, связанных с использованием, переработкой, производством и хранением химически токсичных, взрыво - и пожароопасных веществ и промышленных взрывчатых материалов, биологически опасных веществ и т.п.;
- объекты угольной и горнорудной промышленности, с опасностью пожара, взрыва и газа согласно классификации Госнадзорохранытруда;
- здания главных вентиляционных систем на приисках и рудниках;
- объекты атомной энергетики (АЭС, AETC, ACT), включая хранилища и заводы по переработке ядерного топлива и радиоактивных отходов, а также другие радиационное опасные объекты по классификации Госатомнадзора;
- объекты гидро - и теплоэнергетики (ГЭС, ГРЭС, ТЭС, ТЭЦ, ГАЭС) мощностью свыше 1,0 млн. кВт;
- мосты и тоннели на дорогах высшей категории, или протяженностью свыше 1000 м или пролетом свыше 300 м;
- стационарные сооружения знаков навигационной обстановки;
- шлюзы и основные портовые сооружения на водных путях 1-го и 2-го классов ДСТУ Б В.2.3-1;
- здания и сооружения крупных железнодорожных вокзалов и аэровокзалов;
- магистральные трубопроводы диаметром более 1000 мм, или с рабочим давлением свыше 2,5 МПа, а также участки магистральных трубопроводов меньшего диаметра и с меньшим рабочим давлением в местах переходов через водные преграды, железнодорожные и автомобильные дороги;
- гидротехнические сооружения мелиоративных систем с площадью орошения и осушения более 300 тыс. га и водохранилищ объемом более 1 кубический километр;
- крупные элеваторы и зернохранилища, мельничные комбинаты;
- жилые, общественные или многофункциональные здания высотой более 100 м;
- здания основных музеев, государственных архивов, хранилищ национальных исторических и культурных ценностей;
- зрелищные объекты с массовым пребыванием людей (стадионы, театры, кинозалы, цирки, выставочные помещения и т.д.);
- здания университетов, институтов, школ, дошкольных заведений и т.д.;
- крупные больницы и другие учреждения здравоохранения;
- универсамы и другие крупные торговые предприятия;
- объекты жизнеобеспечения крупных районов городской застройки и промышленных территорий;
- крупные объекты защитно-предупредительного характера (противоселевые, противооползневые, противолавинные сооружения, защитные дамбы и т.д.).

До зданий и сооружений класса СС2, как правило, следует относить те, что не принадлежат к классу СС3:

- основные объекты металлургической промышленности, тяжелого машиностроения, нефтехимии, судостроение, оборонной промышленности (доменные и мартеновские сборочные цеха, корпуса, высокие дымовые трубы и т.д.);
- копры, машинные отделения добывающих машин;
- объекты гидро - и теплоэнергетики мощностью менее 1,0 млн. кВт, распределительные системы основных электросетей высокого напряжения (включая опоры линий электропередачи и открытых распределительных устройств);
- емкости для нефти и нефтепродуктов;
- путевые полотна магистральных автодорог, взлетно-посадочные полосы, мосты и тоннели протяженностью менее 1000 м, канатные дороги, вокзалы, аэровокзалы, вертолетные станции;
- магистральные трубопроводы;
- большие гостиницы, общежития;
- объекты водопровода и канализации (включая водонапорные башни, очистные сооружения, водозаборы) промышленных предприятий и населенных пунктов;
- здания зрелищных и спортивных предприятий, предприятий торговли, общественного питания, службы быта, учреждения здравоохранения;
- здания и сооружения центральных складов для обеспечения жизненных потребностей населения, склады особо ценного оборудования и материалов, военные склады;
- жилые, общественные или многофункциональные здания высотой до 100 м.

До зданий и сооружений класса СС1, как правило, следует относить:

- все объекты промышленности, энергетики, транспорта и связи, сельского хозяйства и переработки сельхозпродукции, которые не отнесены к классам СС3 и СС2;
- общественные здания, объекты физкультуры и спорта, не отнесенные к классам СС3 и СС2, а также все временные объекты, мобильные здания;
- объекты внутрипроизводственных дорог, коммуникаций и продуктопроводов;
- парники, теплицы;
- опоры распределительной сети низкого напряжения, осветительные опоры.

Примечание. В нормах проектирования конкретных объектов их классификационные параметры могут уточняться.

К 1-й степени долговечности относятся здания, основные конструкции которых (например, фундаменты, наружные стены и т.п.) выполнены из материалов, обладающих высокой стойкостью против перечисленных выше воздействий.

В зданиях необходимо предусмотреть конструктивные, объемно- планировочные и инженерно- технические решения, которые должны обеспечить при пожаре:

· Возможность эвакуации людей наружу на прилегающую к зданию территорию людей независимо от их возраста и физического состояния;

· Возможность спасения людей;

· Возможность доступа личного состава пожарных подразделений к очагу пожара, а также проведения мероприятий по спасению людей и материальных ценностей;

· Нераспространение пожара на рядом расположенные здания, в том числе при обрушении горящего здания;

· Ограничение материальных потерь, включая здание и оборудование, при экономически обоснованному соотношении величины потерь и затрат на противопожарные мероприятия, пожарную охрану и ее техническое оснащение.

Важным техническим (и отчасти функциональным) требованием, оказывающим большое влияние на объемно- планировочное и конструктивное решение здания, является пожарная безопасность, означающая сумму мероприятий, которые уменьшают возможность возникновение пожара и, следовательно, возгорания конструктивных элементов здания и обеспечивают безопасность людей.

Строительные материалы классифицируют по следующим показателям пожарной опасности: горючести, воспламеняемости, распространению пламени по поверхности, дымообразующей способности и токсичности продуктов горения.

По горючести строительные материалы подразделяют на негорючие (НГ) и горючие (Г).

Негорючие строительные материалы по другим показателям пожарной опасности не классифицируют.

Горючие строительные материалы подразделяют на четыре группы:

Г1 (низкой горючести);

Г2 (умеренной горючести);

Г3 (средней);

Г4 (повышенной горючести).

По воспламеняемости подразделяют на три группы:

В1 (трудновоспламеняемые);

В2 (умеренновоспламеняемые);

В3 (легковоспламеняемые).

По распространению пламени по поверхности подразделяют на четыре группы:

РП1 (не распространяющие);

РП2 (локально распространяющие);

РП3 (умеренно распространяющие);

РП4 (значительно распространяющие).

По дымообразующей способности подразделяют на три группы:

Д1 (с малой дымообразующей способностью);

Д2 (с умеренной дымообразующей способностью);

Д3 (с высокой дымообразующей способностью).

По токсичности продуктов горения подразделяют на четыре группы:

Т1 (малоопасны);

Т2 (умеренноопасны);

Т3 (высокоопасные);

Т4 (чрезвычайно опасные).

Группы строительных материалов по распространению пламени по поверхности определяют для поверхностных слоев конструкций кровель, полов, в.т.ч. ковровых покрытий.

Строительные конструкции классифицируются по огнестойкости и способности распространять огонь.

Показателем огнестойкости является предел огнестойкости конструкции, который определяется временем (в минутах) от начала огневого испытания по стандартному температурному режиму до наступления одного из предельных состояний конструкции:

потери несущей способности (R);

потери целостности (Е);