12. Особенности конструктивных решений зданий для строительства в холодной строительно-климатической зоне
Для холодной строительно-климатической зоны характерны низкая температура наружного воздуха, сильные ветры, снеговые заносы, вечномёрзлые грунты оснований, отсутствие транспортных коммуникаций и строительной базы, а так же квалифицированных рабочих. Вследствие этого строительство в холодной климатической зоне целесообразно выполнять из лёгких сборных конструкций, изготовленных на предприятиях в освоенных районах, транспортировка которых была бы наименее дорогой. Конструкции зданий и сооружений должны быть транспортабельными, а их соединения должны быть простыми и надёжными.
Самой сложной проблемой при проектировании зданий на вечной мерзлоте является выбор конструкции фундамента, что обусловлено следующими причинами:
снижение несущей способности вечномёрзлого грунта, вплоть до полной её потери, из-за изменения температурного режима под построенным зданием;
пучение грунта при сезонном промерзании;
снижение несущей способности вечномёрзлого грунта вследствие его ползучести под нагрузкой.
Оттаивание грунта под построенным зданием может достигать глубины до 10–15 м и вследствие этого исключается возможность заглубления фундамента до сохраняющейся вечной мерзлоты. В связи с этим в районах вечной мерзлоты целесообразно здания строить на скальных, крупнообломочных, гравелистых, песчаных и других непучинистых грунтах, несущая способность которых не зависит от промерзания. Однако названные грунты оснований в районах вечной мерзлоты встречаются редко.
Наиболее часто применяемый способ устройства фундаментов в районах вечной мерзлоты – это сохранение под фундаментом вечной мерзлоты, что достигается следующими приёмами:
устройство между зданием и находящимся под ним вечномёрзлым грунтом проветриваемых подполий с продухами или холодных (сквозных) первых этажей, что защищает нижележащий вечномёрзлый грунт от температурного воздействия построенного здания, так как между зданием и грунтом имеется продуваемое пространство (рис. 12.1 а, б, в, г), при этом высота подполий от поверхности грунта до низа перекрытий должна быть не менее 0,5 м, а перекрытия над подпольями и холодными этажами необходимо надёжно утеплять;
Рис. 12.1. Способы сохранения вечной мерзлоты под фундаментом зданий: а – открытое нерегулируемое подполье; б, в – открытое регулируемое подполье с продухами в нижней и верхней части; г – открытое нерегулируемое подполье с техническим этажом над ним; д – теплоизоляционная подсыпка грунта; е – искусственное охлаждение грунта под фундаментом
устройство под фундаментами зданий теплоизоляционных подсыпок соответствующей толщины из песка, гравия, шлака и других непучинистых материалов, что защищает вечномёрзлый грунт основания от температурного воздействия находящегося над ним здания (рис. 12.1 д);
искусственное охлаждение грунта под фундаментами, для чего в грунт под фундаменты укладывают трубы, по которым прогоняют хладоноситель, т. е. охлаждённые воздух или жидкость, что значительно снижает стоимость устройства фундаментов, но существенно повышает эксплуатационные расходы (рис. 12.1 е).
Наиболее целесообразно в районах вечной мерзлоты устраивать свайные фундаменты, позволяющие приподнять здание над грунтом с устройством продуваемого подполья. Сваи устанавливают в заранее устроенные в вечномёрзлом грунте скважины с последующей заливкой зазоров между сваями и стенками скважин грунтовым раствором. Сваи могут также забиваться в грунт после предварительного его местного оттаивания электронагревателями. При устройстве свайных фундаментов не требуется отрывка глубоких котлованов и траншей под фундаменты, что экологически более целесообразно, так как в меньшей мере разрушает окружающую среду.
Пучение грунта при сезонном промерзании вызывает нормальные и касательные силы, действующие на фундамент (рис. 12.2). При этом нормальные силы в несколько раз могут превышать нагрузку на подошву фундамента от здания, вследствие чего эти силы могут поднять любое здание, а касательные силы из-за смерзания пучащегося грунта с боковыми шероховатыми поверхностями фундамента могут приподнять одно- двухэтажное здание.
Рис. 12.2. Силы пучения, действующие на фундамент при промерзании грунта: 1 – нормальные силы; 2 – касательные силы
Для снижения нежелательного воздействия сил пучения на фундамент здания при сезонном промерзании грунта применяют как активные меры (осушение грунтов, их закрепление, замена на непучинистые грунты и др.), так и пассивные меры, т. е. закладку подошвы фундамента ниже уровня сезонного оттаивания грунта, обмазку боковых поверхностей фундаментов битумными мастиками или гидрофобными материалами и др. Однако эти меры лишь частично смягчают воздействие сил пучения.
При строительстве зданий на вечномёрзлом грунте необходимо иметь в виду, что мёрзлым грунтам присуще свойство ползучести под нагрузкой, и вследствие этого для предупреждения нежелательных деформаций нагрузка на грунт не должна превышать предел длительной прочности мёрзлого грунта, величина которого в 5–10 раз меньше мгновенной прочности.
Несущий остов зданий для районов с холодным климатом целесообразно выполнять каркасным или с внутренними поперечными несущими стенами, а наружные стены устраивать панельными ненесущими с эффективным утеплителем, что защитит основные несущие конструкции, находящиеся внутри здания, от воздействия низких внешних температур. Применение традиционных материалов для наружных ограждающих конструкций не целесообразно из-за недостаточной их морозостойкости в таком климате и дорогой транспортировки.
Поверхности наружных ограждений не должны иметь выступающих или западающих частей, способствующих задержанию или накоплению снега. Покрытия желательно устраивать чердачные вентилируемые, но могут применяться и невентилируемые, так как в этих районах невысокая влажность наружного воздуха из-за небольшого количества осадков, выпадающих в тёплое время года.
Оконные проёмы необходимо выполнять с тройным или четверным остеклением, а стыки в оконном заполнении должны быть тщательно загерметизированы, чтобы избежать образования наледей в пространстве между переплётами и на внутренней поверхности стёкол.