СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

А. И. ДОЛГУН, Т. Б. МЕЛЕНЦОВА

СТРОИТЕЛЬНЫЕ

КОНСТРУКЦИИ

УЧЕБНИК

Рекомендовано

Федеральным государственным учреждением

«Федеральный институт развития образования»

в качестве учебника для использования

в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих

программы среднего профессионального образования по специальности 270103 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений»

Регистрационный номер рецензии 349 от 04 октября 2010 г. ФГУ «ФИРО»

1 УДК 624.07(075.32) ББК 38.5я723 Д642 Рецензент — преподаватель специальных дисциплин ГОУ СПО Колледж архитектуры и строительства № 7, преподаватель высшей категории, канд. техн. наук О. Л. Дмитриенко Долгун А. И.

Д642 Строительные конструкции : учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / А. И. Долгун, Т. Б. Меленцова. — М. : Издательский центр «Академия», 2012. — 432 с.

ISBN 978-5-7695-6941- Изложены основы проектирования и расчета наиболее простых современных и широко распространенных в строительстве несущих конструкций, оснований и фундаментов. Приведены примеры расчета и все необходимые справочные таблицы.

Учебник может быть использован при освоении профессионального модуля ПМ.01 «Участие в проектировании зданий и сооружений (МДК.01.01)» по специальности 270802 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений».

Для студентов учреждений среднего профессионального образования.

УДК 624.07(075.32) ББК 38.5я Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается © Долгун А. И., Меленцова Т. Б., © Образовательно-издательский центр «Академия, ISBN 978-5-7695-6941-8 © Оформление. Издательский центр «Академия», Уважаемый читатель!

Данный учебник входит в состав профессионального модуля «Участие в проектировании зданий и сооружений» и является частью учебно-методического комплекта по специальности «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений».

Учебно-методический комплект по специальности — это основная и дополнительная литература, позволяющая освоить специальность, получить профильные базовые знания. Комплект состоит из модулей, сформированных в соответствии с учебным планом, каждый из которых включает в себя учебник и дополняющие его учебные издания — лабораторный практикум, курсовое проектирование, плакаты, справочники и многое другое. Модуль полностью обеспечивает изучение каждой дисциплины, входящей в учебную программу. Все учебно-методические комплекты разработаны на основе единого подхода к структуре изложения учебного материала.

Важно отметить, что разработанные модули дисциплин, входящие в учебно-методический комплект, имеют самостоятельную ценность и могут быть использованы при выстраивании учебнометодического обеспечения образовательных программ обучения смежным специальностям.

При разработке учебно-методического комплекта учитывались требования Федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования.

ПРЕДИСЛОВИЕ

За последние годы теория и практика строительного проектирования получила свое дальнейшее развитие. Разработаны новые нормы строительства зданий, сооружений и их элементов, появились новые эффективные строительные материалы, изделия и конструкции, усовершенствованы строительные машины и производство работ.

В настоящее время наблюдается определенный информационный застой — отсутствие технической литературы для средних профессиональных учебных заведении, ориентированной на новые Своды правил по проектированию в строительстве.

В соответствии с учебным планом образовательного стандарта в данном учебнике не рассматриваются предварительно-напряженные строительные конструкции.

Студенты, приступающие к изучению строительных конструкций, должны быть знакомы с принципами объемно-планировочных решений, со строительными материалами, технической механикой. Они должны знать конструктивные решения промышленных и гражданских зданий, физико-механические свойства металла, дерева, железобетона, камня и грунта оснований, хорошо представлять себе расчетную схему и характер напряженного состояния элементов конструкций при эксплуатации и в процессе монтажа, уметь рассчитать несложные строительные конструкции.

Цель учебника состоит в том, чтобы дать в сжатом виде основы современных методов расчета и конструирования строительных конструкций, научить проектированию прогрессивных конструкций зданий и сооружений, отвечающих требованиям прочности, жесткости, трещиностойкости, долговечности.

Данный учебник содержит примеры расчета по каждой главе и все необходимые справочные таблицы.

В результате работы с данным учебником будущий специалист должен овладеть методами расчета железобетонных, каменных и армокаменных, металлических, деревянных конструкций, оснований и фундаментов по предельным состояниям.

В конце книги приводится список литературы, в которой студенты найдут более подробные сведения по отдельным вопросам.

Раздел I написан доц., канд. техн. наук А.И.Долгун и заслуж. учителем Российской Федерации, преподавателем специальных строительных дисциплин Т. Б. Меленцовой совместно, разделы II, V — А. И. Долгун, разделы III, IV, VI — Т. Б. Меленцовой.

ОСНОВНЫЕ

I ПОЛОЖЕНИЯ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

РАЗДЕЛ

И РАСЧЕТА

СТРОИТЕЛЬНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ

Глава 1. Общие сведения о строительных Глава 2. Основы расчета строительных конструкций, ГЛАВА

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОИТЕЛЬНЫХ

КОНСТРУКЦИЯХ

1.1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСТОРИИ

СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Металлические конструкции. В России и ряде стран Европы с начала XVIII в. для строительных конструкций стали применять чугун и железо. Впервые при строительстве Невьянской башни на Урале в 1725 г. были применены чугунные балки длиной 12 м, усиленные снизу железными стержнями. В Санкт-Петербурге в начале XIX в. появились чугунные мосты через Неву. Из сварочного железа был возведен купол Казанского собора в Санкт-Петербурге пролетом 17,1 м, выполненный по проекту А.Н.Воронихина.

Применение металлических конструкций балок, ферм, арок, покрытий зданий и мостов увеличилось при появлении в 1820 — 1840 гг. проката листов, полосовых и круглых стержней, уголков, двутавров. Были созданы уникальные сооружения из металлических конструкций, построенные по проектам российских ученых и инженеров С. В. Кербедз, Н. А. Белелюбского, Л. П. Проскурякова, Д. И. Журавского, В. Г. Шухова (покрытие здания ГУМ, башня имени В. Шухова на Шаболовке в Москве, здание Нижегородской выставки). Большой вклад в развитие металлических конструкций внесли Н. С. Стрелецкий, Н. П. Мельников, Е. И. Беленя, Е. О. Патон и др.

Дальнейшее совершенствование металлических конструкций связано с внедрением сталей повышенной и высокой прочности, новых типов профилей, предварительно-напряженных конструкций, применением алюминиевых сплавов.

Железобетонные конструкции начали применять со второй половины XIX в. История изобретения железобетона относится к 1850 г., когда француз Ламбо построил лодку из железобетона.

Первые патенты на изготовление изделий из железобетона были получены французским садовником Ж.Монье в 1867 — 1870 гг.

В России железобетон начали применять с 1886 г. Созданием первых теоретических основ железобетона занимались многие ученые: Ф.Геннебик (Франция), Е.Мерша (Германия), Р.Залигер (Австрия), Н. А. Белелюбский, А. Ф. Лолейт, Г. П. Передерия, А. А. Гвоздев, П. Л. Пастернак (Россия) и др.

В начале XX в. были построены уникальные для того времени сооружения: центральный телеграф и дом газеты «Известия» в Москве, дом промышленности в Харькове, крупные промышленные объекты и гидротехнические сооружения. В 1928 г. появились первые пространственные и сборные железобетонные конструкции.

В настоящее время железобетонные конструкции применяются в массовом строительстве, в мостостроении, в гидротехническом строительстве и других областях.

Каменные конструкции. Наиболее древними являются каменные конструкции.

Первые сооружения из необработанного камня возводились еще в каменном веке. Самые ранние постройки сохранились до наших дней — это египетские пирамиды, храмы, дворцы, замки, крепости.

Кладка пирамид выполнялась без раствора, каменные блоки держались за счет сил трения. Стены, купола и своды древних русских зданий возводились из кирпича и природных камней на известковом растворе с добавкой молотого обожженного кирпича, золы, костяной муки и др.

Многие каменные здания, построенные в городах России несколько веков назад, сохранились до наших дней и являются памятниками архитектуры.

Большой вклад в развитии теории и практики каменных конструкций в нашей стране внесли инженеры: В. А. Гастев, Л. И. Онищик, В. П. Некрасов, Ю. М. Иванов, А. И. Рабинович и др.

В настоящее время осваиваются и внедряются более эффективные каменные материалы.

Деревянные конструкции. Простейшие деревянные конструкции применялись наряду с каменными. Техника их выполнения совершенствовалась по мере развития производства и науки. До нас дошли выдающиеся памятники деревянного зодчества, которые были созданы в XII — XVIII вв. в Москве, Новгороде, Архангельске, Вологде и других городах России.

Покрытия и перекрытия зданий в виде ферм, балок, арок были выполнены в начале XIX в., например треугольные фермы в покрытии Манежа в Москве.

Деревянные конструкции применялись и при строительстве мостов, плотин, шлюзов. Большое значение в развитии деревянных конструкции имеют работы инженеров и ученых нашей страны Д. И. Журавского, В. Г. Шухова, Г. Г. Карлсена, Ю.М.Иванова, А. Н. Отрешко, В. В. Большакова и др.

Конструкции из дерева и пластмасс относятся к классу легких строительных конструкций, применение которых в строительстве является одним из наиболее важных направлений на пути повышения эффективности и ускорения строительного производства.

Основания и фундаменты. Первые теоретические исследования по проектированию оснований и фундаментов принадлежат Ш. О. Кулону, который в 1773 г. рассмотрел влияние давления на подпорную стенку.

Инженер М. С. Волков в 1835 — 1840 гг. опубликовал свои труды по расчету оснований и фундаментов. В 1969 г. профессор В. М. Карлович написал и издал курс «Основания и фундаменты».

Большой вклад в развитие теории расчета оснований и фундаментов внесли русские инженеры Г. Е. Паукер, С. И. Белзецкий, Н. М. Герсеванов, Н. А. Цытович, Ю. М. Абелев, В. В. Соколовский, В. Г. Березанцев, М. В. Малышев и др.

За рубежом и в нашей стране широко применяются монолитные и сборные фундаменты из бетона и железобетона, а также свайные фундаменты.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТЬ

ПРИМЕНЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В СОВРЕМЕННОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Строительные конструкции можно классифицировать по следующим признакам:

геометрическая форма — брусья, плиты, оболочки, массивы и стержневые системы;

используемые материалы конструкции — металлические, железобетонные, каменные и деревянные;

с точки зрения статики конструкции — статически определимые и статически неопределимые.

На современном этапе развития строительных конструкций создаются новые конструктивные формы легких несущих и ограждающих конструкций, используются прогрессивные технологии изготовления.

Металлические конструкции. В настоящее время применяются в зданиях и сооружениях при больших пролетах: спортивные сооружения, торговые центры, выставочные павильоны, театры.

Кроме того, металлические конструкции незаменимы при строительстве мостов, башенных сооружений, резервуаров, газгольдеров, бункеров, трубопроводов большого диаметра.

Наибольшее значение при проектировании металлических конструкций отводится легким или облегченным конструкциям:

балкам, фермам, колоннам, рамам, у которых благодаря рациональной конструктивной форме, оптимальным размерам сечений, использованию сталей повышенной и высокой прочности металлоемкость существенно снижается по сравнению с традиционными конструкциями (сварными) со стержнями из прокатного профиля.

Металлические конструкции можно разделить на две основные системы: стержневые и сплошные.

К с т е р ж н е в ы м системам относятся: балки, колонны, рамы, арки, купола, сетчатые оболочки.

С п л о ш н ы е системы — листовые конструкции — применяются в газгольдерах для хранения и распределения газов, резервуарах для хранения жидкостей, бункерах для хранения и перегрузки сыпучих тел, специальных конструкциях (доменных печах, воздухонагревателях, газоочистках), трубах и трубопроводах большого диаметра в нефте- и газопроводах и т. д.

Железобетонные конструкции. Конструкции из сборного и монолитного железобетона с обычной и предварительно-напряженной арматурой являются основными в современном строительстве. Номенклатура сборного железобетона, выпускаемого нашими заводами, достаточно широка. В настоящее время заводы оснащаются новыми технологическими линиями для изготовления более совершенных конструкций из тяжелого и легкого бетона. До конца XX в. в России в области промышленного и гражданского строительства отдавалось предпочтение сборному железобетону.

За последнее время в строительстве произошли колоссальные изменения в связи с появлением новых материалов и технологий.

Появились новые типы зданий: монолитно-панельные, у которых бетонная основа заливается по методу «скользящей опалубки» (по мере твердения бетона опалубка поднимается все выше и выше до самого верха здания), снаружи устраивают изоляцию и финишный отделочный материал; монолитно-каркасные, у которых из монолитного железобетона выполняется несущий каркас, а стены делают самонесущими из сравнительно легких материалов.

С монолитным домостроением связаны перспективы снижения материалоемкости и повышения надежности зданий.

Развитие монолитного строительства в средней полосе России стало возможным благодаря применению специальных добавок, ускоряющих твердение бетона, а также благодаря цементам, при гидратации которых выделяется большое количество тепла. Это позволяет обеспечить твердение бетона при температуре до -15 °С и существенно сокращает сроки возведения монолитных зданий.

Каменные и армокаменные конструкции. Они применяются при возведении зданий гражданского назначения высотой до этажей. Особенно это актуально для тех районов, где существует база по выпуску каменных изделий.

В связи с вопросами энергосбережения были разработаны конструкции многослойных наружных кирпичных стен с включением в них эффективных строительных материалов. Заводы, выпускающие каменные изделия, работают над снижением их плотности.

Деревянные конструкции. Благодаря новейшим технологиям и использованию экологически чистых средств обработки дерево становится надежным и долговечным материалом, позволяющим производить из него конструкции любой сложности.

Для современных домов применяется оцилиндрованный и клееный брус.

Клееный брус, изготовленный из сосны или лиственницы, а также скомбинированный из разных пород древесины, позволяет повысить физико-механические свойства:

долговечность конструкции;

низкую относительную влажность.

Кроме того, он не требует дополнительной отделки. Клееный брус, обладающий высоким качеством экологичности и хорошей терморегуляцией, выпускается двух видов:

прямой конструктивный;

профильный.

Клееные изделия позволяют создать конструкции практически любых форм и размеров. Эта возможность используется для изготовления оригинальных конструкций для зданий и сооружений, в том числе уникальных по своим размерам и техническому решению: клеедеревянные балки, фермы, арки, рамы, которые могут перекрывать пролеты зданий и сооружений более 100 м.

Созданная межрегиональная Ассоциация производителей деревянных клееных конструкций объединяет ведущих производителей и поставщиков сырья и оборудования. Объем производства деревянных клееных конструкций в России в последние годы достигает 78 000 кубов в год.

1.3. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ

К СТРОИТЕЛЬНЫМ КОНСТРУКЦИЯМ

Современное строительство — это поточно-механизированый процесс обработки и монтажа зданий и сооружений из конструкций, изготавливаемых на заводах.

Конструкции должны быть рассчитаны на следующие силовые воздействия: воздействие внешних нагрузок, смещение опор, изменение температуры, усадки и другие природные явления.

Строительные конструкции необходимо проектировать исходя из технико-экономической целесообразности применения проектных решений в конкретных условиях строительства и с учетом наличия соответствующих производственных баз и материальных ресурсов.

Здания и сооружения следует проектировать с учетом:

снижения материалоемкости, трудоемкости и сметной стоимости строительства;

применения эффективных строительных материалов и конструкций;

снижения веса несущих и ограждающих конструкций;

наиболее полного использования физико-механических свойств материалов, а также прочностных и деформационных характеристик грунтов основания;

изготовления конструкций в заводских условиях с последующей установкой готовых конструктивных элементов на место;

снижения расходов на изготовление, трудовых затрат на заводах и на строительной площадке, затрат транспортных средств;

обеспечения гармоничного соответствия архитектурных и объемно-планировочных решений функциональному назначению, удобства и безопасности при эксплуатации.

Всем этим требованиям должны удовлетворять современные строительные конструкции на стадии проектирования, изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назовите примеры первых сооружений из камня.

2. Какие старинные деревянные здания и сооружения вы знае 3. Перечислите первые сооружения из металла.

4. Назовите области применения металлических, железобетон ных, каменных и деревянных конструкций.

5. Как классифицируются строительные конструкции?

6. Какие основные требования предъявляются при проектирова нии современных строительных конструкций?