1
Маилян - Строительные конструкции.
Допущено Ассоциацией строительных высших учебных заведений России в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению Строительство.
Строительные конструкции: Учебное пособие / Р.Л. Маилян, Д.Р Маилян, Ю.А. Веселев. Изд. 2-е. Ростов н/Д: Феникс, 2005. 880 с. (Строительство.
В пособии рассмотрены особенности строительных конструкций из различных материалов, физико-механические свойства материалов, результаты экспериментальных и теоретических исследований работы конструкций под нагрузкой, приемы конструирования и расчета по предельным состояниям и др.
Уделено внимание учету технико-экономических факторов при проектировании строительных конструкций. Отмечено значение индустриальных типовых конструкций из сборного предварительно напряженного железобетона и конструкций из эффективных материалов (алюминиевых сплавов, пластмасс и др.
Отражены достижения последних лет в области проектирования строительных конструкций на основе Строительных норм и правил (СНиП). Книга допущена Ассоциацией строительных высших учебных заведений России в качестве учебного пособия для студентов инженерно-строительных вузов и факультетов всех строительных специальностей и может служить пособием для инженеров, а также для аспирантов при изучении и проектировании строительных конструкций.
Маилян Р.Л. Маилян Д.Р. Веселев Ю.А. 2005.
Оформление, изд-во Феникс , 2005.
Капитальное строительство в России и в других странах продолжает развиваться бурными темпами. Одновременно развиваются базы строительной индустрии, создаются новые прогрессивные строительные конструкции из различных материалов, совершенствуется теория их расчета, чему способствовало, в частности, широкое использование ЭВМ.
В последние десятилетия в проектировании и строительстве зданий и сооружений достигнуты значительные успехи существенно повышены технические и экономические характеристики благодаря применению рациональных и прогрессивных строительных конструкций.
Расширилось производство высокопрочных бетонов и арматурных сталей, дальнейшее развитие получили железобетонные конструкции с предварительным напряжением арматуры. Доказаны возможность и целесообразность арматуру подвергать не только предварительному растяжению, но и предварительному сжатию, когда она расположена в сжатой зоне элемента.
Для повышения прочностных показателей бетона особенно при растяжении расширилось применение дисперсного армирования различными видами неметаллических фибр.
Шире стали применяться предварительно напряженные металлические конструкции, а также конструкции из легких сплавов. В районах, расположенных вблизи крупных массивов, во многих случаях целесообразно использовать деревянные конструкции, в развитии которых также наблюдается заметный прогресс.
Во введении учебника даны исторический обзор развития строительных конструкций из различных материалов, их современное состояние и области рационального применения. Здесь же приводятся общие для всех строительных конструкций положения по проектированию и расчету.
В первом разделе изложены вопросы проектирования и расчета бетонных и железобетонных конструкций, во втором каменных и армокаменных конструкций, в третьем металлических конструкций и в четвертом деревянных и пластмассовых конструкций.
В конце книги приводится список нормативной, справочной, учебной и другой литературы, в которой студенты найдут более подробные сведения по отдельным вопросам.
Настоящее издание этого учебного пособия является третьим, первые два изданы Стройиздатом (Москва) с грифом Минвуза б. СССР в 1967 и 1974 гг. Со времени последнего издания учебника теория и практика строительных конструкций получили дальнейшее значительное развитие, что послужило основанием для разработки новых строительных норм проектирования конструкций из различных материалов.
В связи с этим возникла необходимость значительный переработки и дополнений учебника. В нем нашли отражения достижения последних лет в области строительных конструкций.
Текст настоящего учебного пособия согласован с действующими строительными нормами и правилами СНиП 2.01.07 85 Нагрузки и воздействия , СНиП 2.03.01 84* Бетонные и железобетонные конструкции , СНиП 11-22 81 Каменные и армокаменные конструкции , СНиП 11-23 81* Стальные конструкции , СНиП 2.03.06 85 Алюминиевые конструкции , СНиП 11-25 80 Деревянные конструкции др. При этом учтены также тенденции по их развитию и пересмотру.
Студенты, приступающие к изучению строительных конструкций, должны быть знакомы с принципами объемно-планировочных решений, со строительными материалами, сопротивлением материалов, строительной механикой, основами теории вероятности и математической статистики, строительным производством и др.
Учебное пособие рассчитано на студентов всех строительных специальностей высших учебных заведений. Курс Строительные конструкции изучается студентами специальностей 290500 городское строительство и хозяйство; 290600 производство строительных материалов и изделий; 072000 стандартизация и сертификация строительной продукции; 290800 водоснабжение и водоотведение; 291200 реставрация и реконструкция архитектурного наследия и др.
Учебное пособие может быть использовано также студентами тех специальностей, для которых курсы железобетонных, металлических и деревянных конструкций преподаются раздельно. К таким относятся специальности: 29030 промышленное и гражданское строительство; 291400 проектирование зданий; 0119(Ю информационные системы в строительстве; 291500 экспертиза и управление недвижимостью и др.
Введение, разделы первый и второй написаны докторами технических наук, профессорами Р.Л. Маиляном и Д.Р. Маиляном совместно, разделы третий и четвертый кандидатом технических наук, доцентом Ю.А. Весе левым.
Авторы признательны за ценные замечания при рецензировании рукописи учебного пособия члену-корреспонденту Российской академии архитектуры и строительных наук, заслуженному деятелю науки и техники России, доктору технических наук, профессору Московского института коммунхоза и строительства P. O. Бакирову и Советнику РААСН заслуженному деятелю науки и техники России, доктору технических наук, профессору Воронежского государственного архитектурно-строительного университета Ю.Б. Потапову.
1. Современные строительные конструкции и области их применения.
К строительным (их иногда называют инженерные конструкции ) относятся те несущие конструкции промышленных и гражданских зданий и инженерных сооружений, размеры сечений которых определяются расчетом. Этим строительные конструкции отличаются от архитектурных конструкций (частей зданий), размеры сечений которых назначаются согласно архитектурным, теплотехническим или другим специальным требованиям.
Строительные конструкции должны удовлетворять различным требованиям: эксплуатационным, техническим, экономическим, производственным, эстетическим и др.
Эксплутационные и технические требования сводятся к тому, чтобы строительные конструкции в наибольшей степени отвечали своему назначению, бььаи удобны в эксплуатации зданий (сооружений) и одновременно имели достаточную прочность, устойчивость, выносливость, жесткость, трещино- и огнестойкость, обеспечивая долговечность зданий и сооружений.
Одним из основных требований, предъявляемых к строительным конструкциям, является их экономичность. Последняя зависит от расхода и стоимости: материалов, изготовления, транспортирования, монтажа и величины эксплутационных расходов. Поэтому при выборе конструкции необходимо учитывать трудоемкость ее изготовления и монтажа и- возможность сокращения сроков строительства зданий (сооружений). Экономичность зависит также от типа конструкции (например, плоскостной арки, фермы или пространственной оболочки, складки), конструктивной схемы здания, соотношения основных размеров (например, отношение высоты фермы или балки к пролету или стрелы подъема арки или оболочки к пролету, и т.п.
При выборе конструктивного решения особое внимание следует уделять применению индустриальных типовых изделий массового производства.
Применение унифицированных типовых изделий, изготовляемых централизованно на заводах и полигонах, позволяет максимально механизировать и автоматизировать этот процесс, что ведет к значительному удешевлению конструкций. Одновременно упрощается и ускоряется процесс их монтажа на строительной площадке.
Снижение расходов материалов и веса конструкции достигается также выбором наиболее рациональной в статическом отношении схемы и установлением расчетным путем или по конструктивным соображениям минимально допустимых размеров поперечных сечений элементов конструкций.
Технико-экономическое обоснование выбора типа строительных конструкций представляет собой важнейшее звено при проектировании зданий и сооружений.
В современном индустриальном строительстве особенно широко применяются сборные железобетонные конструкции, в том числе наиболее прогрессивные предварительно напряженные. Широкое применение находят также стальные, бетонные, каменные, армокаменные и деревянные. В последнее время получают развитие конструкции из алюминиевых сплавов, пластических масс, асбестоцемента и других эффективных материалов.
Железобетонные конструкции имеют наибольшее распространение в виде крупноразмерных панелей перекрытий, покрытий и стен зданий и сооружений, ферм, арок, оболочек, колонн, фундаментов, резервуаров, труб, мачт и др.
Каменные, армокаменные и бетонные применяются для устройства стен и столбов зданий и сооружений, подпорных стен и др.
Металлические для покрытий зданий и сооружений, при строительстве высоких башен и мачт, газгольдеров, доменных печей.
Деревянные в виде балок, ферм, арок и рам сравнительно небольших пролетов; для строительства башен, емкостей, а также временных сооружений.
Пластмассовые изделия в виде ограждающих, а иногда и несущих конструкций, труб, санитарно-технических деталей. Сравнение достоинств и недостатков строительных конструкций из различных материалов производится по следующим основным показателям.
Вес. Несомненным достоинством обладают строительные конструкции, вес которых при прочих равных условиях будет наименьшим. Если принять вес стальных конструкций за единицу, то вес конструкций, работающих на сжатие, из дерева будет равен 1 1,5; из железобетона 3 7 и из камня 15 25, а для конструкций, работающих на изгиб, из алюминиевых сплавов вес будет колебаться в пределах 0,3 0,5; из дерева 1 1,5; из железобетона 2 6 н из армокамня 10 20.
Огнестойкость. Железобетонные и каменные конструкции огнестойкости. Менее огнестойки предварительно напряженные железобетонные конструкции, металлические неогнестойки. Более огнестойкими являются массивные деревянные конструкции, но они возгораемы. Темпы возведения. Применение металлических, сборных железобетонных и каменных крупноблочных конструкций позволяет возводить сооружения скоростными методами.
Индустриальность. Металлические, сборные железобетонные, крупноблочные каменные и заводского изготовления деревянные конструкции являются индустриальными конструкциями. Эксплуатационные расходы. Стальные конструкции требуют затрат на окраску, предохраняющую их от коррозии. Деревянные конструкции требуют некоторых затрат на предохранения от гниения и расстройства соединений. Конструкции из остальных материалов почти не требуют эксплуатационных затрат.
Долговечность. Строительные конструкции из металла, бетона, камня, железобетона и армокамня наиболее долговечны. Деревянные конструкции при надлежащих условиях эксплуатации, предохранении от увлажнения, гниения и расстройства соединений также могут существовать очень долгое время. Известны деревянные конструкции, существующие свыше 100 лет.
2. Краткий исторический обзор развития строительных конструкций.
История развития строительных конструкций тесно связана с развитием производительных сил общества. Раньше других начали применяться конструкции из естественного камня. Первые сооружения из необработанного камня относятся к каменному веку. Позже, в связи с совершенствованием средств производства, для конструкций применялись тесаный камень, кирпич-сырец и обожженный кирпич.
В рабовладельческий и феодальный периоды развития общества каменные конструкции достигли значительного совершенства. До наших дней сохранилось много выдающихся памятников каменного зодчества в различных частях света, в частности замечательные сооружения на Кавказе, в Крыму, в Средней Азии. Первые каменные палаты и храмы Киевской Руси были сооружены в X в. Более поздними являются каменные здания, возведенные в Пскове, Новгороде, Суздале, Владимире и в ряде других городов. В 1333 г. в Московском Кремле был построен Аргангельский собор, а в 1367 г. были возведены кремлевские стены. Через 100 с лишним лет они были переделаны и стоят поныне.
Дерево, так же как и камень, использовалось для постройки зданий, укреплений, мостов и других сооружений. Первые деревянные мосты были построены за много сотен лет до нашей эры. Для строительства домов и крепостных стен использовались рубленые деревянные конструкции (срубы.
Выдающиеся образцы русского народного зодчества были созданы в XII XVIII вв. в Москве, Киеве, Новгороде и многих других городах. В старину зодчие не имели никакого способа расчета сооружений, поэтому они возводили их на основе практического опыта по существующим образцам.
Ознакомление с сооружениями, сохранившимися до наших дней, позволяет установить те правила проектирования, которыми пользовались зодчие для новых построек. Но это могло быть полезным только при возведении сооружений, аналогичных уже построенным. Когда же строилось здание, для которого не существовало образцов, зодчий должен был идти на риск разрушения или же создавать их с неоправданным запасом прочности.
Каменные конструкции применяли в промышленном и гражданском строительстве преимущественно в качестве стеновых ограждений и несущих столбов.
В XIX в. появились армокаменные конструкции. В 1813 г. в Англии была построена железокирпичная фабрично-заводская труба. Армированная кладка применялась в 1825 г. при постройке тоннеля под Темзой. В 1853 г. в Вашингтоне соорудили большой железокирпичный резервуар для воды. Достаточно широкое применение нашли армокаменные конструкции в нашей стране в строительстве зданий с рамокирпичными каркасами ( 1933 г .), при возведении покрытий и перекрытий промышленных зданий и т.д.
Наряду с каменными и армокаменными применяются комплексные конструкции (каменные конструкции, усиленные железобетоном). Велика роль в развитии теории и практики каменных конструкций В.П. Некрасова, Л.И. Оиищика, С.А. Семенцова, СВ. Полякова и др. Деревянные конструкции получили в дальнейшем широкое развитие в связи с разработанными русским ученым Д.И. Журавским теорией расчета составных балок на шпонках, теорией расчета изгибаемых брусьев на скалывание и рядом других его исследований. Д.И. Журавский создал теорию расчета неразрезных многопролетных ферм, предложил способ расчета ферм Гау и научно обоснованные нормы допускаемых напряжений для деревянных конструкций. По его проектам построено несколько железнодорожных мостов с неразрезными деревянными фермами пролетом свыше 60 м.
Дальнейшее развитие деревянных конструкций связано с именем академика В.Г. Шухова (1853 1939). Им созданы изумительно экономичные конструкции сетчатых сводов, которые применялись не только у нас, но и за рубежом.
В 20 30-х гг. в нашей стране были широко распространены гвоздевые дощатые конструкции: гвоздевые балки, рамы с перекрестной стенкой, сегментные гвоздевые фермы и пр. Гвоздевые дощатые конструкции обладают большой деформативностью при длительном действии нагрузок. А.И. Отрешко, Г.В. Свенцицкий, B. C. Скворцов, B. C. Деревягин н др. предложили более надежные конструкции .брусчатые балки на дубовых пластинчатых нагелях, фермы с поясами из таких балок, фермы из бревен и брусьев.
В 30 40-х гг. применялись уже металлодеревянные конструкции ферм и арок, в которых растягивающие усилия воспринимаются металлическими элементами; разнообразные клееные конструкции; кружально-сетчатые своды, собираемые из отдельных цельных клееных или клеефанерных косяков; тонкостенные и ребристые своды-оболочки, купола и пр.
Большую роль в развитии этих разнообразных, экономически выгодных и индустриальных конструкций имели работы отечественных ученых: Г.Г. Карлсена, Ю.М. Иванова, А.И. Отрешко, В.В. Большакова и др.
В настоящее время начинают применяться клееные армированные деревянные конструкции с предварительно напряженной арматурой. В последнее десятилетие получили распространение пластмассовые, пневматические и пленочно-каркасные конструкции. Для их изготовления используются стеклопластики, органическое стекло, синтетические клеи, пленки, воздухонепроницаемые ткани и пр. Применение этих конструкций дает возможность возводить оболочки, складки, купола, вантовые конструкции больших пролетов.
Металлические конструкции. Металл впервые был применен в ХП в. в качестве затяжек и скреп в каменных сводах, арках и т.п. Кричное железо разогревали и отковывали в виде полос, а затем сваривали кузнечным способом.
В XVII XVIII вв. появились первые чугунные конструкции. Так, в 1696 г. было осуществлено перекрытие пролетом 18 м над трапезной Троице-Сергиева монастыря в Загорске, в 1725 г. выполнено чугунное перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале, в 1776 г. в Англии построен чугунный мост пролетом 30 м. в 1784 г. чугунный мост возведен в Царском селе. Уникальной чугунной конструкцией 1840-х гг. является купол Исаакиевского собора, собранный из отдельных косяков в виде сплошной оболочки.
В это же время стали применяться чугунно-железные фермы, в которых верхний пояс и сжатые элементы делались из чугуна, а нижний пояс и растянутые раскосы из железа.
*