Валов В.М. Введение в специальность. Проектирование зданий

Подождите немного. Документ загружается.

230

организовывать и координировать работу всех участников в разработке

проекта.

Архитектурное проектирование нуждается в логическом инженерном

мышлении и способствует возникновению реалистичных замыслов. Инже-

нерно-технические дисциплины служат формированию структурного

мышления, воспитывают интуицию в отношении красоты инженерных по-

строений. Для развития применяют клаузурный, модельный и макетный

методы поиска инженерных решений и конструирования.

8.2. Элементы инженерно-конструктивных знаний

По курсу «Строительные конструкции» будущему инженеру-

архитектору предлагается глубоко изучить сложные методы расчета и спе-

циальные вопросы строительной механики и теории упругости, знать раз-

новидности и особенности несущих деревянных, металлических и железо-

бетонных конструкций, понимать их работу, уметь на основе расчета оп-

ределять их габаритные размеры, сечения и правильные соотношения.

Курс «Строительные конструкции» наиболее тесно связан с архитек-

турным проектированием. Если раздел «Архитектурные конструкции» со-

держит общие методы проектирования конструкций и их элементов во

взаимосвязи с архитектурным замыслом, объемно-пространственным и

планировочным решением жилых, общественных зданий массового строи-

тельства и промышленных сооружений, то курс «Строительные конструк-

ции» знакомит с основами проектирования несущего остова зданий, огра-

ждающих конструкций, оснований и фундаментов, конструкций мало-

этажных и многоэтажных зданий.

ГОС предусматривает обязательный минимум знаний по курсу конструкций.

Металлические конструкции, включая сварку: свойства и работа строительных

сталей и сплавов; работа элементов металлических конструкций и основа расчета

их надежности; соединения конструкций; сварка; основы проектирования, изго-

товления и монтажа конструкций; балочные конструкции; центрально-сжатые ко-

лонны и стойки; фермы; конструкции зданий и сооружений различного назначе-

ния; основы экономики металлических конструкций; исторические металлические

конструкции и их реконструкция.

Железобетонные и каменные конструкции: основные физико-механические

свойства бетона и арматуры; железобетон; экспериментальные основы теории

расчета железобетонных конструкций, основные положения методов расчета;

прочность, трещиностойкость и перемещения стержневых железобетонных эле-

ментов; основы сопротивления элементов динамическим нагрузкам; каменные и

армокаменные конструкции; общие физико-механические свойства кладок, расчет

и конструирование каменных и армокаменных элементов; железобетонные и ка-

менные конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений; ре-

конструкция железобетонных и каменных конструкций.

Конструкции из дерева и пластмасс: древесина как конструктивный материал;

элементы конструкции цельного сечения, соединения элементов и их расчет;

231

сплошные и сквозные плоскостные конструкции; обеспечение пространственной

неизменяемости плоскостных конструкций; пространственные конструкции; ос-

новы технологии изготовления, эксплуатации и экономики конструкций; реконст-

рукция деревянных конструкций; конструкции на основе полимеров.

Основания и фундаменты: общие принципы проектирования оснований и фун-

даментов; фундаменты в открытых котлованах на естественном основании; свай-

ные фундаменты; методы искусственного улучшения грунтов основания; проек-

тирование котлованов; фундаменты глубокого заложения; заглубленные и под-

земные сооружения; строительство на структурно-неустойчивых, скальных, элю-

виальных грунтах и на закарстованных и подрабатываемых территориях; фунда-

менты при динамических воздействиях; реконструкция и усиление фундаментов.

Обследования и испытания зданий и сооружений: методы и средства проведе-

ния инженерного эксперимента, неразрушающие методы испытания; основы мо-

делирования конструкций; обследование и испытание конструкций зданий и со-

оружений; особенности определения напряжений и давлений в грунтах.

8.3. Некоторые элементы анализа строительных конструкций

Любую деревянную, каменную, железобетонную и стальную конст-

рукцию любой конструктивной системы архитектор и особенно инженер в

условиях их расчета, анализа статической работы и конструирования мыс-

ленно расчленяет на отдельные элементы: стержневые – одномерные и

плоскостные – двухмерные. Это суть творческого труда инженера, архи-

тектора и научного сотрудника: вначале анализ – расчленение системы на

элементы, а затем синтез – соединение и объединение системы.

Инженер, рассматривающий деревянную строительную конструкцию

при расчете стропил (рис. 8.1), в первую очередь представляет себе попе-

речный разрез здания в плоскости у. Во вторую очередь он рассчитывает

перпендикулярный стропилам прогон 2 в продольной плоскости здания х.

Существующая в действительности пространственная взаимосвязь между

несущими элементами стропил и прогона вполне сознательно не принима-

ется в расчет. Основанием для этого служит стремление к упрощению ме-

тодов расчета и тот факт, что для расчета традиционных конструкций учет

пространственной несущей способности практически дает пока мало.

Причем затраты труда на такие сложные методы расчета себя не оп-

равдывают. Этот пример творческого акта инженера целесообразно рас-

пространить на анализ распределения конструктивного материала по объ-

ему конструктивной системы, по архитектурной форме, по их элементам:

по поперечным сечениям стержневых и плоскостных несущих элементов;

по пространственным тонкостенным конструкциям.

Некоторые особенности можно представить весьма простым модели-

рованием из бумаги простейших и элементарных конструктивных элемен-

тов [25]. Лист бумаги, опирающийся двумя противоположными сторонами

на подставки, не выдерживает нагрузки от собственного веса. Почти без

232

сопротивления лист прогибается

(рис. 8.2,а). Если сложить его «гар-

мошкой» , параллельными или ци-

линдрическими складками в на-

правлении пролета, лист приобрета-

ет жесткость. Он легко выдерживает

нагрузку, равную стократной вели-

чине его собственного веса (рис.

8.2,б). Если увеличить вес груза до

момента разрушения модели, то не-

посредственной причиной наруше-

ния конструкции будет выпрямле-

ние складок и оболочек (рис.

8.2,в,ж). Выпрямление складок и

оболочек можно предупредить при

помощи простых конструктивных

мер. К торцам складок и оболочек

следует приклеить усиливающую

полоску, в результате чего сложенная складками бумага выдерживает еще

более высокую нагрузку. При этом предполагается, что полоска опирается

на опору. Таким образом, получается «полосовая затяжка», без которой

складчатая и цилиндрическая конструкции не могут существовать (рис.

8.2,г,з).

Те же явления, которые на-

блюдаются у бумажной модели,

имеют место у больших реальных

конструкций, для которых требует-

ся строительный материал, обла-

дающий достаточной прочностью

на сжатие и растяжение. Среди

предметов повседневного обихода

давно существуют прототипы про-

странственных несущих конструк-

ций: металлические или пластмас-

совые кружка, ложка, ведро, кар-

тонная коробка и т. п., в сущности,

являются пространственными не-

сущими конструкциями. То же са-

мое относится к стальной броне и

деревянной лодке, которые даже

при самых тонких стенках облада-

ют высокой прочностью благодаря

Рис. 8.1. Пространственная стропиль-

ная система

а)

б)

в)

г)

д)

е)

ж)

з)

Рис. 8.2. Бумажные модели складчатых и

цилиндрических тонкостенных конструкций

233

присущей им пространственной жесткости. Такого рода формы мы встре-

чаем во всех областях техники. Автомобильный кузов обладает большой

прочностью благодаря тому, что он состоит из штампованных пространст-

венно изогнутых листов стали. При создании форм самолета и корабля,

объемов резервуаров и т. п. использован все тот же принцип. Когда тонкой

жести или листовой стали сообщается высокая прочность путем придания

изогнутой формы, то действуют те же принципы, что и в несущих про-

странственных конструкциях.

Основные принципы Шухова. Строительные конструкции, их архи-

тектурная форма и конструктивная сущность находятся в тесной зависи-

мости от материала, из которого они выполнены, а также от нагрузок, ко-

торые на них воздействуют, размера перекрываемых пролетов, если рас-

сматривать пролетные конструкции, зависят от уровня знаний в области

строительной механики и ее разделов, сопротивления материалов и теории

упругости, от доступности тех или иных методов их возведения.

Великий русский инженер и ученый В. Г. Шухов доказал:

– прочность материала используется наилучшим образом, если он ра-

ботает на усилия сжатия либо растяжения, т.е. однозначные напряжения, и

наихудшим, если на изгиб, вызывающий двузначные напряжения;

– число ступеней в передаче нагрузки пролетной конструкцией на

опоры должно быть минимальным.

Убедимся в правильности этих двух постулатов Шухова в результате

простых выкладок и рассуждений [34].

1. Напряжение σ от осевого растяжения (или осевого сжатия) силой N,

приложенной к элементу сечением bh, таково: σ= N/bh. В изгибаемом эле-

менте сечением bh и пролетом 8h, нагруженным силой N посередине про-

лета (рис. 8.3), σ =М/W. Подставив значения изгибающего момента

М=Nl/4=N8h/4=2Nh и момента сопротивления W=bh2/bh, получим

σ=2

6Nh/bh2, а после сокращений σ=12N/bh. Сопоставляя оба значения σ,

приходим к выводу, что напряжения в изгибаемом элементе в 12 раз боль-

ше, чем в растянутом (либо сжатом), хотя оба они нагружены одинаковой

силой N и имеют одинаковые сечения bh, или, иначе, при одинаковых на-

пряжениях в материале растянутый (либо сжатый) элемент несет нагрузку,

в 12 раз большую, чем изгибаемый элемент того же поперечного сечения:

N=σbh и N=1/12(σbh) соответственно. Легко убедиться, что с уменьшением

пролета изгибаемого элемента до l=6h напряжения также уменьшаются до

σ=9N/bh, а с увеличением пролета, например, до 10h, увеличиваются до

σ=I5N/bh, или, иначе, чем больше пролет изгибаемого элемента, тем боль-

ше он проигрывает в сопоставлении с растянутым (либо сжатым) того же

поперечного сечения. Сопоставляя растянутый и сжатый элементы, следу-

ет подчеркнуть преимущества первого, так как сечение сжатого приходит-

ся увеличивать из-за влияния продольного изгиба.

234

2. Многоступенчатая передача нагрузок на опоры наиболее свойст-

венна традиционным покрытиям, в которых присутствуют несущие эле-

менты, несущие настилы, теплозащитный и гидроизоляционный слои, в

которых многоярусность передачи нагрузок достигает до 4–6 ступеней.

Снижение многоярусности может быть достигнуто использованием конст-

рукций, совмещающих в себе несущие и ограждающие функции. К ним

относятся конструкции висячие, мембранные, пространственные тонко-

стенные и т. п.

К этим двум постулатам В. Г. Шухова необходимо добавить третий:

архитектурно-конструктивные формы любой конструкции и ее элементов

должны отвечать свойствам материалов, их составляющих, характеру ста-

тической работы узловых сопря-

жений и учитывать возможность

появления пластических шарни-

ров, податливости в узловых со-

единениях и работу стержневых

элементов на сжатие или растя-

жение, быть равнопрочными и

равнодолговечными. Профессор

Д. Э. Гордон обращал внимание

[19], что проектирование растя-

нутых элементов было бы простым делом, если бы не законцовки – детали,

передающие нагрузки с обоих концов растянутого стержня на опоры. Он

пишет: «Вес такой конструкции, рассчитанный на заданную нагрузку, был

бы пропорционален её длине. Скажем, канат длиной 100 м, рассчитанный

на то, чтобы держать вес в 1т, будет весить в 100 раз больше, чем канат

длиной 1 м, выдерживающий такую же нагрузку в 1 т. Более того, если на-

грузка распределена поровну, то безразлично, будет ли она удерживаться

одним тросом или стержнем или двумя, каждый из которых имеет вдвое

меньшее поперечное сечение».

Столь простой анализ подтверждает необходимость иметь конструк-

тивные элементы для передачи нагрузки на обоих концах троса или стерж-

ня на опоры. Эти узлы сопряжения могут быть довольно материалоемкими,

тяжелыми или дорогостоящими. Для уменьшения веса средней части рас-

тянутого троса или стержня нужно использовать материал с большой

прочностью на растяжение, а для законцовок обычно требуется вязкий, бо-

лее пластичный материал с распределением усилий на большую площадь.

Похожий принцип можно встретить в животном мире, где природа не

скупилась на детали мышц и сухожилий, работающих на растяжение. Для

уменьшения веса законцовок она использовала тот же принцип: концы

многих сухожилий разветвляются в некоторую веерообразную конструк-

Рис. 8.3. Схема сопротивления

стержня на осевое усилие и на

изгиб

235

цию, каждая нить сухожилия имеет отдельное крепление к кости. Так ми-

нимизируется вес.

Другого подхода требуют сжатые элементы. Им не нужны концевые

элементы, но зато с ростом нагрузки в определенный критический момент

они начинают выпучиваться. Критическая нагрузка для сжатого стержня

изменяется обратно пропорционально квадрату его длины. Это означает,

что для стержня с заданным поперечным сечением предельное напряжение

при сжатии с увеличением длины убывает очень быстро. Чтобы выдержать

заданную нагрузку, длинный стержень должен быть гораздо толще и, сле-

довательно, тяжелее короткого. Однако в этом случае важно соблюсти

возможность сопротивляться конструкции от смятия на концах. Так что

и сжатые конструкции при всей своей простоте требуют осторожного от-

ношения при проектировании.

Основными материалами для несущих конструкций зданий и соору-

жений являются: кирпич, камень, бетон, сталь, древесина, пластмассы и их

комплексы. Наиболее широкое распространение получили железобетон и

сталь. Железобетон – это комплексный материал, удачно сочетающий воз-

можности двух материалов: стали и бетона. Бетон хорошо сопротивляется

сжатию и гораздо хуже растяжению. Поэтому во всех железобетонных

конструкциях растянутые, а иногда и сжатые нагрузкой зоны бетона уси-

Рис. 8.4. Размещение рабочей арматуры в зонах растяжения бетона в неразрезной

балке и сборной панели перекрытия: а – эпюра моментов и места возникновения

главных растягивающих напряжений; в – фасадное изображение балки, выноска

арматуры правого пролета, необходимые поперечные сечения; 2,3 – отгибы; 4 – на-

допорные коротыши; 5 – монтажные стержни; 6,7 – закрытые и открытые хомуты,

б – характер деформаций – прогибы и трещины; г – фасадное изображение и попе-

речное сечение многопустотной панели; 1 – нижняя; 2 – верхняя сварные сетки; 3 –

вертикальные сварные каркасы у опор; 4 – монтажные петли

236

ливают сталью (рис. 8.4). Этот процесс усиления еще называют армирова-

нием, а название «арматурная сталь», или «арматура», происходит от ла-

тинского слова armatura – вооружение.

Стадии напряженного состояния при изгибе. Действующими нор-

мами установлены две группы предельных состояний: по несущей способ-

ности и по пригодности к нормальной эксплуатации (рис. 8.5). Причем

предельным называют такое состояние конструкции, по достижении кото-

рого она теряет способность сопротивляться воздействию нагрузок (уси-

лий) либо получает чрезмерные деформации или местные повреждения.

Расчеты по предельным состояниям первой группы должны обеспе-

чить элемент (конструкцию) от хрупкого, вязкого, усталостного разруше-

ния, потери устойчивости или положения, разрушения от совместного воз-

действия силовых факторов и внешней среды.

Расчеты по предельным состояниям второй группы должны обеспечи-

вать конструкцию от образования трещин, чрезмерного или длительного

их раскрытия, перемещений (прогибов, углов поворота и перекоса, коле-

баний), превышающих допустимые. Если нагрузить железобетонную бал-

ку по схеме, показанной на рис. 8.6,а, постепенно увеличивая нагрузку q от

нуля до разрушающей, то на картине изменяющегося напряженного со-

стояния сечения в зоне чистого изгиба можно сделать как бы четыре мо-

ментальные фотографии, фиксирующие четыре стадии его напряженного

состояния [34].

Метод расчета

по предельным

состояниям

Первая группа предель-

ных состояний по поте-

ре несущей способно-

сти или непригодности

к эксплуатации

Вторая группа предель-

ных состояний по не-

пригодности к нормаль-

ной эксплуатации

Хрупкое, вязкое, усталостное или иного характера

разрушение

Состояния, при которых возникает необходимость

прекращения эксплуатации в результате текучести

материала, сдвигов в соединениях, ползучести или

езме

ного

аск

ытия т

ещин

Поте

стойчивости

Резонансные колебания

Качественное изменение конфигураций

Недопустимые перемещения (прогибы, углы по-

во

ота

)

Колебания

ещины

Рис. 8.5. Группы предельных состояний

237

Стадия I – стадия упругой работы железобетона при малых нагруз-

ках на элемент и соответственно малых напряжениях в бетоне и арматуре.

В этой стадии эпюры напряжений в сжатой и растянутой зонах сечения

можно считать треугольными (рис. 8.6,б), а относительное удлинение бе-

тона не превышает 5

-5

. Эта стадия лежит в основе расчета железобетон-

ных элементов по упругой стадии.

Стадия Iа – стадия упругопластической работы железобетона, кото-

рую фиксируют в тот момент, когда напряжение на растянутой грани се-

чения достигает предела прочности бетона при растяжении R

, а относи-

тельное удлинение бетона составляет около 15

-5

. Эпюра напряжений в

сжатой зоне бетона при этом остается практически треугольной, как для

упругого материала. В растянутой зоне напряжение сохраняется почти по-

стоянным на некотором участке по высоте сечения, что характерно для

пластического состояния материала, а затем резко падает до нуля у ней-

тральной оси, которая поднимается несколько выше по сравнению со ста-

Рис. 8.6. Стадии напряженного состояния при изгибе: а – схема нагружения и эпю-

ры М и Q; б–д – стадии напряженного состояния в нормальном сечении по мере

роста нагрузки; е – то же по длине балки

238

дией I (рис. 8.6, в). Стадия Iа лежит в основе расчетов железобетонных эле-

ментов по трещиностойкости.

Стадия II начинается с момента возникновения волосных трещин в

растянутом бетоне, выключающих его из работы почти на всей высоте се-

чения до нейтральной оси, которая поднимается еще выше. Конец II ста-

дии наступает с появлением неупругих деформаций растянутой арматуры

и сжатого бетона. Эпюра напряжений в сжатом бетоне криволинейна, а

максимальное напряжение как бы переходит с краевых волокон на распо-

ложенные ближе к нейтральной оси (рис. 8.6, г). Это достаточно неопреде-

ленное напряженное состояние II стадии положено в основу расчетов се-

чений по прочности по допускаемым напряжениям и по деформациям,

при которых криволинейную эпюру в сжатой зоне бетона заменяют тре-

угольной.

Стадия III – стадия разрушения элемента: несущая способность обо-

их материалов (либо одного из них раньше, а затем обоих) исчерпана, на-

пряжения в арматуре достигают физического или условного предела теку-

чести, напряжения в сжатом бетоне – предела прочности при сжатии. Ней-

тральная ось занимает определенное положение, характеризуемое содер-

жанием арматуры в сечении и прочностными характеристиками бетона и

стали. Ордината максимального напряжения на эпюре напряжений в сжа-

том бетоне перемещается еще ниже, чем во II стадии (рис. 8.6,б,д). Стадия

разрушения положена в основу расчетов сечений по прочности, по раз-

рушающим нагрузкам и расчетным предельным состояниям. Каждая из

зафиксированных стадий напряженного состояния сечения изгибаемого

железобетонного элемента положена в основу соответствующих расчетов,

или, говоря иначе, цель расчета определяет выбор той или иной стадии на-

пряженного состояния. Эти стадии можно зафиксировать и для различных

сечений по длине элемента, если наиболее нагруженное из них находится в

III стадии (рис. 8.6,е).

В расчетах сечений внешние усилия приравнивают к внутренним. При

расчете изгибаемых элементов по прочности внешний изгибающий момент

М должен быть уравновешен моментом внутренней пары сил, для опреде-

ления которого необходимо знать сжимающее N

и растягивающее N

уси-

лия соответственно в сжатом бетоне и растянутой арматуре, а также плечо

внутренней пары сил z.

Точка приложения усилия N

, если пренебречь работой растянутого

бетона, известна: она находится в центре тяжести растянутых стержней

арматуры. В сжатом бетоне усилие N

приложено в центре тяжести эпюры

напряжений, положение которого зависит от формы принятой эпюры.

Предпосылки расчета сечений по прочности. В расчетах сечений по

прочности пользуются предпосылками, положенными в основу норм про-

ектирования:

239

– внутренние усилия в расчетном сечении элемента (рис. 8.6) опреде-

ляют для стадии (мгновения) его разрушения;

– с помощью системы коэффициентов, вводимых к характеристикам

прочности материалов, условиям их работы и нагрузкам, усилия в стадии

разрушения приводят к усилиям в стадии эксплуатации (А. Ф. Лолейт оце-

нивал эксплуатационные усилия с помощью единого коэффициента запаса

k=M

/M либо k=N

/N, где M

и N

– разрушающие, а M и N – эксплуатаци-

онные усилия. Прочность материалов оценивалась средними значениями

предела прочности бетона на сжатие при изгибе R

и предела текучести

арматуры σ

);

– рассматривая сечение, проходящее по трещине в растянутом бетоне,

сопротивление бетона растяжению принимают равным нулю;

– сопротивление бетона сжатию представляют напряжениями, равны-

ми R

пр

, а эпюру напряжений принимают прямоугольной;

– растягивающие напряжения в арматуре принимают не более ее рас-

четного сопротивления R

, сжимающие (если в сжатой зоне имеется рас-

четная арматура) – не более расчетного сопротивления R

а.с

Схема получения расчетных формул, опирающихся на перечисленные

выше предпосылки, едина, а суть ее такова: на изгибаемом, внецентренно

сжатом или другом элементе (рис. 8.7) в интересующем месте делают мыс-

ленно сечение, ко-

торое делит эле-

мент на две части.

Одну часть остав-

ляют для рассмот-

рения; другую

часть отбрасывают,

а ее действие на

оставшуюся часть

заменяют внутрен-

ними усилиями N

(парой сил),

приложенными со-

ответственно к

центру тяжести эпюры напряжений в сжатом бетоне и центру тяжести се-

чения растянутой арматуры.

Внутренние усилия в сечении равны друг другу, так как составляют

пару сил с плечом, которая должна уравновесить внешние усилия, по-

скольку она ими вызвана:

M = N

z = N

z или M = N

z + N

= N

Ne = N

z = N

z или Ne = N

z + N

= N

Рис. 8.7. Внутренние усилия в расчетных сечениях

элементов: а – изгибаемых; б – внецентренно сжатых

à) á)

а)

б)