Тема 17. Особенности конструктивных решений зданий для строительства в холодной строительно-климатической зоне и в районах с жарким климатом.
17.1. Особенности проектирования и строительства и в условиях вечной мерзлоты.
17.2. Особенности проектирования и строительства в условиях жаркого климата.
17.1. Особенности проектирования и строительства в условиях вечной мерзлоты
Территории вечной мерзлоты, как и каждая природно-климатическая особенна по-своему. Но это не означает, что там нельзя строить здания и сооружения. Это возможно при любых климатических условиях. Всего на всего нужно соблюдать определенные требования к строительству и проектированию. И тогда любое здание будет функционировать на том же уровне что и в умеренных широтах.
Вечномерзлыми называют грунты, сохраняющие постоянно в природных условиях отрицательную или нулевую температуру. Оттаивают на небольшую глубину. Такие грунты занимают около 48% территории России.
Верхний, покровный слой грунта, расположенный над вечномерзлыми пластами и подвергающийся сезонному замораживанию и оттаиванию, называют деятельным слоем. Его мощность обычно колеблется в пределах от 0,5 до 4 м и более.
В зависимости от глубины залегания вечномерзлого грунта сезонный мерзлый слой может отделяться от него слоем талого грунта или эти слои будут сливаться.
Значительная часть вечномерзлых грунтов находится в льдонасыщенном состоянии или же содержит в себе отдельные включения льда в виде линз, прожилок и прослоек. Нередко встречаются вечномерзлые просадочные грунты, которые, обладая высокой несущей способностью в мерзлом льдонасыщенном состоянии, при оттаивании резко ее теряют, что может привести к деформации и даже разрушению зданий.
В районах вечной мерзлоты встречаются также пучинистые грунты, располагаемые в толще деятельного слоя, а также наледи, которые могут оказывать разрушающее действие на здания.
Наледи представляют собой вспучивание почвы в виде бугров значительных размеров. Их образование происходит за счет сезонного промерзания надмерзлотных грунтовых вод с последующим аккумулированием большого количества льда.
При строительстве на территориях с вечномерзлыми грунтами особое значение имеет правильный выбор площадок для строительства с такими грунтами, чтобы они не были пучинистыми, не подвергались образованию наледей и провалов. Кроме того, необходимо выбрать такие объемно-планировочные и конструктивные решения, а также методы осуществления строительства, чтобы обеспечить нормальные эксплуатационные качества зданий.
В зависимости от геологических, гидрогеологических и климатических условий строительство зданий в районах вечной мерзлоты осуществляется следующими приемами:
· возведение зданий обычными методами. Этот метод применяют в случае, когда основанием являются скальные или полускальные породы;
· сохранение грунтов основания в вечномерзлом состоянии. Этот метод применяют для просадочных и других слабых льдонасыщенных грунтов мощностью не менее 15 м с устойчивым температурным режимом. Если здание отапливаемое, то основание надежно защищают от подтаивания путем устройства холодного подполья с продухами, высотой в зависимости от ширины здания в пределах от 0,5 до 1 м и более;
· оттаивание грунта в основании. Этот метод используют при строительстве на грунтах, не имеющих большой осадки при оттаивании;
· предварительное оттаивание грунта и его уплотнение в основании. Этот метод применим для отапливаемых зданий, когда исключается восстановление мерзлого состояния оттаявших грунтов.
Выбор любого из перечисленных методов осуществляется в результате всестороннего технико-экономического анализа.
При проектировании производственных зданий предпочтение следует отдавать их блокировке в единые корпуса. Наиболее целесообразно возводить большепролетные здания с размещением оборудования на этажерках, которые не связаны с каркасом здания.
Для ограждающих конструкций применяют слоистые элементы из легких эффективных материалов. Особое внимание следует уделять воздухонепроницаемости конструкций — в местах соединения элементов и в стыках панелей.
Что касается сохранения вечномерзлого состояния грунтов, то можно применить следующие приемы:
§ возводить здание на подсыпках (рис. 11,а) и обеспечить теплоизоляцию поверхности и грунта (рис. 11,б). Этот прием рассчитан на охлаждение массива грунта основания с боков. В случае если такое охлаждение окажется недостаточным, то массив грунта будет постепенно прогреваться и начнется оттаивание грунтов в основании;
§ устройство вентилируемых подполий (рис. 11,в). Используется при строительстве и проектирование жилых, общественных и промышленных зданий. В этом случае уменьшается застаивание воды подполье;
§ расположение на 1 этаже неотапливаемых помещений (рис. 11,г), что тоже выполняет роль вентилируемого подполья. Для интенсивного охлаждения стены 1 этажа из теплопроводных материалов, а окна – с одинарным остеклением;
§ устройство под полом вентиляционных каналов (рис. 11,д), а в местах выделения большого количества тепла в грунт в результате технологических процессов применять искусственное охлаждение грунтов (рис. 9,е) саморегулирующими колонками или специальными холодильниками установками с замораживающими колонками;
§ устройство свайных фундаментов или фундаментов глубокого заложения, врезаемых в вечномерзлый грунт ниже глубины возможного оттаивания его под зданием. При этом укладка теплоизоляции под полом отапливаемого здания существенно уменьшает глубину оттаивания.
Рис.11. Схемы устройства для сохранения в основании вечномерзлого состояния грунтов:1 – вечномерзлый грунт, 2 – верхняя граница слоя вечномерзлого грунта, 3 – деятельный слой, 4 – насыпной непучинистый грунт, 5 –теплоизоляция, 6 – вентилируемое подполье, 7 сваи, 8 – неотапливаемый первый этаж, 9 – вентиляционные каналы, охлаждающие грунты воздухом, 10 – замораживающие колонки.
А что касается принципа оттаивания, то при проектировании и строительстве фундаментов оттаивание грунтов в основании допускается как после возведения здания, так и перед устройством фундаментов при инженерной подготовке территории под застройку.
Нужно учитывать дополнительные просадки фундаментов во время эксплуатации. Поэтому следует возводить здания малочувствительных конструкций. А в некоторых случаях следует регулировать и сам процесс оттаивания.
При проведении бетонных и каменных работ нужно выполнять специальные требования:
· Укладка бетона должна производиться на основание, состояние которого полностью исключает замерзание смеси по линии стыка с ним, а также возможность деформаций из-за пучинистости грунтов. С этими целями основание участка бетонирования нагревается до достижения им положительной температуры, а после укладки смеси сохраняется от промерзания до тех пор, пока бетон не наберет критическую прочность;
· непосредственно перед началом работ по бетонированию опалубка и арматура чистятся от наледи и снежных масс. Если диаметр арматуры превышает 25 мм, либо она выполнена из жесткого профилированного проката или содержит металлические закладные элементы значительного размера, то в условиях отрицательных температур менее -10оС следует нагреть арматуру.
Процессы бетонирования в условиях отрицательных температур производятся быстро и непрерывно – каждый нижерасположенный слой бетона следует перекрыть новым прежде, чем его температура упадет ниже расчетной.
Современные технологии выполнения бетонных работ в условиях вечной мерзлоты позволяют достичь высокого качества строительных конструкций при оптимальном уровне затрат. Условно они делятся на три группы:
· технология «термоса», базирующаяся на сохранении начальной теплоты смеси, нагретой в процессе составления или перед укладкой на месте работ, а также на использовании выделений тепла, происходящих из-за реакции цемента с водой во время отверждения бетона;
· технология искусственного прогрева бетонной смеси после выполнения ее укладки в конструкцию;
· технология химического снижения точки замерзания воды в составе бетонной смеси и повышения скорости реакции цемента.
В зависимости от ситуации на строительной площадке, приведенные способы выдерживания бетона при низких температурах можно использовать комбинационно. Окончательный выбор в пользу одной из технологий строится на типе конструкций и ее габаритах, на виде бетона, его составе и проектной прочности, которую он должен набрать, местных климатических условий на момент производства работ, энергетических возможностей на строительном объекте и т.д.
Применяют специальные химические добавки. Некоторые химикаты – поташ К2СО3, хлористый кальций CaCl, нитрат натрия NaNO3 и пр. – будучи введенными в состав бетона в небольшом объеме, как правило, не более 2% от количества цемента, повышают скорость твердения бетона на начальном этапе выдерживания. Химические добавки также обеспечивают смещение точки замерзания воды до -3оС, что позволяет нарастить сроки остывания бетона и тем самым обеспечить ему больший набор прочности.
Составление бетонных смесей, включающих в себя химические добавки, выполняется с использованием горячей воды и нагретых зернах наполнителя. При извлечении из смесителя такой бетон обычно имеет температуру от 25 до 35оС, непосредственно перед укладкой его температура падает до примерно 20оС. Укладку в конструкции химически модифицированных бетонов осуществляют при внешней температуре воздуха от -15 до -20оС, после размещения в утепленной опалубке сверху настилается один-два слоя теплоизоляции. Отвердение бетонной конструкции происходит за счет эффекта «термоса» при одновременном действии дозированных химических компонентов. Технология «термосного» бетонирования наряду с использованием химикатов проста и относительно недорога.
В итоге, можно сказать, что здания и сооружения можно построить при любых климатических условиях, только следует применять нужные меры и соблюдать нормы и правила проектирования и эксплуатации зданий и сооружений.
Различные аварийные ситуации представлены на рисунках ниже.
Рис.12 Аварийная ситуация для здания детского сада в г.Чита, возникшая в результате оттаивания линзы многолетней мерзлоты.
На рис.13 представлено здание, приспособленное к неравномерным деформациям способом устройства металлических поясов жёсткости в уровне каждого перекрытия. Причина подобных усилений - развитие неравномерных осадок, вследствие оттаивания линзы многолетней мерзлоты.
Рис.13
Рис.14 Разрушение жилого дома в результате таяния многолетней мерзлоты
17.2. Особенности проектирования и строительства в условиях жаркого климата
К районам жаркого сухого климата относят территории со среднегодовыми температурами, равными или выше 20оС. Такие районы занимают пространства между 15 и 25о северной и южной широт. К ним относятся: южная часть Алжира, Ливия, Египет, Судан, Мали, Нигер, Чад, Мавритания, Эфиопия, Оман, Саудовская Аравия, Ирак, Иран, Пакистан, Афганистан, среднеазиатские республики бывшего СССР, внутренние районы Австралии, юго-запад США, Эквадор, Чили, Перу, Парагвай.
Характерными особенностями данного климата являются:
§ высокий уровень солнечной радиации и инсоляции;
§ высокие температуры воздуха;
§ дискомфортные влажностные и ветровые условия, отриц. влияющие на самочувствие человека и требующие специальных мер защиты людей от неблагоприятных воздействий всех этих факторов.
Жаркий климат отрицательно влияет и на материалы, конструкций
зданий, оборудования и механизмы.
В летний период температура днем в таких районах может колебаться от 27 до 45 о С, ночью от 15 до 24 о С. Зимой температуры днем более низкие. Наиболее ярко выражен этот тип в пустыне Сахаре: летом здесь температура до 70 о С, зимой может опускаться до 0 о С. Суточная амплитуда температур может достигать 40 о С (обычная 15-20 о С). Значение суммарной солнечной радиации возрастает с уменьшением широты и зависит от высоты над уровнем моря, а также от облачности. Облачность в этих районах почти отсутствует, что ведет к перегреву воздуха днем и к потере теплоты в результате излучения ночью. Относительная влажность колеблется в пределах 15-55 % , в летний период она не превышает 20, а зимой – немного выше 40 %. Годовые осадки незначительны, обычно менее 250 мм. В некоторых районах Сахары дожди иногда не выпадают в течение нескольких лет, а в Южной Америке есть пустынные районы, где дождей не бывает десятилетиями. Растительность бедная, специфическая для засушливых районов. Недостаток воды, иссушающие ветры, высокие температуры чрезвычайно затрудняют искусственные посадки, озеленение. Почвы песчаные, гравийно-песчаные с включениями валунов, скалистые, встречаются глинистые и лессовидные. В большинстве районов опасность промерзания отсутствует, грунтовые воды расположены глубоко, однако возможно набухание грунтов. Лессовые грунты при замачивании подвержены просадкам. Для некоторых районов свойственна повышенная сейсмическая активность. Данные природно-климатические особенности районов с жарким сухим климатом требуют закрытого характера режима помещений, надежность защиты человека от внешних неблагоприятных воздействий. Необходимы дополнительне затраты при строительстве зданий, поэтому весьма важным является наиболее точная оценка конкретных климатических условий района строительства.
Выбирая место строительства, следует использовать все естественные возможности снижения температуры, уменьшения напряженности радиации, защиты от вредных ветров. Участок следует выбирать там, где ветры и воздушные течения способствуют охлаждению воздуха. С этой целью следует использовать ветры моря, увлажненные и охлажденные, ветры с гор, охлажденные вверху и стекающие в долины. Для защиты от жарких пыльных ветров следует использовать повышение рельефа – размещать здания в пониженных местах с тем, чтобы они охлаждались в ночное время прохладным воздухом, сосредоточивающимися в долинах и понижениях рельефа. Общая компоновка населенного пункта и размещение отдельных жилых зданий, как и выбор участка, должны быть подчинены задачам улучшения микроклимата помещений и уменьшения их перегрева. Здания следует располагать так, чтобы использовать благоприятные воздушные течения наиболее полно, защищая в то же время от сухого жаркого воздуха.
Для жаркого сухого климата наиболее приемлем замкнутый тип поселения с компактными, широкими корпусами небольшой этажности, включающими чередующиеся разновысотные закрытые и открытые помещения. Желательно блокирование зданий между собой. Это обеспечивает компактность застройки и взаимное затенение зданий – защиту от солнечной радиации и ветров. Жилые здания могут быть мало- и многоэтажными. При соответствующих возможностях рекомендуется частичное заглубление здания в грунт. В жарком климате в жилых районах следует сокращать радиусы пешеходной доступности учреждений обслуживания, размещать их в отдельностоящих зданиях, не включать их в первые этажи жилых зданий (особенно продовольственные магазины и подобные им). Следует предусматривать сооружения летнего типа (кинотеатры, кафе и пр.) на открытом воздухе или трансформацию ограждающих конструкций закрытых помещений, увеличение их площадей за счет озеленения площадок.
Особой задачей при размещении зданий в жарком сухом климате является защита от пыльных бурь. Во время бурь образуются песчаные наносы у зданий и на них. Наносы на здания создают дополнительные нагрузки на перекрытия, удары песчаных частиц по поверхностям ограждающих конструкций разрушают внешнюю отделку и выступающие части здания, повреждают оконные стекла. Мелкая пыль, проникающая в помещения, загрязняет воздух, создает дискомфортные условия проживания. Плотная, компактная застройка благоприятна и с этой точки зрения – уменьшает площади наносов около зданий. Отдельное здание следует размещать широкой стороной к направлению ветра, тогда наносы будут меньше.
Оптимальная ориентация зданий определяется, с одной стороны, требованиям защиты помещений от прямых солнечных лучей, а с другой – требованиям создания необходимого ветрового режима.
Ориентация по солнцу будет оптимальной, если, нагрев ограждающих конструкций будет минимальным. Большое напряжение солнечной радиации, действующей на западные фасады зданий, в сочетании с высокими температурами воздуха во второй половине дня делают нежелательной ориентацию помещений на запад. При строительстве на свободных участках обычно (если нет других ограничений) здания следует располагать по оси на восток – запад с тем, чтобы длинные их стороны получили максимальную возможность затенения. Защищая помещения от перегрева, следует в то же время сохранять необходимые условия инсоляции, учитывая санирующие, бактерицидные свойства солнечных лучей.
Ориентация по ветру должна обеспечить защиту помещений от проникания в них горячих масс воздуха, песка и пыли, максимально снизить интенсивность движения воздуха в помещениях. Позади построек на заветренной стороне образуется зона низкого давления с обратным течением воздуха над поверхностью земли. Протяженность этой зоны зависит от силы и направления ветра, размеров и формы здания и профиля покрытия. Соседние здания, расположенные в пределах этой зоны, слабо омываются ветром и поэтому сильно перегреваются. Во избежание перегрева при застройке территории длинными параллельными зданиями расстояние между ними рекомендуют принимать не менее 7 высот экранирующего здания.
В жарких районах озеленение и обводнение прилегающих к зданию территорий приобретает особое значение как мера снижения температуры окружающего здание воздуха. Не меньшее значение имеют и меры благоустройства территории. Озеленение прилегающей к зданию территории должно способствовать: ограничению радиационного облучения дорожек и площадок у здания в часы максимального перегрева; защите от солнечной радиации стен зданий, сплошных оград южной и западной ориентации; ограничению радиации почвы; созданию необходимых условий проветривания – снижению скорости ветра в районах сильных ветров. На улицах широтного направления дорожки и тротуары у зданий, обращенных фасадами на север, можно окаймлять низкорастущими деревьями, так как защита от солнца обеспечивается самими зданиями. На южных фасадах посадки должны затенять дорожки и тротуары для удобства пользования и снижения отраженной радиации. На меридионально направленных улицах тротуары у восточных фасадов следует защищать только от полуденного солнца. У западных фасадов тротуары окаймляют высокоствольными деревьями для затенения фасадов и низкоствольными, ширококронными – для защиты пешеходов. Зеленые насаждения – деревья, кустарники, вьющиеся растения – выполняют солнцезащитные функции, затеняя здания, при этом в субтропиках они обладают таким ценным свойством, которым не обладают обычные стационарные защитные устройства: сбросив листья, они пропускают солнечные лучи в помещения в зимний период, когда в инсоляции ощущается необходимость. Лучшими для озеленения считаются невечнозеленые породы деревьев, такие как вяз, клен, тополь.
Защищая здания от солнечных лучей, зеленые насаждения поглощают солнечную энергию и, выделяя влагу, охлаждают воздух, очищают и фильтруют его. Используя зеленые насаждения, можно снизить температуру воздуха до 2,5 о С, интенсивность солнечной радиации – до 40-50%, скорость ветра – до 50-60, загрязнение воздуха – на 25-40%. В условиях жаркого сухого климата и искусственного орошения более целесообразно не травяное покрытие, а почвопокровные растения. В тех случаях, когда не может быть осуществлен посев трав и растений, грунт следует прикрыть мощением.
Положительно влияет на микроклимат обводнение территории: устройство бассейнов, фонтанов и т.д. Озеленение и сопутствующее ему обводнение проектируют из условий соблюдения необходимого сочетания потребности снижения влияния солнечной радиации и возможности достижения необходимой свободы перемещения воздушных потоков.
Таким образом, при выборе места строительства, необходимо:
· использование охлажденных ветров с моря, гор;
· использование повышения рельефа – размещать здания в пониженных местах (охлаждение ночным воздухом).
По защите зданий необходимо принятие следующих мер:
§ Создание большой плотности застройки, замкнутый тип поселения (компактное размещение, блокирование построек и большая их ширина, заглубление в грунт) – взаимное затенение зданий, защита помещений от сухого горячего воздуха, сокращение площади облучаемой солнцем конструкции, уменьшение площади песчаных наносов;
§ расположение здания по оси восток-запад – максимальная возможность затенения;
§ сокращение радиусов пешеходной доступности учреждений обслуживания (размещение их в отдельностоящих зданиях, не включать их в первые этажи жилых зданий);
§ предусматривать сооружения летнего типа (кинотеатры, кафе и пр.) на открытом воздухе;
§ озеленение и обводнение территории.