ЗДАНИЕ ИЛИ СООРУЖЕНИЕ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Полезная модель относится к области строительства, а именно к зданиям и сооружениям на вечномерзлых грунтах, и может быть использована при строительстве зданий и сооружений общего назначения в районах с использованием вечномерзлых грунтов в качестве основания в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения
В настоящее время здания на вечномерзлых грунтах в основном строятся на сваях. Известно здание, представляющее собой несущий металлический либо железобетонный пространственный каркас, состоящий из несущих колонн и ригелей, а так же системы вертикальных и горизонтальных связей. Элементы каркаса, а именно колонны жестко сопрягаются с элементами высокого ростверка, расположенного на свайном основании, по которым устраивается утепленное перекрытие в виде балочной клетки из стальных балок и уложенного между ними утеплителя, для создания проветриваемого подполья. Сохранение грунта под всей площадью здания в замороженном состоянии осуществляется с помощью открытого вентилируемого во всех направлениях продуваемого подполья, предотвращающего теплообмен между зданием или сооружением и вечномерзлым грунтом [1].
Недостатком известной конструкции является высокая стоимость и трудоемкость технологического процесса устройства свайного основания здания и ограниченность его использования ввиду неравномерности осадок одиночных свай или отдельно расположенных кустов свай при изменении грунтовых условий, а именно, при оттаивании грунтов, вследствие
всемирного потепления, либо из-за локальных аварийных протечек в коммуникациях. В целом это приводит к недостаточной надежности всей конструкции здания, что снижает его прочность и долговечность.
Известно здание или сооружение, содержащее фундамент, с которым жестко соединены вертикальные колонны пространственного каркаса, образованного горизонтальными несущими балками, связевыми ригелями и межэтажными перекрытиями из плит, ориентированных с учетом конкретного планировочного решения, внешние стены, которые выполнены из искусственных строительных материалов с фасадным облицовочным слоем, параллельны несущему каркасу и соединены с ним связями, причем элементы фасадного слоя и несущего каркаса разнесены в соответствующих плоскостях на толщину теплоизоляционного слоя. Плиты каждого перекрытия объединены в плоские сквозные на всю длину и ширину здания диски. В дисках перекрытий на всю ширину здания размещены ориентированные поперечно, из монолитного железобетона, связевые ригели со сквозной связевой арматурой, и/или заанкереной по концам в продольных балках или колоннах. Внешние стены выполнены трехслойными из вертикальных слоев. Фундамент выполнен как фундаментная плита. Несущий каркас, внешние стены и слой армированного торкретбетона оперты на единую фундаментную плиту и жестко соединены с ней [2].
К недостаткам известного здания следует отнести невозможность его использования на вечномерзлых грунтах вследствие особенностей его конструкции, а именно из-за отсутствия конструктивных особенностей здания по поддержанию грунта основания в замороженном состоянии, что приводит к низкой надежности, прочности и долговечности.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования здания или сооружения на вечномерзлых грунтах, в котором за счет иной конструкции, в том числе его фундамента и подполья, достигается улучшение технических характеристик конструкции здания или сооружения на вечномерзлых грунтах, повышение жесткости и надежности фундамента и
грунтового основания под ним, упрощение конструкции и снижение материалоемкости здания за счет сокращения количества используемых материалов, а также увеличение его долговечности в целом, что в конечном счете приводит к обеспечению высокой устойчивости здания в зимний и летний периоды, в том числе к обеспечению неизменных условий работы фундамента, повышению безопасности при эксплуатации здания, повышению его срока службы, значительному снижению его себестоимости, сокращению сроков строительства здания или сооружения, улучшению технологичности и уменьшению трудоемкости при возведении, расширению диапазона использования в районах с вечномерзлыми грунтами.
Поставленная задача достигается тем, что в здании или сооружении на вечномерзлых грунтах, содержащем фундамент, с которым жестко соединены вертикальные колонны пространственного каркаса, образованного горизонтальными несущими ригелями и колоннами, междуэтажные перекрытия, а также наружные многослойные стены и кровлю, согласно полезной модели, фундамент выполнен в виде монолитной плиты по тщательно уплотненному грунту отсыпки, которая выступает за габариты здания и имеет утепление по периметру здания для предотвращения оттаивания грунта основания в летний период, и представляет собой конструкцию, армированную с помощью стальной листовой арматуры, которая одновременно является маяками для выравнивания поверхности бетона и шаблоном для размещения стержневой арматуры, при этом стержневая арматура расположена в один, или два ряда, с предварительным напряжением или без него, причем преднапряженная арматура может быть выполнена из стальных канатов, либо состоящую из системы перекрестных стальных балок, установленных на железобетонные подушки и армированного межбалочного пространства, заполненного бетоном до уровня верхней полки стальной балки, либо состоящую из различных сочетаний вышеописанных схем, изменяемых в зависимости от приложенных к фундаменту нагрузок от здания или сооружения, а наружные
стены выполнены из вертикальных слоев - внутреннего слоя из мелкоштучных строительных элементов и наружных слоев стены из утеплителя, веторо-влагозащитной мембраны и отделочного слоя, либо из СЭНДВИЧ панелей, при этом, фундаментная монолитная плита и нижнее перекрытие образуют пространство холодного проветриваемого подполья, ограниченного по периметру здания или сооружения наружными стенами, которое для подержания грунта основания в мерзлом состоянии выполнено с принудительной вентиляцией, а его стены по всему периметру здания снабжены утеплителем, расположенным с внутренней стороны подполья, причем, подполье снабжено воздухозаборными каналами, расположенными по периметру здания на заданной высоте от поверхности земли, исключающей заметание их снегом, высота которой зависит от толщины снегового покрова для строительной площадки.
Кроме того, в отдельных случаях выполнения заявляемой полезной модели, здание или сооружение может иметь следующие признаки: - при отсутствии ветра для поддержания циркуляции холодного воздуха, в подполье, в основании вытяжного канала, установлена газовая горелка; - принудительная вентиляция подполья в зимний период осуществлена с помощью дефлектора, установленного на вытяжном канале; - принудительная вентиляция подполья в летний период осуществлена с помощью холодильной установки, установленной на системе вентиляции подполья при закрытых на летний период воздухозаборных и вытяжных каналах системы вентиляции подполья, предназначенных для зимнего периода.
В результате использования заявляемой полезной модели обеспечивается получение технического результата, заключающегося в улучшении технических характеристик конструкции здания или сооружения на вечномерзлых грунтах, повышении жесткости и надежности фундамента и грунтового основания под ним, упрощении конструкции и снижении
материалоемкости здания за счет сокращения количества используемых материалов, а также увеличении его долговечности.
Из вышеизложенного следует, что заявленная полезная модель обладает рядом элементов новизны и существенно превосходит известную конструкцию по характеристикам.
В предложенном здании или сооружении применение монолитной плиты в качестве фундамента способствует исключению из данной конструкции множества ранее применяемых строительных материалов, таких конструкций как сваи и ростверки, что упрощает конструкцию и снижает материалоемкость и трудоемкость изготовления в целом. Применение фундамента в виде монолитной фундаментной плиты, выполненной по схеме с листовым армированием, либо выполненной в виде системы перекрестных стальных балок, омоноличенных бетоном, дает возможность исключить земляные работы из технологического процесса, что сокращает сроки строительства, уменьшает стоимость и повышает надежность. В отличие от плит традиционной конструкции, устанавливаемых захватками и разрезанных технологическими швами, работа плиты в двух направлениях осуществляется перекрестной системой стальных балок либо листовой арматурой. При этом сокращается количество используемых строительных материалов. А отсутствие при производстве работ съемной опалубки и маяков для выравнивания поверхности бетона - снижает трудоемкость работ, упрощает технологию и сокращает сроки возведения, что в целом приводит к значительному снижению себестоимости. Использование проветриваемого холодного подполья, с принудительной вентиляцией в зимний период, например, с помощью дефлектора, позволяет обеспечивать более высокие аккумуляционные и низкотемпературные показатели грунта под зданием. В целом, отличительные признаки заявляемой полезной модели являются существенными и необходимыми для достижения нового технического результата.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено схематичное фронтальное изображение общего вида конструкции здания в разрезе со схемой вентиляции проветриваемого подполья в зимний период; на фиг.2 - схематичное фронтальное изображение общего вида конструкции здания для строительства на вечномерзлых грунтах в разрезе со схемой вентиляции проветриваемого подполья в летний период; на фиг.3 - схематичное фронтальное изображение общего вида конструкции здания в разрезе для строительства на вечномерзлых грунтах со схемой использования проветриваемого подполья в летний период; на фиг.4 представлена схема выполнения монолитной плиты, состоящей из системы перекрестных стальных балок; а на фиг.5 - схема выполнения монолитной плиты, армированной с помощью стальной листовой арматуры.
На представленных чертежах обозначено: 1 - фундамент в виде фундаментной монолитной плиты; 2 - бетонная подготовка; 3 -гидроизоляция; 4 - утеплитель; 5 - воздухозаборный канал; 6 - вытяжной канал; 7 - дефлектор; 8 - вертикальные колонны каркаса здания или сооружения; 9 - ригели; 10 - перекрытия; 11 - наружные стены; 12 -холодильная установка; 13 - холодное вентилируемое подполье; 14 - газовая горелка; 15 - фундамент под оборудование; 16 - вентиляционные каналы; 17 - грунт основания; 18 - система перекрестных стальных балок; 19 - железобетонные подушки; 20 - арматурная сетка; 21 - стальная листовая арматура; 22 - стержневая арматура, выполненная например, из стальных канатов.
Предлагаемая конструкция здания или сооружения включает фундамент, выполненный в виде фундаментной монолитной плиты 1 по тщательно уплотненному грунту отсыпки, которая выступает за габариты здания и имеет утепление 4 по периметру здания для предотвращения оттаивания грунта основания в летний период. Фундаментная плита 1 в зависимости от конструктивных и технологических особенностей
сооружения, грунтовых условий, опыта местного строительства и экономической целесообразности может быть конструктивно выполнена по-разному и представлять собой конструкцию: либо армированную с помощью стальной листовой арматуры 21, которая одновременно является маяками для выравнивания поверхности бетона и шаблоном для размещения стержневой арматуры, при этом стержневая арматура 22 расположена в один, или два ряда, с предварительным напряжением или без него, причем преднапряженная арматура может быть выполнена из стальных канатов; либо состоящую из системы перекрестных стальных балок 18, установленных на железобетонные подушки 19 и армированного арматурной сеткой 20 межбалочного пространства, заполненного бетоном до уровня верхней полки стальной балки; либо состоящую из различных сочетаний вышеописанных схем, изменяемых в зависимости от приложенных к фундаменту нагрузок от здания или сооружения. Это позволяет возводить здания также на проблемных грунтах, например, просадочных и пучинистых, на подрабатываемых территориях. С фундаментом в виде фундаментной монолитной плиты 1 жестко соединены колонны 8 пространственного каркаса, образованного горизонтальными несущими стальными ригелями 9 составного сечения, либо железобетонными ригелями, связевыми ригелями и междуэтажных перекрытий 10, ориентированных с учетом конкретного планировочного решения. При этом элементы каркаса здания могут быть как металлическими, так и железобетонными либо выполняться по комбинированным схемам. Фундаментная монолитная плита 1 и нижнее перекрытие 10 образуют пространство холодного проветриваемого подполья 13, ограниченного по периметру здания или сооружения наружными стенами 11. Наружные стены 11 здания выполнены многослойными, из вертикальных слоев - внутреннего слоя из мелкоштучных строительных элементов и наружных слоев стены из утеплителя 4, веторо-влагозащитной мембраны для защиты утеплителя 4 от ветра и влаги в виде полимерной пленки, например мембраны «Изоспан-А» группы компаний ГЕКСА, и отделочного слоя с
принудительной вентиляцией утеплителя с помощью дефлектора; либо из известных СЭНДВИЧ панелей. Утеплитель 4 расположен в холодном вентилируемом подполье 13 с внутренней стороны и на монолитной плите 1 для более эффективного поддержания в защищенном утеплителем пространстве требуемых температур. Холодное проветриваемое подполье 13 здания выполнено с принудительной вентиляцией, что позволяет сохранять мерзлое состояние грунта в основании здания даже в летний период и предотвращает теплообмен между зданием или сооружением и вечномерзлым грунтом. Стены подполья 13 по всему периметру здания могут быть снабжены утеплителем 4, расположенным с внутренней стороны подполья. При этом, подполье 13 снабжено воздухозаборными каналами 5, расположенными по периметру здания на заданной высоте «а» от поверхности земли, исключающей заметание их снегом, высота которой зависит от толщины снегового покрова для строительной площадки. Воздухозаборные каналы 5 проходят через стену подполья 13 и обеспечивают равномерный приток воздуха в подполье по всему периметру здания. В здании или сооружении, при отсутствии ветра, для поддержания циркуляции холодного воздуха, в подполье 13, в основании вытяжного канала 6, может быть установлена газовая горелка 14. Принудительная вентиляция подполья 13 может быть выполнена по разному: в зимний период она может быть осуществлена с помощью дефлектора 7, например известного дефлектора ЦАГИ, установленного на вытяжном канале 6, а в летний период, при необходимости, может быть осуществлена с помощью холодильной установки 12, установленной на системе вентиляции подполья при закрытых на летний период воздухозаборных 5 и вытяжных 6 каналах системы вентиляции подполья, предназначенных для зимнего периода, что способствует сохранению мерзлого состояния грунтов оснований. При необходимости устройства в здании или сооружении массивных, отдельно стоящих специальных фундаментов 15, устанавливаемых под тяжелое оборудование с вибрационными нагрузками, предусмотрено утепление
верхней части фундамента 15 и устройство вентиляционных каналов 16 в нижней части фундамента, предназначенных для более эффективной передачи отрицательной температуры грунту под подошвой фундамента 15.
Возведение здания или сооружения согласно заявленной конструкции осуществляется следующим образом. При строительстве предлагаемой конструкции здания или сооружения на вечномерзлых грунтах при условии достаточно холодной зимы и достаточной аккумуляции холода в грунтовом основании предлагается применять согласно СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» один из следующих принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве основания сооружений: принцип I - вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения. Таким образом, вечномерзлый грунт по первому принципу используется в качестве основания предлагаемого здания или сооружения, возводимых в районах вечной мерзлоты, т.е. с поддержанием грунтов в мерзлом состоянии при возведении здания и в течение всего срока эксплуатации.
Краткое описание способа возведения фундаментной монолитной плиты. На строительной площадке срезается плодородный слой и выполняется отсыпка из песчаного грунта с послойным уплотнением на высоту около 2,5 метров. Работы по отсыпке выполняются только в зимнее время. По тщательно уплотненному насыпному грунту выполняется бетонная подготовка 2 для создания ровной поверхности. Затем осуществляют устройство монолитной плиты: по бетонной подготовке выполняется гидроизоляция 3 для предотвращения проникновения грунтовых вод в конструкцию подполья, производится раскладка балок (листовой арматуры) и промежуточного армирования в соответствии с проектом (любого конструктивного варианта выполнения монолитной плиты согласно формуле полезной модели). После установки арматуры в проектное положение производят бетонирование монолитной плиты 1. Производство
работ по устройству монолитной фундаментной плиты 1 желательно выполнять в летнее время, а при производстве работ в зимнее время необходимо обеспечить обогрев бетона для обеспечения набора им прочности. После набора бетоном проектной прочности можно начинать работы по монтажу вертикальных колонн 8, к которым жестко присоединяются ригели 9, после чего по ригелям 9 устраиваются перекрытия 10 и в заключении возводятся наружные стены 11. Фундаментная плита 1, выполненная по тщательно уплотненному грунту отсыпки, воспринимает нагрузку от вышележащих конструкций здания или сооружения и равномерно распределяет ее, исключая тем самым, возникновение неравномерных осадок, на всю площадь грунтового основания, находящегося в мерзлом состоянии круглогодично за счет принудительного вентилирования проветриваемого подполья в зимний и летний периоды, при необходимости.
При эксплуатации предлагаемого здания или сооружения на вечномерзлых грунтах, регулирование температуры воздуха в подполье 13, предназначенного для замораживания грунта основания и накопления им холода в зимний период, осуществляется принудительной вентиляцией подполья 13 с помощью дефлектора 7, например, известного дефлектора ЦАГИ (по серии 1.494-32), установленного на вытяжном канале 6. При этом холодный наружный воздух в подполье 13 поступает через воздухозаборные каналы 5, расположенные по периметру здания на заданной высоте «а» от поверхности земли, где высота «а» зависит от толщины снегового покрова для строительной площадки, при отсутствии ветра для поддержания циркуляции холодного воздуха в подполье 13 в основании вытяжного канала 6 зажигается газовая горелка 14. При увеличении температуры наружного воздуха выше температуры набранной грунтом основания, вентиляционные каналы 5 закрываются с помощью автоматики, и включается принудительная вентиляция подполья 13 (фиг.1).
В летний период проветриваемое подполье 13 так же предназначено для подержания грунта основания в мерзлом состоянии, для чего:
а) для зданий и сооружений с нормальным и повышенным уровнем ответственности осуществляется принудительная вентиляция подполья 13 уже с помощью холодильной установки 12, включаемой с помощью автоматики в случае повышения температуры грунта основания до расчетной температуры, при закрытых на летний период воздухозаборных каналах 5 и вытяжных каналах 6 системы вентиляции подполья 13, предназначенных для зимнего периода (фиг.2);
б) для зданий и сооружений с пониженным уровнем ответственности в летний период времени грунты основания поддерживаются в мерзлом состоянии за счет мерзлоты, которая была аккумулирована в грунте за зимний период при закрытых воздухозаборных каналах 5 и вытяжных каналах 6 системы вентиляции подполья 13, предназначенных для зимнего периода (фиг.3).
Заявленная полезная модель, при использовании, позволяет по сравнению с известными конструкциями значительно улучшить технические характеристики здания или сооружения, его надежность и долговечность в регионах с вечной мерзлотой, где грунты в качестве основания под здание или сооружение используются по первому принципу, т.е. с поддержанием грунтов в мерзлом состоянии при возведении здания и в течение всего срока эксплуатации. При этом достигается существенное снижение себестоимости здания за счет уменьшения земляных работ и применения более простого и дешевого фундамента, при увеличении темпа строительства нулевого цикла здания или сооружения по сравнению с использованием традиционных конструкций и технологий их возведения в области строительства в настоящее время.
Предложенная полезная модель является социально значимой и может найти применение при возведении более дешевых и надежных жилых и промышленных зданий и сооружений в регионах с вечной мерзлотой с
преобладанием сложных грунтовых условий, где грунты в качестве основания под здание или сооружение используются по первому принципу. Источники информации.
1. СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах», Москва 1990.
2. Патент UA №18055 U от 16.05.2006, МПК (2006): Е04В 1/16, Е04В 1/18, опубл. 16.10.2006 (прототип).