Расчет и проектирование поэтажно опертых стен, выполненных кладкой из ячеистобетонных блоков

С развитием каркасного метода строительства гражданских и, в первую очередь, жилых зданий ячеистый бетон в конструкциях наружных стен явился тем материалом, который позволяет обеспечивать их архитектурную выразительность, высокие потребительские качества помещений и конкурентоспособность домов по сравнению с традиционными решениями.

Нынешний этап в истории развития производства и применения ячеистобетонных изделий в Республике Беларусь ознаменовался строительством и вводом в эксплуатацию в 1997 году завода по выпуску изделий из автоклавного газобетона на оборудовании фирмы Hebel ОАО «Забудова» и повлек последовательную модернизацию других предприятий изготовителей, а также строительство новых заводов и линий по производству ячеистого бетона. Отличительными особенностями современных ячеистобетонных изделий являются их более низкая плотность (D250‑D400 – для плит теплоизоляционных, D400‑D500 – для стеновых блоков, D600‑D1100 – для армированных конструкций); более высокое соотношение прочности и плотности бетона; высокая точность геометрических параметров изделий.

В настоящее время в республике действует 12 заводов, которые в течение последних пяти лет ежегодно производят от 2,5 до 3,0 млн м3 ячеистобетонных изделий, среди которых наибольшую долю в объеме выпуска (порядка 99,5 %) составляют мелкие стеновые блоки. Учитывая, что экспорт изделий из автоклавного газобетона составляет в среднем около 20 %, от 2 до 2,4 млн м3 этой продукции ежегодно потребляется отечественным строительным производством. Таким образом, в настоящий период ячеистобетонные стеновые изделия – наиболее востребованный материал для устройства ограждающих конструкций жилых и общественных зданий в Республике Беларусь. Массовому применению мелких ячеистобетонных блоков в строительстве способствует еще и то, что они являются объективно самым дешевым и доступным стеновым материалом. По мнению специалистов «Института БелНИИС», кладка из автоклавных ячеистобетонных блоков (D400‑D500) в стеновых заполнениях каркасных зданий в Беларуси будет иметь и в дальнейшем широкое распространение по следующим объективным причинам.

Применение ячеистобетонных изделий при строительстве зданий жилого и общественного назначения позволяет успешно решать проблему сокращения энергопотребления на отопление, снижать нагрузки на фундаменты и основания и тем самым способствует сокращению общей стоимости строительства.

Современные несущие системы многоэтажных гражданских зданий, к которым относятся не только каркасные, но и системы зданий с поперечными несущими стенами, имеют выгодно отличающие их конструктивные особенности. Повышение потребительских свойств зданий, комфортные и эстетические условия их помещений обеспечиваются, в первую очередь, применением эффективных решений наружных стен.

В таких зданиях наружные стены выполняются, как правило, с поэтажным опиранием на междуэтажные перекрытия. При этом конструкция стены расчленена на отдельные участки, ограниченные высотой этажа и шагом колонн.

Наружные стены и внутренние перегородки, опертые на перекрытия (поэтажно опертые) в пределах каждого этажа, являются несущими. Действующие на них нагрузки незначительны, что позволяет в таких случаях применять материалы с невысокой прочностью. Конструкция поэтажно опертых стен предполагает выполнение ими, в первую очередь, ограждающих функций, направленных на создание комфортных условий в помещениях.

Проектирование ограждающих конструкций зданий сопряжено с необходимостью учета разно­образия выполняемых ими функций, применяемых технических решений и свойств материалов, условий работы и природы действующих нагрузок.

Наружные поэтажно опертые стены жилых и гражданских зданий следует проектировать по возможности минимальной массы при обеспечении нормируемых теплофизических характеристик (сопротивления теплопередаче, температурно-влажностного режима, воздухонепроницаемости), а также прочности, жесткости, трещиностойкости, огнестойкости и других требований, предъявляемых нормативной и проектной документацией.

В первую очередь, при проектировании поэтажно опертых наружных стен крайне важно обеспечить температурный режим конструкции ограждения. Расширение требований по величине приведенного сопротивления теплопередаче, регламентируемое с 2010 года на территории Республики Беларусь, потребовало переработки большинства традиционных технических решений наружных стен. В то же время, используя блоки из ячеистого бетона и принимая толщину стен в пределах 500 мм, можно добиться нормируемого сопротивления теплопередаче по полю стены Rт = 3,2 м2•0С/Вт. Следует отметить, что однослойные конструкции наружных стен из ячеистобетонных блоков имеют наилучший температурно-влажностный режим по сравнению с любыми многослойными конструкциями и наиболее экономически оправданы. Кладку наружных стен из ячеистобетонных изделий рекомендуется вести с применением тонкослойных («кле­евых») растворов, повышающих не только ее теплотехническую, но и конструкционную однородность. Они позволяют снизить теплопотери через наружные стены до 20 % по сравнению с кладкой на традиционных растворах (плотностью 1700–1800 кг/м3) с толщиной шва 10–12 мм. При невозможности ведения кладки на клеевых растворах (например, при больших отклонениях от геометрических размеров блоков при устройстве криволинейных участков) для кладки наружных стен следует применять «теплые» (имеющие плотность 400–1500 кг/м3) растворы.

Элементы несущего остова здания – колонны (поперечные несущие стены) и перекрытия, изготовленные, как правило, из тяжелого бетона, располагаются в теле кладки и образуют теплопроводные включения. Конструкция наружных стен в местах примыканий к несущим элементам здания должна обеспечивать нормируемый температурный режим внутренней поверхности.

Для повышения уровня тепловой защиты и обеспечения комфортных условий помещений следует не только учитывать дополнительные теплопотери, определять наиболее подверженные действиям холодных потоков участки и принимать соответствующие меры по обеспечению требуемых теплотехнических параметров, но и стремиться обеспечить теплотехническую однородность участков сопряжений по отношению к полю стены. С переходом на новые конструктивные решения расчета и последующий анализ температурных полей наружных стен стал жизненной необходимостью и неотъемлемой составляющей процесса проектирования.

Следует отметить, что наиболее уязвимым местом в кладке из ячеистобетонных блоков являются откосы оконных и балконных проемов. Современные оконные и дверные коробки, толщина которых приблизительно в полтора раза меньше применявшихся ранее, приводят к заметному изменению температурного режима стен вблизи проемов и распределению температурных полей. В связи с этим возрастает вероятность образования конденсата на откосах вблизи коробок. Для предупреждения возникновения указанных дефектов в кладке наружных стен по боковым и нижнему откосу размещают теплоизоляционные вставки, размеры (ширину и глубину) которых определяют расчетом.

Большое значение для нормальной эксплуатации наружных стен имеет также отделка откосов по периметру проемов, поскольку эти участки кладки особо подвержены перепаду температур, а с наружной стороны – и увлажнению атмосферными осадками. Известно, что на откосах могут образовываться участки застоя влаги, насыщающей раствор, что впоследствии может привести к его размораживанию, разрушению и обнажению кладки. Для исключения подобных негативных явлений следует применять дополнительное сетчатое армирование защитно-декоративных штукатурных покрытий, наносимых на откосы, предусматривать отлив по нижнему откосу для отвода атмосферных осадков от заполнения проема.

Особое внимание необходимо уделять обеспечению требуемого ТКП 45–2.04–43–2006 сопротивления воздухопроницанию наружных стен. Если для устройства стен используются блоки с тычковыми поверхностями, имеющими профиль типа «паз-гребень», необходим особенно тщательный контроль плотного примыкания блоков по вертикальным швам, которые выполняются насухо. Рекомендуется при выполнении кладки из пазогребневых блоков производить затирку или инъектирование наружных полостей вертикальных швов, а в случае выполнения наружной отделки по системе «вентилируемый фасад» – обязательно оштукатуривать стену с одной или с двух сторон.

Следует иметь в виду, что сопротивление воздухопроницанию неоштукатуренной кладки из легкобетонных изделий на порядок ниже аналогичного показателя кладки, оштукатуренной с двух сторон.

Определившись с конструктивным решением наружных стен, следует произвести расчеты конструкции стены на действие нагрузок, возникающих в стадии воздействия стен и эксплуатации здания.

Наружные поэтажно опертые стены должны быть рассчитаны на восприятие следующих нагрузок и воздействий:

•  в плоскости стены – от собственного веса кладки стен с учетом наружного и внутреннего отделочных слоев, веса перемычек и элементов заполнения проемов (в стадии эксплуатации) и от возможных воздействий, передающихся от элементов каркаса при их деформации;
•  из плоскости – от ветрового давления с наветренной и подветренной сторон и от температурных деформаций в результате существующего градиента температуры внутреннего и наружного воздуха (для зимнего и летнего периодов).

При проектировании поэтажно опертых стен необходимо учитывать совместную работу несущих элементов здания (каркасной или стеновой несущей системы) и стенового заполнения. Несущие элементы здания, деформируемые под действующими на них нагрузками, могут передать воздействия на поэтажно опертые стены и перегородки, в том числе и через предусмотренные в контактных зонах упругие прокладки. Эти воздействия должны быть учтены в расчетах, которые следует выполнять методом конечных элементов.

Для оценки влияния вертикальных и горизонтальных деформаций несущего каркаса здания на заполнение поэтажно опертых стен необходимо выполнить расчет пространственной несущей системы здания и определить усилия и деформации в ее элементах. По результатам расчета модели поэтажно опертой стены следует выполнить оценку прочности кладки стены, для чего значения полученных напряжений δy и δx необходимо сравнить с расчетными сопротивлениями кладки сжатию Rи срезу по неперевязанному сечению Rsq.

Проверку кладки стены при работе ее на изгиб по перевязанному сечению следует выполнить путем сравнения изгибающего момента Мх по формуле (1) в нормальном сечении наиболее неблагоприятного участка стены с несущей способностью рассчитываемого сечения:

Мх = Σ (Мxi •Δyi)/Σ (Δyi) ≤ Rth •W (1),

где

Мx – изгибающий момент, кН/м;

Мxi – изгибающий момент в конечном элементе, кН/м;

Δyi – размер конечного элемента по оси Y, м;

Rth – расчетное сопротивление кладки растяжению при изгибе по перевязанному сечению, МПа;

W – момент сопротивления сечения кладки при упругой ее работе, м3.

Если величина полученных в расчете напряжений R = Mx/W в элементах кладки окажется выше расчетного сопротивления Rth, то необходимо предусмотреть армирование соответствующих участков кладки, например устройство армированного пояса в нижней зоне на высоту до 500 мм. Верхний армированный пояс рекомендуется располагать в уровне надпроемных перемычек при устройстве последних сборно-монолитными с применением лотковых блоков или по верхнему обрезу кладки.

Основным видом эксплуатационных воздействий, которые следует учитывать при проектировании поэтажно опертых стен, являются ветровые нагрузки, значения которых принимаются в соответствии с положениями СНиП 2.01.07. В общем случае участки наружных стен, расположенные в пределах одного этажа между двумя соседними колоннами (поперечными несущими стенами), необходимо проверять расчетом на ветровое воздействие для двух состояний: из условия опрокидывания из плоскости и смещения в горизонтальной плоскости за счет действия отрицательного ветрового давления.

В первом расчетном случае условием равновесия служит преобладание удерживающего опорного момента Муд, обусловленного собственным весом участка стены, над опрокидывающим Моп от ветрового воздействия с подветренной стороны. При этом расчет стены при ее работе из плоскости должен учитывать техническое решение узла опирания стены на диск перекрытия с учетом эксцентриситета. Конструктивно повышению устойчивости поэтажно опираемых участков стенового ограждения способствуют следующие мероприятия:

•  устройство постели толщиной 20 мм из цементно-песчаного раствора марки не ниже М100 под первым рядом кладки в пределах этажа;
•  заполнение деформационного зазора между кладкой и верхним перекрытием упругой прокладкой;
•  наличие связей кладки с верхним перекрытием и колоннами.

Во втором расчетном случае удерживающее усилие Руд, обеспечиваемое сцеплением нижнего слоя раствора с бетоном перекрытия и связями кладки с несущим остовом здания, должно превысить сдвигающее усилие Рсд от отрицательного ветрового давления Wе.

Если по результатам расчета на нагрузки, действующие из плоскости стены, напряжения в кладке окажутся выше значения расчетного сопротивления кладки растяжению по неперевязанному сечению, то необходимо предусмотреть установку дополнительных гибких связей и повторить проверочный расчет. Шаг и количество гибких связей, препятствующих деформациям кладки из плоскости и перераспределяющих нагрузку на каркас здания, назначается из условия оценки прочности по формуле:

Муд + Мсв < Моп,

где

Муд – удерживающий момент, который создается нагрузкой от собственного веса стены;

Мсв – момент, воспринимаемый гибкими связями;

Моп – опрокидывающий момент, возникающий при работе кладки из своей плоскости от возможных расчетных сочетаний усилий.

Температурную нагрузку следует установить по результатам теплотехнических расчетов кладки наружной стены для соответствующих условий эксплуатации здания, рассчитанных для наиболее неблагоприятных периодов теплого и холодного времени года. В расчетах следует учитывать прямую и рассеянную солнечную радиацию, поступающую на вертикальную поверхность стены. По результатам теплотехнического расчета определяют сечение с максимальным градиентом температур. На указанный градиент температур выполняют расчет кладки стены. При этом максимум и минимум расчетных значений температур следует выбирать не в местах теплопроводных включений.

Необходимо отметить, что современные ограждающие конструкции требуют высокопрофессионального подхода, основанного на всесторонних знаниях смежных наук, накопленном опыте и анализе допущенных ошибок. Только при наличии этих трех составляющих возможно создание эффективных и экономичных ограждающих конструкций, на которые возложены ответственные функции обеспечения комфорта и безопасности объектов строительства.

РУП «Институт БелНИИС» совместно с ГП «Институт НИИСМ» исследовательской лабораторией БНТУ проведен анализ теплофизических и деформационно-прочностных характеристик ячеистобетонных блоков и кладок из них. Анализ результатов и допущенных ошибок, а также накопленный опыт проектирования, строительства и эксплуатации многоэтажных зданий с устройством поэтажно опертых стен, выполняемых кладкой из ячеистобетонных блоков, учтены в разработанном РУП «Институт БелНИИС» комплекте документов, в состав которых входят:

•  серия Б2.030–13.10 «Узлы и детали поэтажно опертых стен жилых и общественных зданий из эффективных мелкоштучных материалов»;
•  Р5.02.088.11 «Рекомендации по проектированию поэтажно опертых стен и перегородок из эффективных мелкоштучных материалов».

Предлагаемые технические решения наружных стен, их узлов и деталей сопряжений с другими элементами зданий, учитывают особенности стеновых конструкций из современных мелкоштучных кладочных материалов (в первую очередь, блоков из ячеистого бетона) и призваны обеспечить правильное их применение, создавать долговечные и надежные ограждающие конструкции.

По материалам доклада Ю. А. Рыхленок, завлабораторией ограждающих конструкций, О. В. Сапоненка, н. с. научно-исследовательского республиканского унитарного предприятия по строительству «Институт БелНИИС»