Конструкции стен каменных домов: нагрузка, воздействие стен, классификация стен, требования к стенам

Нагрузки и воздействия на стены зданий

Стены являются одной из конструкций несущего остова, как в стеновых, так и в каркасных конструктивных системах.

Из всех конструкций здания наружные стены подвергаются, пожалуй, самым многочисленным и разнообразным нагрузкам и воздействиям.

Нагрузки силового характера:

• постоянные - собственная масса стены, нагрузки от перекрытий, крыши, балконов, эркеров, козырьков и пр.;
• временные - воздействие ветра, неравномерные осадки основания.

Воздействия несилового характера:

• с внешней стороны стены — действие солнечной радиации, тепловое и морозное воздействие, уличный шум;
• с внутренней стороны.

Понятно, что дом должен выстоять под таким разнообразием нагрузок и не потерять своей архитектурной привлекательности.

Внутренние стены подвержены меньшему воздействию, но к ним тоже предъявляются достаточно высокие требования.

Классификация стен

Как это часто бывает во всякого рода классификациях, любой предмет, фактор, явление и т.п. можно отнести к разным группам по разным показателям. То же не минует и стены, классификацию которых мы приводим.

По положению в здании стены называют:

• наружные;
• внутренние.

Функции наружных и внутренних стен в основном совпадают, но имеют и различия, о чём будет рассказано ниже.

По статической работе наружные и внутренние стены могут быть:

• несущие - воспринимают вертикальные нагрузки от своей массы, опирающихся на них перекрытий и/или покрытия и горизонтальные нагрузки (например, ветровые) и передают их на фундамент; на несущие стены опираются также другие элементы здания (например, балконы, лоджии или эркеры);
• самонесущие. Примером может служить межкаркасное заполнение стен в каркасных конструктивных системах, которое поэтажно опирается на перекрытие, передавая нагрузку на фундаменты через колонны каркаса;
• ненесущие (навесные) - не несут вертикальную нагрузку, даже собственную массу. Наружные ненесущие стены навешиваются на внутренние конструкции здания (колонны, поперечные стены), которые и передают нагрузку на фундамент.

К внутренним самонесущим стенам часто относят перегородки. Однако в практике строительства принято разделять перегородки и самонесущие стены по тому признаку, что самонесущие стены являются более массивной конструкцией, нежели перегородки. Например, стена, выложенная в один кирпич (толщиной 250 мм) классифицируется как самонесущая, а стена в четверть (65 мм) или даже в полкирпича (120 мм) возводится в качестве перегородки. Кроме того, есть материалы, которые могут применяться только в перегородках (например, гипсокартон). Разница кроется в передаче нагрузки: нагрузка от перегородки передаётся на перекрытие, как и от мебели, например; поэтому фундамент под перегородки не возводится. Под самонесущие стены требуется фундамент, параметры которого устанавливаются расчётом.

По функциональному назначению стена может являться:

• несущей и ограждающей конструкцией;
• только ограждающей конструкцией - наружные ненесущие (навесные) и самонесущие стены, внутренние самонесущие стены и перегородки.

По строительным материалам стены современных малоэтажные домов могут быть:

• из искусственных каменных штучных материалов - кирпич, мелкие блоки;
• бетонные или железобетонные;
• из дерева — бревно, брус в стеновой укладке или брус в каркасных стенах;
• щитовые или панельные;
• сталь (стальные лёгкие конструкции) в каркасных стенах.

По способу возведения (технологии):

• сборные — щитовые, панельные, каркасные (металл, дерево, сборный железобетон);
• традиционные ручной сборки (кирпич, блоки, дерево);
• монолитные бетонные и железобетонные.

По конструктивному решению:

• однослойная конструкция (блоки, кирпич, дерево);
• многослойная, слоистая конструкция.

Требования к стенам

Стены малоэтажных домов выполняют, как правило, несущие и всегда ограждающие функции. Стенам есть что нести и от чего ограждать. Отсюда и разносторонние требования к стенам, выполнение которых ставит целью создание комфортного и надёжного жилища. Для чёткого понимания полной роли стен в деле проектирования жилого дома разделим все требования по их функциональному назначению.

Требования к стенам как к несущим конструкциям

Прочность — способность стены выдерживать силовые нагрузки - достигается прочностью материала кладки, связующего материала (раствора), достаточным сечением (толщиной) стены.

Прочность каменных стен малоэтажного дома, как правило, достаточная. Нагрузки в малоэтажном доме небольшие, а толщину стен часто назначают исходя не из расчёта на прочность, а из других соображений: из условий опирания конструкции перекрытия на стены, жёсткости стен, параметров кладочного материала, устройства вентиляционных каналов и других.

Устойчивость стены должна быть обеспечена, чтобы стена не «завалилась». Требование тоже вполне выполнимо: ведь стена не стоит сама по себе, с ней связаны другие стены, примыкает или опирается перекрытие, что в комплексе создаёт пространственно устойчивую систему.

Жёсткость стен необходима, чтобы исключить: а) перекос стены в своей плоскости (приведёт к трещинам) и б) выпирание стены из своей плоскости, что при запредельном изгибе может привести к потере устойчивости. Так, кирпичная стена толщиной 250 мм достаточно прочная и способна воспринимать значительные нагрузки. Однако при тех же нагрузках такая стена высотой более 4...5 м (точные величины показывают соответствующие расчёты) может деформироваться, выйти из своей плоскости. Значительные деформации приведут к потере устойчивости стены и к её разрушению.

Влияет и нагрузка на стены. Из этих соображений, толщина несущей кирпичной стены для двухэтажного дома с балочным деревянным перекрытием принимается равной не менее 380 мм, хотя по прочности достаточно было бы 250 мм.

Долговечность наружных стен определяется сопротивлением атмосферным воздействиям (колебаниям температуры, влажности, морозостойкости и т.д.). Долговечность достигается подбором качественных строительных материалов, характеристики которых диктуют их применение в данной климатической зоне. Прочность в этом деле не всегда является определяющим фактором: к примеру, силикатный кирпич более прочен, чем глиняный обыкновенный, но он менее морозо- и влагостоек и потому менее долговечен.

Огнестойкость стен должна обеспечиваться в соответствии с требованиями.

Требования к стенам как к ограждающим конструкциям

Ниже приведённые требования относятся к санитарно-гигиеническим и обеспечивают комфортность проживания.

Звукоизоляция означает защиту помещений от внешних шумов. Наука говорит, что даже если человек не замечает шума, это не означает, что шум не действует на мозг неблагоприятным образом. Поэтому природная тишина так благотворна и успокаивающая.

Подавляющая часть проникающего извне в здание антропогенного, т. е. не природного, шума передаётся через наружные стены и их элементы:

• неплотности ограждающих конструкций; это основной путь проникания шума;
• непосредственно через материал стены (степень проникания зависит от материала стены), как правило, этот путь имеет наименьшее значение;
• вследствие колебания ограждающей конструкции как мембраны.

Но не только шум извне может беспокоить жильцов. Внутри здания так же могут возникать различные шумы.

Какие же конструктивные решения принимают, чтобы обеспечить тишину в доме в целом и в его отдельных помещениях?

Стена с массой более 200 кг/м² (2 кН/м²) вполне гасит мембранные колебания. Чтобы иметь представление о массах стен, скажем, что оштукатуренная с двух сторон кирпичная межкомнатная перегородка толщиной 120 мм (в пол кирпича) имеет массу чуть больше 200 кг/м². Если массы конструкции не достаточно, звукоизоляции можно достичь многослойностью конструкции. Этот эффект положен в основу проектирования лёгких конструкций, например каркасных стен, межкаркасное пространство которых заполнено слоями различной звукопроницаемости, включая воздушные прослойки. Так же поступают, чтобы обеспечить звуконепроницаемость отдельных помещений жилища, а масса перегородок для этого недостаточна.

Преградой прониканию звука через неплотности в элементах наружных стен служит тщательная заделка узлов примыканий: оконных коробок, например.

Изоляция от ударного шума внутри здания обеспечивается применением упругих прослоек между отдельными элементами конструкции или в местах соединения конструкций между собой.

Теплоизоляция внутреннего пространства дома обеспечивает благоприятный температурный режим в жилище. Наружные стены имеют большую площадь и, более того, на промежуточных этажах это единственная конструкция, через которую «уходит» тепло. Поэтому теплоизоляция наружных стен должна быть особенно тщательно не только разработана, но и выполнена без брака. Основы теплотехнического расчёта были приведены в главе 1, а мы напомним, что теплозащитные свойства материала зависят от его теплопроводности, которая характеризуется коэффициентом теплопроводности X.

Теплопроводность разных материалов, понятно, неодинакова. У кирпича теплопроводность выше, чем у дерева, а дерево держит тепло хуже, чем минеральная вата или любой другой теплоизолирующий материал. Существует такая зависимость: чем выше плотность материала, тем выше его коэффициент теплопроводности, а это означает, что материал с большей плотностью лучше передаёт тепло и, стало быть, его теплозащитные свойства хуже.

Надо сказать, что некоторые материалы со временем изменяют свой коэффициент теплопроводности: к примеру, минеральная вата может потерять свои свойства в результате уплотнения или увлажнения.

На основе коэффициента теплопроводности рассчитывается термическое сопротивление стены R.

Как применить это на практике? В характеристиках материала всегда указывают коэффициент теплопроводности X. Зная эту величину и толщину слоя 8, можно легко прикинуть величину R и сравнить её с нормативной.

Инфильтрация (воздухопроницаемость). Как составляющая компонента комфортности жилища, инфильтрация характеризует интенсивность проникания воздуха в помещение извне, со стороны улицы. Инфильтрация не рассматривает проветривание помещений через окна — одного из способов проникания свежего воздуха.

Благодаря инфильтрации в помещении создаётся воздухообмен. В ограниченных пределах инфильтрация выполняет полезную работу:

• удаляет излишнюю влажность из стенового материала, служит, таким образом, просушке стен;
• уменьшает влажность воздуха внутри помещений;
• убирает вредные примеси «закупоренного» помещения.

Это интересно. Учёные доказали, что в непроветриваемом и лишённом инфильтрации помещении состав воздуха в 50 раз хуже, чем на самом загруженном перекрёстке; в таком помещении скапливаются вредные газы (в том числе газ радон), «фонит» мебель, накапливаются микроорганизмы и возникают прочие неприятности.

Проникание воздуха происходит постоянно и осуществляется через:

• неплотности конструкций и их элементов, это значительная часть воздуха, проникающего с улицы;
• поры материала — меньшая часть воздуха; хорошими свойствами обладает, безусловно, дерево, кирпич, ячеистые блоки; про такие материалы говорят, что материал «дышит»;
• вентиляционные каналы, устроенные в стенах;
• в малоэтажных домах неплохой воздухообмен осуществляется через камины.

Разумеется, благо инфильтрации в её разумных пределах. При слишком сильном воздухообмене происходит охлаждение помещения, что делает жилище некомфортным или требует дополнительного его подогрева.

Непроницание влаги в материал стен.

С точки зрения влажностного режима наружные стены в нашей полосе находятся в очень неблагоприятных условиях, а влажность влияет на долговечность здания. Для проникания влаги в стену есть много путей:

• увлажнение стены атмосферной влагой;
• грунтовая сырость, которая образуется при капиллярном подсосе в стеновой материал;
• гигроскопичность материала (впитывание влаги из наружного воздуха);
• паропроницание (диффузия) водяного пара со стороны тёплого помещения.

Зачастую во влаге содержатся агрессивные вещества, способные при проникании в конструкцию вызвать коррозию. Причём коррозировать может не только арматура в железобетонных изделиях или металлические конструкции, но и кирпич, бетон.

Устранить увлажнение стены атмосферной влагой сложно, но принять меры к уменьшению влияния этого явления можно, для этого:

• необходимо во влажных районах делать свесы скатных крыш не менее 600.. .800 мм, устраивать сливы в подоконной части, проектировать западающий цоколь - вот те конструктивные меры, которые уменьшат замачивание стены;
• защищать стену влагостойкими облицовочными материалами (облицовочным кирпичом, влагостойкой штукатуркой, лаком, краской и т.п.).

Грунтовая капиллярная влага отсекается гидроизоляцией, прокладываемой на стыке фундамента и стены.

Гигроскопичность некоторых материалов нивелирует их хорошие показатели по другим характеристикам. Можно наблюдать, как стены из силикатного незащищённого кирпича темнеют, пропитываясь влагой. Делая своё «чёрное дело», влага разрушает кирпич.

Паропроницание - это проникание (диффузия) водяного пара в наружную стену со стороны помещения. В холодном климате это ведёт к ухудшению теплозащитных свойств стены. Посмотрим, почему?

Что мы имеем в наружной стене? Тёплый воздух помещения всегда тянет за собой пар, который проникает в стену в количестве, зависящем от материала и толщины стены (например, кирпичная стена толщиной 380 мм «пропускает» пар, а толщиной 510 мм - нет; бетон менее паропроницаем, чем кирпич, и при толщине стены 200 мм пар не диффузирует на всю толщину слоя бетона). Влажный тёплый воздух, проходя через стену в холодный период года, охлаждается. В толще стены при определённой температуре и влажности образуется точка росы - конденсирующая влага. При понижении температуры влага будет замерзать, разрушая стену. Следовательно, проектировать нужно так, чтобы точка росы не находилась в толще стены..

Как предотвратить паропроницание и тем самым сохранить долговечность стены, включая её теплозащитные свойства, посмотрим в соответствующих разделах.

Эстетические требования

Безусловно, красота в архитектуре первостепенна для восприятия облика дома. Это относится не только к форме здания, но и к отделке фасадных плоскостей и поверхностей. Сюда же относится и требование поддержания эстетического вида. Например, рельефный облицовочный материал, конечно, красив, но он очень подвержен загрязнению, становясь со временем совсем не привлекательным. Бороться с этим загрязнением непросто. То же можно сказать и о пористых отделочных материалах, например, мраморе или туфе.