Несущие конструкции

Несущие конструкции — это совокупность элементов здания или сооружения, которые воспринимают все виды нагрузок (собственный вес, вес оборудования, людей, снега, ветра, сейсмические воздействия) и передают их на основание (грунт). Они обеспечивают пространственную жесткость, устойчивость и геометрическую неизменяемость объекта на протяжении всего срока эксплуатации. Разрушение или повреждение несущих конструкций, как правило, приводит к обрушению всего здания или его значительной части.

Классификация несущих конструкций

Несущие конструкции классифицируются по нескольким основным признакам: материалу изготовления, статической схеме работы, способу возведения и функциональному назначению.

По материалу

Железобетонные конструкции. Наиболее распространенный тип в современном строительстве. Изготавливаются из бетона, армированного стальной арматурой. Бетон работает на сжатие, а арматура — на растяжение. Различают сборные (из заводских элементов: колонн, балок, плит перекрытия) и монолитные (бетонируемые непосредственно на строительной площадке в опалубке). Железобетонные конструкции обладают высокой огнестойкостью, долговечностью и несущей способностью.
Стальные конструкции. Изготавливаются из прокатных профилей (двутавры, швеллеры, уголки, трубы) и листовой стали. Характеризуются высокой прочностью при относительно небольшом весе, что позволяет перекрывать большие пролеты (мосты, ангары, стадионы). Требуют защиты от коррозии и огня (огнезащитные покрытия).
Каменные конструкции (кирпичные, блочные). Традиционный материал для стен и столбов. Работают преимущественно на сжатие. Обладают высокой тепловой инерцией, но имеют низкую прочность на изгиб и растяжение, что ограничивает их применение в высотном строительстве без дополнительного армирования.
Деревянные конструкции. Используются в малоэтажном строительстве, а также для создания уникальных архитектурных форм (клееный брус, LVL-брус). Современные деревянные конструкции (клееные, из перекрестно-склеенной древесины — CLT) могут быть высокопрочными, экологичными и огнестойкими при правильной обработке.
Комбинированные (композитные) конструкции. Сочетают разные материалы для оптимального использования их свойств. Например, сталежелезобетонные конструкции (стальная балка, работающая совместно с железобетонной плитой перекрытия) или армоцементные конструкции.

По статической схеме

Стержневые системы (каркасы). Состоят из прямолинейных или криволинейных элементов (стоек, ригелей, ферм, арок). Примеры: рамные каркасы зданий, фермы покрытий, башни.
Плоскостные (сплошные) системы. Элементы, у которых один размер (толщина) значительно меньше двух других. К ним относятся плиты перекрытий и покрытий, стены-диафрагмы жесткости, оболочки.
Пространственные системы. Обеспечивают работу в трех направлениях. Примеры: купола, своды, складки, висячие покрытия (вантовые и мембранные), пространственные решетчатые конструкции (типа «Кисловодск»).

По способу возведения

Сборные. Монтируются из готовых элементов заводского изготовления. Обеспечивают высокую скорость строительства, но требуют мощной грузоподъемной техники и тщательной стыковки.
Монолитные. Бетонируются на месте. Позволяют создавать здания сложной геометрии, обеспечивают высокую жесткость и герметичность стыков.
Сборно-монолитные. Комбинируют сборные элементы (например, пустотные плиты перекрытия) с монолитными участками и монолитным ядром жесткости.

Основные элементы несущих конструкций здания

Несущий остов здания состоит из нескольких ключевых групп элементов, каждая из которых выполняет определенную функцию.

Фундаменты

Подземная часть здания, передающая нагрузку от всех вышележащих конструкций на грунт. Различают ленточные (под стены), столбчатые (под колонны), плитные (под всей площадью здания) и свайные (при слабых грунтах).

Вертикальные несущие элементы

Стены. Несущие стены воспринимают нагрузку от перекрытий и покрытий и передают ее на фундамент. В каркасных зданиях стены могут быть только ограждающими (ненесущими).
Колонны (стойки). Вертикальные стержневые элементы, работающие на сжатие (часто с изгибом). Являются основой каркаса.
Пилоны. Крупные колонны прямоугольного или сложного сечения, часто используемые в высотных зданиях и мостах.

Горизонтальные несущие элементы

Перекрытия. Горизонтальные конструкции, разделяющие здание на этажи и воспринимающие полезную нагрузку (люди, мебель, оборудование). Передают ее на стены или колонны. Обеспечивают пространственную жесткость здания.
Покрытия (крыши). Верхняя ограждающая и несущая конструкция, защищающая здание от атмосферных воздействий. Могут быть плоскими или скатными.
Балки и ригели. Горизонтальные стержневые элементы, работающие на изгиб. Перекрывают пролеты между колоннами или стенами и служат опорами для плит перекрытия.
Фермы. Решетчатые конструкции, состоящие из стержней, соединенных в узлах. Позволяют перекрывать большие пролеты (до 100 м и более) при относительно малом расходе материала.

Связи и диафрагмы жесткости

Элементы, обеспечивающие пространственную неизменяемость здания. Они воспринимают горизонтальные нагрузки (ветер, сейсмика) и передают их на фундамент. К ним относятся:

Вертикальные связи (крестовые, портальные) — устанавливаются между колоннами.
Горизонтальные связи — в уровне перекрытий и покрытий.
Диафрагмы жесткости — сплошные стены (часто железобетонные), работающие как вертикальные консольные балки.

Принципы работы и расчета

Расчет несущих конструкций производится на основе строительной механики и сопротивления материалов. Основные принципы:

Сбор нагрузок. Определение всех возможных воздействий (постоянных, временных, особых) в соответствии с нормативными документами (в РФ — СП 20.13330 «Нагрузки и воздействия»).
Статический расчет. Определение внутренних усилий (изгибающих моментов, поперечных и продольных сил) в элементах конструкции при различных сочетаниях нагрузок.
Проверка прочности. Обеспечение того, чтобы напряжения в материале не превышали расчетных сопротивлений.
Проверка жесткости. Ограничение деформаций (прогибов, перемещений) в пределах, не нарушающих нормальную эксплуатацию и внешний вид здания.
Проверка устойчивости. Обеспечение того, чтобы конструкция не потеряла свою первоначальную форму под нагрузкой (например, продольный изгиб колонны, потеря устойчивости плоской формы изгиба балки).

Современные расчеты выполняются с использованием метода конечных элементов (МКЭ) в специализированных программных комплексах (например, Лира-САПР, SCAD, ANSYS).

Дефекты и причины отказов

Наиболее частые причины повреждений и разрушений несущих конструкций:

Ошибки проектирования (неверный сбор нагрузок, неправильный выбор расчетной схемы, недоучет сейсмики или пучинистости грунтов).
Нарушения технологии строительства (использование некачественных материалов, несоблюдение режима твердения бетона, некачественная сварка, отсутствие антикоррозионной защиты).
Неправильная эксплуатация (перегрузка перекрытий, перепланировка с демонтажем несущих стен, отсутствие гидроизоляции фундаментов, вибрационные воздействия).
Внешние факторы (пожары, взрывы, ураганы, наводнения, оползни, коррозия, биоповреждения древесины).

Интересные факты

Самым высоким зданием в мире является небоскреб Бурдж-Халифа (828 м, Дубай). Его несущий остов представляет собой центральное ядро жесткости из железобетона, связанное с тремя «крыльями» — ступенчатыми консолями.
Самое длинное висячее мостовое сооружение — мост «1915 Чанаккале» (Турция) с длиной основного пролета 2023 м. Его несущими элементами являются стальные ванты и пилоны.
В России активно развивается строительство из CLT-панелей (Cross-Laminated Timber). В 2023 году в Тюмени был построен первый в стране 4-этажный жилой дом из этого материала.
Одним из первых примеров использования железобетонных несущих конструкций в России является здание ГУМа на Красной площади в Москве (построено в 1893 году).

Источники

СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*.
СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения».
СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции».
СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции».
СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции».
Байков В. Н., Сигалов Э. Е. «Железобетонные конструкции. Общий курс». — М.: Стройиздат, 1991.
СНиП II-23-81* «Стальные конструкции».

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →