КОНСТРУКЦИЯ ЗДАНИЯ ИЛИ СООРУЖЕНИЯ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Полезная модель относится к строительству в Северных районах, а именно к конструкции здания или сооружения 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.
Фундаменты сооружений жилого и промышленного строительства, находящиеся в зоне распространения вечномерзлых грунтов, часто закладываются в них с сохранением состояния вечномерзлого грунта (1 принцип). Вследствие локального протаивания оснований, значительная часть зданий и сооружений претерпевает большие деформации (вплоть до аварийных), в связи с чем, актуальной является проблема сохранение грунта под всей площадью здания в замороженном состоянии.
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 сопряжены 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 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 заанкеренной 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].
Несмотря на надежность конструкции известного здания, к его недостаткам следует отнести невозможность его использования на вечномерзлых грунтах вследствие особенностей его конструкции, а именно из-за отсутствия мероприятий по поддержанию грунта основания в замороженном состоянии, что приводит к низкой надежности, прочности и долговечности здания или сооружения на вечномерзлых грунтах.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования конструкции здания или сооружения на вечномерзлых грунтах, в котором за счет иной конструкции, достигается исключение оттаивания грунта в теплый период года за счет обеспечения высоких аккумуляционных и низкотемпературных показателей грунта под зданием и повышение безопасности несущей способности при его эксплуатации, что приводит к улучшению технических характеристик конструкции здания или сооружения на вечномерзлых грунтах, повышение жесткости и надежности фундамента и увеличение коэффициента постели грунтового основания под ним, что, в конечном счете, приводит к увеличению долговечности здания или сооружения в целом путем обеспечения неизменных условий работы фундамента и расширению диапазона использования в районах с вечномерзлыми, а также проблемными грунтами.
Поставленная задача достигается тем, что в конструкции здания или сооружения на вечномерзлых грунтах, содержащей фундамент в виде монолитной плиты, с которым жестко соединены вертикальные колонны пространственного каркаса, образованного горизонтальными несущими ригелями и колоннами, ориентированные с учетом конкретного планировочного решения, междуэтажные перекрытия, а также наружные многослойные стены, кровлю и систему вентиляции здания, согласно полезной модели, фундаментной монолитной плитой, выступающей за габариты здания и имеющей утепление по периметру здания, и нижним перекрытием образовано замкнутое пространство технического подполья, ограниченное по периметру здания или сооружения наружными стенами, снабженными утеплителем, расположенным с внутренней стороны подполья, при этом, техническое подполье снабжено системой охлаждения и аккумуляции отрицательной температуры, расположенной в слое теплоемкого материала, размещенного в подполье, а также системой принудительной и/или естественной вытяжной вентиляцией системы аккумуляции холода с возможностью ее сообщения с системой вентиляции здания, и размещенную над фундаментной плитой в теплоемком материале подполья систему вентилируемых трубок, установленных с уклоном к наружным стенам, объединенных в единый коллектор, с возможностью их сообщения с вентилируемым пространством, расположенным с наружной стороны стен подполья, и имеющим в верхней части зазор для забора наружного воздуха, расположенный на заданной высоте от поверхности земли, зависящей от средней толщины покрова снега снаружи здания, закрытый от попадания снега в вентилируемое пространство козырьком по всему периметру здания.
Кроме того, в отдельных случаях выполнения заявляемой полезной модели, здание или сооружение может иметь следующие признаки:
- пространство подполья полностью заполнено теплоемким материалом;
- часть пространства подполья, где расположена система охлаждения, заполнено теплоемким материалом;
- система охлаждения подполья объединена с системой вентиляции здания, имеющей отсечной элемент, для поддержания циркуляции холодного воздуха в системе охлаждения при отсутствии ветра;
- вентиляция подполья в зимний период осуществлена с помощью дефлектора, обеспечивающего дополнительную эжекцию, и установленного на вертикальном вытяжном канале;
- система вентилируемых трубок, расположенных с уклоном к наружным стенам, размещенная над фундаментной плитой в теплоемком материале подполья, защищена утеплителем со стороны технического подполья.
В целом, отличительные признаки заявляемой полезной модели являются существенными и необходимыми для достижения нового технического результата.
В результате использования заявляемой полезной модели обеспечивается получение технического результата, заключающегося в исключении оттаивания грунта в теплый период года за счет обеспечения высоких аккумуляционных и низкотемпературных показателей грунта под зданием и повышении безопасности несущей способности при его эксплуатации путем обеспечения неизменных условий работы фундамента.
Из вышеизложенного следует, что заявленная полезная модель обладает рядом элементов новизны и существенно превосходит известную конструкцию по характеристикам и достигаемому техническому результату.
В предложенной конструкции здания или сооружения на вечномерзлых грунтах наличие технического подполья заявленной конструкции с системой охлаждения и аккумуляции отрицательной температуры и системой принудительной и/или естественной вытяжной вентиляцией с возможностью их сообщения с системой вентиляции здания и сообщения с вентилируемым пространством, расположенным с наружной стороны стены подполья, приводит к исключению оттаивания грунта в теплый период года за счет обеспечения высоких аккумуляционных и низкотемпературных показателей грунта под зданием и повышении безопасности несущей способности при его эксплуатации. Это обеспечивает высокую устойчивость здания в зимний и летний периоды, в том числе к обеспечению неизменных условий работы фундамента, повышению безопасности при эксплуатации здания и повышению его срока службы.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено схематичное фронтальное изображение общего вида конструкции здания в поперечном разрезе со схемой вентиляции подполья в зимний период; на фиг.2 представлено схематичное фронтальное изображение общего вида конструкции здания в продольном разрезе со схемой вентиляции подполья в зимний период; на фиг.3 - схематичное фронтальное изображение общего вида конструкции здания для строительства на вечномерзлых грунтах в разрезе со схемой вентиляции подполья в летний период; на фиг.4 представлено схематичное фронтальное изображение общего вида конструкции здания в поперечном разрезе со схемой вентиляции подполья в зимний период.
На представленных чертежах обозначено: 1 - фундамент в виде фундаментной монолитной плиты; 2 - бетонная подготовка; 3 - гидроизоляция; 4 - утеплитель; 5 - теплоемкий материал; 6 - вытяжной канал; 7 - дефлектор; 8 - вертикальные колонны каркаса здания или сооружения; 9 - ригели; 10 - перекрытия; 11 - наружные стены; 12 - вентилируемая система трубок; 13 - вентилируемое пространство; 14 - стены подполья; 15 - козырек; 16 - холодное подполье; 17 - грунт основания, 18 - система вентиляции здания.
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 по периметру здания для предотвращения оттаивания грунта основания в летний период. Фундаментная монолитная 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 следующие известные конструкции (на чертежах не показаны): либо конструкцию, армированную с помощью стальной листовой арматуры, которая играет роль балок, 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 предварительно напряженная арматура может быть выполнена из стальных канатов; либо конструкцию, состоящую из системы перекрестных стальных балок, установленных на железобетонные подушки и армированного арматурной сеткой межбалочного пространства заполненного бетоном до уровня верхней полки стальной балки; либо конструкцию, 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 подполья 16, ограниченного по периметру здания или сооружения наружными стенами 11 и заполненного теплоемким материалом 5, например, песчаным грунтом. Наружные стены 11 здания выполнены из вертикальных слоев, например: внутреннего слоя из мелкоштучных строительных элементов и наружных слоев стены из утеплителя 4, ветеро-влагозащитной мембраны для защиты утеплителя 4 от ветра и влаги в виде полимерной пленки, например мембраны «Изоспан-А» группы компаний ГЕКСА, отделочного слоя с принудительной вентиляцией утеплителя с помощью дефлектора 7; либо из известных СЭНДВИЧ панелей. Утеплитель 4 расположен в холодном подполье 16 с внутренней стороны и на монолитной плите 1 для более эффективного поддержания в защищенном утеплителем пространстве требуемых температур. В холодном подполье 16 здания, заполненном теплоемким материалом 5, аккумулируется отрицательная температура за счет принудительной вентиляции системы вентилируемых трубок 12 с помощью дефлектора 7 при наличии ветра, при отсутствии ветра, вентиляция осуществляется за счет объединения вытяжного канала 6 системы охлаждения с системой вентиляции здания 18 с отсечным элементом, что позволяет сохранять мерзлое состояние грунта в основании здания даже в летний период и предотвращать теплообмен между зданием или сооружением и вечномерзлым грунтом. Стены подполья 14 по всему периметру здания снабжены утеплителем 4, расположенным с внутренней стороны подполья. Так же в стенах 4 предусмотрено вентилируемое пространство 13 для забора воздуха, расположенными по периметру здания на заданной высоте от поверхности земли, исключающей заметание их снегом, высота которой зависит от толщины снегового покрова для строительной площадки, и небольшой козырек 15, служащий для предотвращения попадания снега в вентилируемое пространство 13. Кроме того, в отдельных случаях выполнения заявляемой полезной модели, в здании или сооружении пространство подполья 16 может быть полностью заполнено теплоемким материалом, либо только часть пространства подполья, где расположена его система охлаждения. Система охлаждения подполья при отсутствии ветра может быть объединена с системой вентиляции здания для поддержания циркуляции холодного воздуха в системе охлаждения. А в зимний период - принудительная вентиляция подполья осуществляется с помощью дефлектора 7, например известного дефлектора ЦАГИ, установленного на вертикальном вытяжном канале 6. Система вентилируемых трубок, расположенных с уклоном к наружным стенам, размещенная над фундаментной плитой 1 в теплоемком материале 5 технического подполья 16, может быть защищена утеплителем со стороны этого подполья 16.
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 согласно первого принципа 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. Производство работ по устройству монолитной фундаментной плиты 1 желательно выполнять в летнее время, при производстве работ в зимнее время необходимо обеспечить обогрев бетона для обеспечения набора им прочности. После набора бетоном проектной прочности производят работы по монтажу 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 17, находящегося в мерзлом состоянии круглогодично за счет аккумуляции отрицательной температуры в песчаном грунте 5, содержащего систему вентилируемых трубок 12, принудительно вентилируемых с помощью дефлектора.
При эксплуатации предлагаемого здания, регулирование температуры теплоемкого материала 5 в холодном подполье 16, предназначенного для замораживания грунта основания и накопления им холода в зимний период (см. Фиг.1, 2, 4), осуществляется принудительной вентиляцией системы вентилируемых трубок 12 подполья 16 с помощью дефлектора 7, например, известного дефлектора ЦАГИ (по серии 1.494-32), установленного на вытяжном канале 6. При этом холодный наружный воздух в систему вентилируемых трубок 12 холодного подполья 16 поступает через вентилируемое пространство 13, расположенное в стене подполья 14 по периметру здания с зазором на заданной высоте «а» от поверхности земли, где высота «а» зависит от толщины снегового покрова для строительной площадки. При увеличении температуры наружного воздуха выше температуры набранной грунтом основания, например, в летний период, вытяжные каналы 6 закрываются с помощью автоматики (фиг.3). В летний период (см. Фиг.3) холодное подполье 16 так же предназначено для подержания грунта основания в мерзлом состоянии, для чего грунты основания поддерживаются в мерзлом состоянии за счет отрицательной температуры, которая была аккумулирована в грунте 5 за зимний период при закрытых вытяжных каналах 6 системы вентиляции подполья 16 (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, МПК (2006): Е04В 1/16, Е04В 1/18, опубл. 16.10.2006 (прототип).