Merzlota

ЗДАНИЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА В РАЙОНАХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА И ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Особенности условий районов Крайнего Севера и вечномерзлых грунтов. Такие районы, включающие тундровые, лесотундровые и частично таежные зоны. Обладая крупными запасами многих полезных ископаемых, районы Крайнего Севера и вечно мерзлых грунтов имеют большое народно-хозяйственное значение.

К особым условиям, отличающим северные районы от областей средней полосы, следует отнести:

продолжительный зимний период (от 185 до 305 дней) с низкими отрицательными температурами; густые туманы при температуре ниже - 30-40°С; короткое лето; большой годовой температурный перепад (в отдельных местах до 100°С), сильные ветры, достигающие 30- 40 м/с;

вечномерзлое состояние грунтов при различных их теплофизических и строительных свойствах и многообразном характере распространения и залегания грунтов (сплошное, прерывное и островное при различной мощности вечномерзлой толщи); наличие поверхностного слоя, ежегодно протаивающего летом и замерзающего зимой, называемого деятельным;

высокую относительную влажность воздуха в районах побережья морей и океанов (до 90%), длительный полярный день и ночь; малую естественную освещенность территории осенью и зимой и недостаток ультрафиолетового облучения в районах, находящихся севернее 66-й параллели;

сильные и продолжительные метели и поземки в тундровых и лесотундровых зонах, вызывающие в ряде мест заносы высотой до 10 - 15 м и оголяющие землю на других участках;

скудную растительность в районах побережья морей и океанов, отсутствие крупноствольной растительности в тундровой зоне и слабое развитие растительности в лесотундровых и северотаежных районах;

малую освоенность территории, небольшую численность населения, редкое размещение населенных пунктов, отдаленность их от промышленных районов, ограниченность и сезонную периодичность транспортной связи, слабое развитие строительной индустрии.

Необычные климатические, грунтовые и экономические условия районов Крайнего Севера и вечномерзлых грунтов вызывают необходимость разработки для них проектов зданий и сооружений с особыми объемно-планировочными и конструктивными решениями.

Планировка предприятий и защита зданий от снежных заносов. Так как стоимость освоения и эксплуатации территории в северных районах очень велика, промышленные предприятия там строят с соблюдением максимальной плотности застройки и компактности планировки.

Особое значение для северных районов приобретает объединение и блокирование в одном здании цехов и помещений всего предприятия или размещаемых в комплексе нескольких предприятий. В таком здании размещают кроме основных производств также вспомогательные и складские помещения.

По условиям снегозаносимости не следует строить на Севере здания со сложной формой плана, особенно П - и Ш - образные.

При расположении предприятия в нескольких зданиях расстояния между ними назначают минимальными, но с соблюдением противопожарных и санитарных разрывов, а также с обеспечением расчетного температурного и гидрогеологического режимов грунтов в основаниях зданий и сооружений.

Уменьшить площадь предприятий можно также путем размещения административно-бытовых, торговых и не имеющих вредностей производственных зданий в санитарно-защитных зонах.

Здания и сооружения на территории предприятия следует размещать с учетом обеспечения благоприятных условий для проветривания, естественного освещения и инсоляции помещений и исключения (или ограничения) снежных заносов и отложений снега на покрытиях зданий и внутризаводских коммуникациях.

В целях обеспечения нормальной и без больших расходов эксплуатации промышленные предприятия, сооружаемые в районах Крайнего Севера, предохраняют от снежных заносов. Заносы образуются снегом, переносимым ветром при метелях и поземках. Снеговетровой поток, встречаясь с каким-либо препятствием, теряет скорость, и снег отлагается за этим препятствием.

При размещении зданий и сооружений необходимо учитывать, что зона снегоотложения за ними составляет около 5 Н (Н - высота здания или сооружения).

Промышленные предприятия защищают от снежных заносов с помощью естественных преград, разработкой специального архитектурно-планировочного решения предприятия и применением искусственных преград.

К естественным преградам, уменьшающим снеговые заносы предприятий, относят лесные массивы, овраги, русла рек, возвышенности, низины и т. п. Заводы и фабрики рекомендуется размещать среди леса и на подветренных опушках, где отлагается наименьшее количество снега. По отношению к пониженным участкам рельефа предприятия располагают с подветренной стороны, поскольку на таких участках происходит наибольшее скопление снега.

При необходимости строительства предприятий у возвышенностей их размещают на наветренном склоне в его верхней части, так как с подветренной стороны склона происходят завихрения, вызывающие отложения снега. На ровной открытой местности промышленные предприятия располагают длинной осью параллельно господствующему направлению метелевых ветров, при этом территория заносится снегом меньше.

Значительно уменьшить снегозаносимость предприятия можно специальными приемами взаимного расположения на территории зданий и сооружений. Один из таких приемов - устройство снегозащитного фронта из зданий с наветренной стороны территории предприятия (рис. 6, а). Снегозащитный фронт в данном случае образует объединенный административно-бытовой корпус, связанный закрытыми переходами с производственными зданиями.

В качестве снежной преграды используют также складские здания, объем которых на северных предприятиях значительно больший, нежели на аналогичных предприятиях в средней полосе. Последнее объясняется повышенными нормами запаса материалов, вызванными сезонностью транспортных путей.

Относительно небольшое скопление снега наблюдается на тех промышленных предприятиях, здания и сооружения которых расположены длинной стороной параллельно господствующему направлению метелевых ветров (рис. 6, б). При такой планировке снег беспрепятственно переносится по территории предприятия.

Отложения снега около зданий и сооружений можно уменьшить приданием им обтекаемой формы, устройством на них аэродинамических приспособлений, перекрытием на зиму или на период метелей разрывов между зданиями временными конструкциями, устройством продуваемого подполья (рис. 6,в).

В районах с большими объемами переноса снега для защиты предприятий от заносов сооружают снегозадерживающие конструкции (щиты, заборы, стенки и т. п.) стационарного или переносного типа, а также искусственные лесополосы.

Снегозащитные мероприятия проектируют с учетом розы интенсивности снегопереноса, которая из-за рельефа местности и наличия растительности не всегда совпадает с розой доминирующих направлении ветров.

Подъездные пути к цехам, а также входы и въезды в здания предусматривают с наветренной стороны или в стенах, параллельных направлению господствующих метелевых ветров. Дороги и тротуары размещают непосредственно у зданий, если они проходят с наветренной стороны, и на расстоянии не менее трех высот здания - с подветренной стороны.

Основные приемы планировки предприятий, хорошо зарекомендовавшие себя в средней полосе нашей страны, можно использовать и при строительстве на Севере с учетом конкретных условий.

Методы строительства на вечномерзлых грунтах. Вечномерзлые грунты, обладающие достаточной несущей способностью в мерзлом состоянии, утрачивают ее при оттаивании и в таком виде, как правило, становятся непригодными в качестве оснований. Долговечность зданий и сооружений обеспечивают устройством надежного основания, исключающего появление недопустимых деформаций. В этих целях можно также применять конструкции зданий и сооружений, приспособленные к повышенным неравномерным осадкам.

На монолитных скальных и подобных им породах, не меняющих механических свойств при изменений температуры с отрицательной на положительную, здания на Крайнем Севере возводят без учета вечно-мерзлого состояния грунтов.

Рис. 6. Примеры планов предприятий и типов зданий, снижающие зависимость снегом:

а - устройство снегозащитного фронта; б - сквозной перенос снега; в -использование аэродинамических свойств зданий для уменьшения снежных заносов.

С учетом инженерно-геологических условий, конструктивных особенностей зданий, характера технологического процесса и экономической целесообразности принимают следующие принципы использования вечномерзлых грунтов в качестве основания: принцип I - грунты основания сохраняют в мерзлом состоянии, как в процессе строительства, так и на весь период эксплуатации здания (сооружения); принцип II- грунты основа мня, находятся в оттаявшем состоянии, причем оттаивание их допускается и процессе эксплуатации здания или до начала возведения.

Для сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии с целью обеспечения их расчетного теплового режима предусматривают холодные подполья или холодные первые этажи зданий, охлаждающие трубы или каналы в основании пола, а также теплоизолирующие слои под ними.

.Наиболее простой и надежный способ сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии - устройство холодного подполья, вентилируемого в. течение всего года. Пол первого этажа в этом случае обязательно должен быть приподнят над поверхностью грунта.

Высоту подполья (расстояние от поверхности грунта до низа балок перекрытия) принимают не менее 1 м. Холодные подполья подразделяют на открытые и закрытые. Подполья первого вида вентилируются через зазор между фундаментной балкой и поверхностью грунта (рис.7, а), второго - через продухи в цоколе или вытяжные трубы. Стены закрытого подполья выполняют из железобетонных неутепленных плит.

Способ вентиляции подполья выбирают с учетом снегоотложения в данном районе и среднезимних скоростей ветра. При скорости ветра менее 4-6 м/с для вентиляции предусматривают продухи в цоколе здания или открытые подполья.

Когда возможны значительные снежные заносы, продухи располагают выше поверхности снегоотложений, а высоту открытых подполий назначают из условия обеспечения свободного переноса снега под зданием. Если меры, по снегозащите не предусмотрены в районах со среднезимней скоростью ветра более 4-6 м/с для вентиляции подполий зданий устанавливают вытяжные грубы.

Рис. 7. Способы сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии:

а -здание с открытым подпольем; б - здание с охлаждающими трубами; 1- свая; 2- ростверк; 3-фундаментная балка; 4- стена; 5 - колонна; 6 - балка; 7 - панель перекрытия; 8 - утеплитель; 9 - армированная бетонная стяжка; 10 - гидроизоляция; 11 - покрытие пола; 12- вечно-мерзлый грунт; 13- сезоннооттаивающий слой грунта; 14-подсыпка; 15 - пол; 16 - граница сезонного промерзания грунта; 17 - граница вечномерзлого грунта; 18 - охлаждающие стальные трубы

Режим вентиляции должен обеспечивать расчетную температуру основания здания, не допуская ее повышения и даже излишнего охлаждения подполья, чтобы не увеличивать термическое сопротивление цокольного перекрытия.

Для сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии вместо холодного подполья иногда устраивают в здании холодный первый этаж. Среднегодовая температура в помещениях этого этажа должна быть не ниже 0°С.

В летний период температура воздуха в неотапливаемом этаже будет положительной, в результате чего под зданием начнется сезонное оттаивание грунтов. Зимой в неотапливаемый этаж тепло поступает из оттаявшего за лето слоя грунта и через перекрытие из второго отапливаемого этажа. Это тепло отводится через стены и окна неотапливаемого этажа.

Под зданиями и сооружениями, имеющими большие пролеты или с большими нагрузками на пол первого этажа, а также когда по технологическим условиям недопустимы холодные подполья, для сохранения грунта в мерзлом состоянии предусматривают охлаждающие трубы, или каналы (рис. 7, б). Такие трубы укладывают в основании пола в зоне летнего оттаивания подсыпки, состоящей из крупнообломочных или песчаных грунтов.

Охлаждающие трубы или каналы объединяют в коллекторы, по которым зимой подается в систему и отводится холодный наружный воздух. В период положительных температур охлаждающую систему закрывают. В зимнее время подсыпка, оттаявшая летом от поступающего из помещения тепла, промерзает под влиянием холодного воздуха, проходящего по трубам или каналам. Трубы диаметром 0,2-0,4 м рекомендуется укладывать параллельно короткой стороне здания.

В тех случаях, когда зимний наружный воздух не может сохранить грунты основания в мерзлом состоянии, а допускать оттаивание неэкономично, предусматривают искусственное охлаждение грунтов с помощью холодильных установок. Охлаждаются грунты за счет циркуляции по трубам фреона аммиака или керосина.

Для фундаментов, опирающихся ниже зоны оттаивания, предусматривают ограничение зоны оттаивания вечномерзлых грунтов основания. Этот способ можно применять при температуре вечномерзлых грунтов ниже -3°С для зданий шириной до 12 м и при технологии без мокрых операций и тепловыделяющих устройств. Для ограничения зоны оттаивания под зданием устраивают термоизолирующую насыпь из крупнообломочных и песчаных грунтов, шлаков и горелых пород.

При строительстве зданий по II принципу грунты основания содержат в оттаивающем или оттаявшем состоянии. В случае необходимости предусматривают мероприятия, но уменьшению деформаций основания, приспосабливают конструкции зданий к восприятию повышенных деформаций или совмещают оба мероприятия. Для решения этого вопроса проводят расчет основания по деформациям.

Уменьшить деформации основания можно предварительным искусственным оттаиванием вечномерзлого грунта на заданную глубину до возведения здания (иногда с уплотнением или закреплением его), заменой льдонасыщенного грунта карьерным песчаным или крупнообломочным грунтом или увеличением глубины заложения фундаментов.

Принцип строительства выбирают с учетом конкретных условий застраиваемой площадки, типа здания, материалоемкости, продолжительности его возведения.

Объемно-планировочные решения зданий. При проектировании промышленных зданий для северных районов предпочтение отдают многоэтажным зданиям сблокированного типа с наиболее простым объемно-планировочным решением. Такие здания, имея меньшую площадь застройки, позволяют уменьшить площадь ограждающих поверхностей, количество фундаментов и протяженность межцеховых коммуникации, облегчают сохранение грунта в мерзлом состоянии и улучшают условия эксплуатации предприятий.

Многоэтажные здания особенно целесообразно возводить на ограниченных по площади участках с благоприятными мерзлотно-грунтовыми условиями, в районах с большими снеговыми нагрузками, интенсивной снегозависимостью, при жесткой конструктивной схеме.

Одноэтажные здания северных районов в целях уменьшения количества фундаментов следует проектировать с укрупненной сеткой колонн. При этом снижаются также дополнительные усилия от неравномерной осадки несущих опор. Одноэтажные здания рекомендуется возводить при податливой конструктивной схеме.

Укрупненную сетку осей колонн целесообразно применять для придания объемно-планировочному решению зданий технологической гибкости и универсальности.

Помещения с «мокрыми» технологическими процессами не следует размещать у наружных стен зданий, и, наоборот, помещения, в которых расположены производства со значительными выделениями тепла, а также вредных выбросов (пыли, дыма, газа и копоти), рекомендуется размещать у наружной стены с подветренной стороны здания. Агрегаты, выделяющие тепло, необходимо сооружать на перекрытиях или на отдельных, не связанных с несущими конструкциями фундаментах.

При строительстве объектов по II принципу высоту помещений проемов ворот и дверей, расстояния по высоте между оборудованием и конструкциями здания назначают с запасами, обеспечивающими возможность нормальной работы здания в процессе осадок конструкций.

В зданиях, проектируемых по I принципу, не рекомендуется устраивать подвалы и цокольные этажи, подземные каналы и галереи. Если же последние нужны по условиям технологии производства, предусматривают надежную гидро- и теплоизоляцию вечномерзлых грунтов основания.

Покрытия зданий должны иметь простой профиль, без выступающих и западающих участков, которые вызывают завихрения снеговетровых потоков и отложение снега. Предпочтение отдают зданиям с плоской и криволинейной крышами. Многоскатные здания располагают вдоль направления доминирующих зимних ветров, а при односкатных кровлях уклон ориентируют в наветряную сторону. В большинстве случаев водоотвод с покрытий предусматривают неорганизованный наружный.

При устройстве в зданиях световых и аэрационных фонарей необходимо предусматривать меры, препятствующие заносу их снегом, обмерзанию остекления и переохлаждению помещении, а также Позволяющие беспрепятственно регулировать (открывать и закрывать) фрамуги при сильной пурге.

Безоконные и бесфонарные здания в условиях северного климата, строят лишь в тех случаях, когда по технологическим соображениям в помещениях должен быть создан постоянный температурно-влажностный режим.

Рис. 8. Основные типы фундаментов зданий, возводимых на вечномерзлых грунтах по принципу I (разрезы и планы):

а - свайные; 6 - полносборная стойка с башмаком; в - стойка с башмаком стаканного типа; г - столбчатый из бетонных блоков.

Входы в отапливаемые здания оборудуют двойными тамбурами, а въезды - тепловыми воздушными завесами и шлюзами-тамбурами. Наружные ворота следует проектировать раздвижными или подъемными; допускается устраивать распашные ворота, открывающиеся внутрь. Фасады зданий не должны иметь ниш, поясов и других элементов, задерживающих снег и влагу.

К архитектурно-художественному облику зданий и цветовому решению интерьера помещений в северных районах с бедным природным окружением, тяжелыми метеорологическими условиями предъявляют повышенные требования. Яркие и сочные цвета фасадов и интерьеров должны компенсировать северянам унылое природное окружение.

Конструктивные решении зданий. Здания и сооружения для северных районов проектируют с максимальной степенью сборности. Для них применяют конструктивные элементы высокой заводской готовности с надежными и простыми в монтаже соединениями, позволяющими строить объекты в условиях низких температур. Сборные конструкции, используемые для этих целей, должны иметь малую массу и хорошую транспортабельность.

При строительстве зданий по I принципу их конструкции проектируют без учета осадочных деформаций основания. Фундаменты для таких зданий устраивают свайные, как правило, железобетонные, сплошного или сквозного сечения (рис. 8, а). Допускается применять также деревянные и металлические сваи. По способу погружения, определяемому видом вечномерзлого грунта, сваи подразделяют на погружаемые в пробуренные скважины, погружаемые с оттаиванием грунта; бурозабивные и забивные.

При небольшой толщине слоя сезонного промерзания-оттаивания (до 1,5 м) и высокой несущей способности вечномерзлых грунтов целесообразно устанавливать сваи-стойки на башмаках (рис. 8, б, в). При строительстве зданий на непучинистых грунтах иногда применяют столбчатые фундаменты, собираемые из бетонных блоков (рис. 8, г).

При строительстве по II принципу конструкции зданий их основания приспосабливают к восприятию повышенных деформаций для обеспечения устойчивости и эксплуатационной надежности сооружений. При этом для зданий в зависимости от расчетных, величин деформаций основания принимают: жесткую конструктивную схему, при которой конструкции взаимно не перемещаются (здание оседает равномерно), податливую конструктивную схему, при которой возможны взаимные перемещения шарнирно связанных между собой конструкций без нарушения эксплуатационных качеств зданий.

В зданиях с жесткой конструктивной схемой устраивают поэтажные железобетонные, или армокирпичные пояса, связанные с перекрытиями. Простенки и углы кирпичных стен усиливают армированием, а сборные элементы покрытий и перекрытий замоноличивают и анкеруют. Кроме того, продольные и поперечные стены рекомендуется располагать симметрично относительно главных осей здания (отсека), не допуская излома стен в плане и ослабления их нишами, каналами и т.д. Поперечные несущие стены или рамы располагают на расстоянии не более 12 м друг от друг. Проемы в стенах принимают одинаковых размеров и размещают их равномерно.

Для зданий с податливой конструктивной схемой применяют разрезные конструкции с минимально допускаемыми жесткостями на изгиб и сдвиг в вертикальной плоскости. Площади опирания и крепления конструкции назначают исходя из условия обеспечения прочности при неравномерной осадке здания.

Многоэтажные и одноэтажные здания с пролетами до 12 м, как правило, проектируют по жесткой конструктивной схеме, а одноэтажные с пролетами более 12 м - по податливой схеме.

Здания, возводимые по II принципу, разделяют осадочными швами на отсеки, длина которых не должна превышать величин, указанных в табл.2.

Таблица 2 Предельная длина отсеков здания

Величина средней осадки основания здания по СНиПу, см	Предельная длина отсеков, м
	При жесткой схеме	При податливой схеме
15-30	42	60
30	24	32

Здания с жесткой конструктивной схемой возводят на ленточных (в том числе и в виде перекрестных лент) и сплошных плитных фундаментах. При предварительно оттаявших и уплотненных грунтах устраивают столбчатые и свайные фундаменты

Здания с податливой конструктивной схемой возводят на отдельных стоящих столбчатых фундаментах, а при строительстве на предварительно оттаявших и уплотненных грунтах и на свайных. Во всех случаях необходимо обеспечивать сохранение расчетных расстояний между мостовыми кранами и несущими конструкциями покрытия и габаритов ворот. Планировочные отметки назначают с учетом возможных осадок основания.

В зданиях, возводимых по II принципу, устраивать мостовые краны можно лишь по специальному обоснованию. При этом подкрановые балки проектируют разрезными, а подкрановые пути - с учетом возможности вертикального выправления их за счет подъема рельсов или балок не менее чем на 100 мм и горизонтального перемещения не менее чем на 50 мм. В случае оборудования зданий подвесными кранами предусматривают регулировку вертикального положения подкрановых путей путем изменения длины подвесок.

В северных районах, особенно на Крайнем Севере, где строительство ведут в основном из сборных привозных элементов, особое значение имеет снижение массы зданий. Кроме того, конструкции должны иметь максимальную заводскую готовность.

При строительстве на вечномерзлых грунтах основным типом промышленного здания, как и в обычных условиях, является здание каркасного типа. Элементы каркаса выполняют из железобетона и металла, причем металлические конструкции здесь более эффективны, чем в центральных районах.

Ограждающие конструкции стен и покрытий рекомендуется устраивать из облегченных панелей. Весьма эффективны утепленные панели с обшивками из алюминиевых, стальных и асбестоцементных листов. В качестве утеплителя используют стекловойлок, минеральную вату, легкие бетоны и другие пористые материалы.

В наружных стенах из сборных элементов целесообразно иметь минимальное число стыков. Заполняют их минераловатными материалами, пенополиуретаном и герметизирующими мастиками, сохраняющими эластичность при низких температурах.

Для наружных стен зданий с влажным и мокрым режимами эксплуатации следует использовать панели с воздушными прослойками или многослойные.

Климатические условия северных районов затрудняют устройство рулонных кровель. Процесс наклейки рулонного ковра там особенно целесообразно переносить и заводские условия, как это предусмотрено, например, в кровельных панелях.

Потребность в естественном освещении производственных помещений в северных районах чрезвычайно велика. Хорошая естественная освещенность помещении в период непрерывного полярного дня частично компенсирует отсутствие ее во время продолжительной полярной ночи.

В целях уменьшения снегоотложений на кровле зданий нецелесообразно применять фонарные надстройки. Хорошие светотехнические показатели в условиях севера обеспечивают маловыступающие над кровлей зенитные фонари. Для заполнения световых проемов применяют стеклопакеты, стеклоблоки, стеклопрофилит, многослойные стеклопластиковые панели, а также тройные переплеты. Места притвора форточек и фрамуг уплотняют упругими прокладками и натяжными приборами.

Перспективны для северных районов панели из светопрозрачных многощелевых пустотных термопластических элементов, разработанные в ЦНИИ промзданий (рис.9). Панели, имеющие размеры 1,2х3, 1,8х3,2, 4х3 и 3х3 м можно использовать при ленточном остеклении и для заполнения отдельных проемов. Для герметизации стыков панелей и мест примыкания к стенам применяют специальные профили из эластичных материалов. Светопроемы из этих элементов обладают высокими светотехническими и теплотехническими показателями, воздухонепроницаемы, имеют небольшую массу и достаточную прочность.