Строительные конструкции промышленных и гражданских зданий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Строительными конструкциями промышленных и гражданских зданий и инженерных сооружений называются конструкции, размеры сечений которых определяются расчетом. Это основное их отличие от архитектурных конструкций или частей зданий, размеры сечений которых назначаются согласно архитектурным, теплотехническим или другим специальным требованиям.

Разделение строительных конструкций по функциональному назначению на несущие и ограждающие в значительной мере условно. Если такие конструкции, как арки, фермы или рамы, являются только несущими, то панели стен и покрытий, оболочки, своды, складки и т. п. обычно совмещают ограждающие и несущие функции, что отвечает одной из важнейших тенденций развития современных строительных конструкций. В зависимости от расчетной схемы несущие строительные конструкции подразделяют на плоские (например, балки, фермы, рамы) и пространственные (оболочки, своды, купола и т. п.). Пространственные конструкции характеризуются более выгодным (по сравнению с плоскими) распределением усилий и, соответственно, меньшим расходом материалов. Однако их изготовление и монтаж во многих случаях оказываются весьма трудоемкими. Новые типы пространственных конструкций, например структурные конструкции из прокатных профилей на болтовых соединениях, отличаются как экономичностью, так и сравнительной простотой изготовления и монтажа. По виду материала различают следующие основные типы строительных конструкций: бетонные и железобетонные, стальные, каменные, деревянные.

Бетонные и железобетонные конструкции -- наиболее распространённые (как по объёму, так и по областям применения). Для современного строительства особенно характерно применение железобетона в виде сборных конструкций индустриального изготовления, используемых при возведении жилых, общественных и производственных зданий и многих инженерных сооружений. Рациональные области применения монолитного железобетона -- гидротехнические сооружения, дорожные и аэродромные покрытия, фундаменты под промышленное оборудование, резервуары, башни, элеваторы и т.п. Специальные виды бетона и железобетона используют при строительстве сооружений, эксплуатируемых при высоких и низких температурах или в условиях химически агрессивных сред (тепловые агрегаты, здания и сооружения чёрной и цветной металлургии, химической промышленности и др.). Уменьшение массы, снижение стоимости и расхода материалов в железобетонных конструкциях возможны на основе использования высокопрочных бетонов и арматуры, роста производства предварительно напряженных конструкций, расширения областей применения лёгких и ячеистых бетонов.

Железобетонные конструкции широко используют в капитальном строительстве при воздействии температур не выше 50 °С и не ниже -70 °С. В каждой отрасли промышленности и жилищно-гражданском строительстве имеются экономичные формы конструкций из сборного, монолитного или сборно-монолитного железобетона.

Во многих случаях конструкции из железобетона целесообразнее каменных или стальных. К ним относятся: атомные реакторы, мощные прессовые устройства, морские сооружения, мосты, аэродромы, дороги, фабрично-заводские, складские и общественные здания и сооружения; тонкостенные пространственные конструкции, силосы, бункера и резервуары; напорные трубопроводы; фундаменты под прокатные станы и под машины с динамическими нагрузками, башни, высокие дымовые трубы, сваи, кессонные основания, подпорные стены и многие другие массивные сооружения.

Большое применение железобетон находит при устройстве набережных, тепло- и гидроэлектрических станций, плотин, шлюзов, доков и других гидротехнических сооружений. Железобетон является незаменимым строительным материалом в санитарно-техническом и подземном строительстве. Он в значительной степени вытеснил древесину и металл при горных разработках. В строительстве железобетонных судов и плавучих доков Россия достигла значительных результатов. На изготовление железобетонных линейных конструкций расходуется в 2...3 раза, а на изготовление плит, настилов, труб в 10 раз меньше металла, чем на стальные конструкции.

Железобетонные конструкции получили массовое использование в строительстве и имеют широкую перспективу для дальнейшего развития.

Основным направлением технической политики в области строительства являются снижение его стоимости, энергоемкости и трудоемкости при высокой долговечности и надежности зданий, повышение технологичности как отдельных элементов, так и конструкций в целом. К настоящему времени наибольшее распространение в жилищно-гражданском строительстве получили полносборные каркасные и бескаркасные многоэтажные здания и здания из объемных элементов.

К достоинствам железобетонных конструкций относятся:

высокая прочность:

большая долговечность;

высокая степень огнестойкости;

стойкость против атмосферных воздействий;

малые эксплуатационные расходы на содержание;

гигиеничность;

экономичность ввиду повсеместной доступности сырья.

Недостатки железобетонных конструкций.

За счет сцепления с арматурой бетон работает под нагрузкой совместно с арматурой. Предельная растяжимость бетона в тысячу раз меньше предельной растяжимости стальной арматуры, поэтому при совместном растяжении цельность бетона сохраняется только в начальный период эксплуатации (см. рис. 1, б). Напряжения в арматуре в период образования трещин всегда незначительны по сравнению с предельной прочностью арматуры.

С увеличением внешней нагрузки в изгибаемых балках происходит развитие по высоте сечения балки трещин, резко уменьшается высота сжатой зоны, снижается жесткость балки, что приводит к возрастанию прогиба.

С учетом вышеизложенного к недостаткам железобетонных конструкций без предварительного напряжения относятся:

низкая трещиностойкость вследствие слабого включения в работу арматуры в период образования трещин, быстрое их раскрытие и быстрый рост прогибов;

нерациональность использования в железобетонных конструкциях без предварительного напряжения высокопрочной арматуры;

невыгодность использования бетонов повышенной и высокой прочности, поэтому железобетонные конструкции без предварительного напряжения обладают большой массой, что ограничивает величину перекрываемых пролетов;

большая трудоемкость при изготовлении;

большая звуко- и теплопроводность.

Виды железобетонных конструкций

Сборные конструкции - конструкции, возведение которых на строительной площадке производят из заранее изготовленных элементов.

Монолитные конструкции - конструкции, возведение которых осуществляют непосредственно на строительной площадке.

Сборно-монолитные конструкции - комплексные конструкции, в которых сборный и монолитный железобетон, укладываемый на месте строительства, работает под нагрузкой как одно целое.

Стальные конструкции - конструкции, изготавливаемые из сталей различных марок и состояний. Осн. достоинствами стальных конструкций, определяющими область их применения, являются: относительная легкость, достигаемая в результате использования сталей с высокими прочностными характеристиками; разнообразие конструктивных форм; широкая возможность типизации и унификации, высокая степень индустриальности изготовления и монтажа; возможность сочетания с др. материалами (напр., железобетоном, алюминием и т. д.), а также выполнения сборно-разборных конструкций. Основными недостатки стальных конструкций -- подверженность коррозии (особенно в нек-рых агрессивных средах) и снижение прочности при высоких температурах.

Стальные конструкции применяются преим. в качестве несущих конструкций зданий и сооружений, башенных конструкций различного назначения, листовых конструкций, пролетных строений мостов, подвижных металлич. конструкций (в т. ч. кранов, затворов гидротехнич. сооружений) и т. д.

При проектировании стальных конструкций, помимо соблюдения осн. положений-- обеспечения надежности сооружения и удовлетворения условиям эксплуатации, необходимо выполнение требований, которые определяют оптимальность конструктивной формы: экономия стали, уменьшение трудоемкости изготовления, сокращение сроков монтажа. В стальных конструкциях применяются различные статические схемы, в т. ч. балочные, рамные, арочные, висячие, комбинированные, пространственные; иногда сооружают предварительно напряженные стальные конструкции.

Типы стальных конструкций

Балки и балочные конструкции. Одним из наиболее распространенных элементов стальных конструкций является балка или элемент, работающий на изгиб. Область применения балок в строительстве чрезвычайно широка: от небольших элементов рабочих площадок, междуэтажных перекрытий производственных или гражданских зданий до большепролетных балок покрытий, мостов, тяжело нагруженных подкрановых балок и так называемых "хребтовых" балок для подвески котлов в современных тепловых электростанциях. Пролеты мостовых балок достигают 150...200 м, а нагрузка на одну хребтовую балку котельного отделения ГРЭС при пролете до 45 м составляет ~ 60 -103 кН.

Фермой называют систему стержней (обычно прямолинейных), соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию. Если нагрузка приложена в узлах, а оси элементов фермы пересекаются в одной точке (центре узла), то жесткость узлов несущественно влияет на работу конструкции и в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные. Тогда все стержни фермы испытывают только осевые усилия (растяжение или сжатие). Благодаря этому металл в фермах используется более рационально, чем в балках, и они экономичнее балок по расходу материала, но более трудоемки в изготовлении, поскольку имеют большое число деталей. С увеличением перекрываемых пролетов и уменьшением нагрузки эффективность ферм по сравнению со сплошностенчатыми балками растет.

Колонны и элементы стержневых конструкций. Колонна является древнейшей строительной конструкцией. Более 3000 лет тому назад египтяне вытесывали из камня колонны для надгробных памятников, а в V в. до н.э. колонна заняла центральное место в колоннадах общественных зданий у древних греков и римлян. Такие колонны воздвигались исключительно по эмпирическим правилам, заимствованным из окружающего мира.

Ангар. В настоящее время строительство ангаров из легких металлических конструкций становится все более востребованным. Ангары используются в качестве складских, производственных, спортивных и других помещений. Возведенные из ЛМК здания обладают многими преимуществами перед, например монолитными зданиями такого же типа. К ним относятся: высокая скорость строительства, обширный спектр архитектурных и дизайнерских решений и оптимальная стоимость.

Прогон -- балка в несущих конструкциях здания, опирающаяся непосредственно на опорные части сооружения: стены, колонны, пилоны. На прогоны, в свою очередь, укладываются второстепенные балки.

Важнейшие проблемы конструирования стальных конструкций -- типизация и унификация, позволяющие совершенствовать конструктивные формы и удовлетворять всем основным требованиям оптимальности.

Основная область применения каменных конструкций -- стены и перегородки. Здания из кирпича, природного камня, мелких блоков и т.п. в меньшей степени удовлетворяют требованиям индустриального строительства, чем крупнопанельные здания (см. в статье Крупнопанельные конструкции). Поэтому их доля в общем объёме строительства постепенно снижается. Однако применение высокопрочного кирпича, армокаменных и т. н. комплексных конструкций (каменных конструкций, усиленных стальной арматурой или железобетонными элементами) позволяет значительно увеличить несущую способность зданий с каменными стенами, а переход от ручной кладки к применению кирпичных и керамических панелей заводского изготовления -- существенно повысить степень индустриализации строительства и снизить трудоёмкость возведения зданий из каменных материалов.

Основное направление в развитии современных деревянных конструкций -- переход к конструкциям из клеёной древесины. Возможность индустриального изготовления и получения конструктивных элементов необходимых размеров посредством склеивания определяет их преимущества по сравнению с деревянными конструкциями др. видов.

Наиболее простыми несущими конструкциям в покрытиях зданий являются деревянные балки. Пролеты их ограничены длиной доски, бруса или бревна и редко превышают 6 м.

Для больших пролетов и нагрузок применяются более сложные несущие деревянные конструкции.

По конструктивной форме различают:

1) плоские конструкции- предназначенные для работы в своей плоскости, обычно в вертикальной плоскости для восприятия собственного веса. Простейшие из бревен и брусьев - подкосные, шпренгельные и подвесные,

плоские сплошные - составные балки, арки и рамы;

плоские сквозные - балочные и арочные фермы и рамы;

2) пространственные конструкции- предназначенные для восприятия нагрузок любого направления.

своды;

купола ;

складки.

По виду основного материала их разделяют на:

1) цельнодеревянные изделия, в которых из стали выполняются лишь детали или неосновные элементы; они могут быть выполнены из массивного леса (бревен, брусьев), из досок и смешанными -- из брусьев (бревен) и досок, цельнодеревянные сооружения могут быть в случае необходимости безметальными, то есть не имеющими расчетных стальных частей;

2) металлодеревянные изделия, в которых растянутый пояс (обычно нижний) и другие растянутые элементы выполнены из стали, а сжатые и сжато-изгибаемые элементы - из дерева.

По производственному признаку различают конструкции:

1)заводского изготовления, выполняемые механизированным способом в оборудованных помещениях, удобные для перевозки, легко монтируемые на постройке,

2)построечного изготовления, выполняемые непосредственно на месте возведения с применением малой механизации (электроинструмента) или вручную. железобетон строительный стальной каменный

Существуют сооружения промежуточного характера, которые могут изготовляться на заводе и на стройке.

Несущие сооружения применяются большей частью в виде статически определимых систем, обладающих наибольшей четкостью в работе; усилия в них не зависят от деформаций. Они имеют меньшее количество стержней и опорных закреплений, отличаются большей простотой изготовления и монтажа по сравнению с системами статически неопределимыми, легче ремонтируются и восстанавливаются.

В некоторых случаях используются преимущества статически неопределимых систем, в основном -- их повышенная жесткость по сравнению со статически определимыми (в неразрезных балках, успешно применяемых в покрытиях, в некоторых простейших случаях, неизменяемость которых обеспечивается жесткостью неразрезного прогона).

Наличие или отсутствие распора, значительно влияющего на работу опор, является важной характеристикой работы конструкции. Наиболее распространенными деревянными формами являются безраспорные. К ним относятся все балки и балочные фермы, а также строительные элементы с воспринятым распором - арки и трехшарнирные системы.

К распорным системам относятся: подкосные конструкции; без затяжек, стропила с повышенной распоркой, подъемистые арки и рамы, а также своды, работающие без затяжек.

В современном строительстве значительное распространение получают новые типы индустриальных конструкций -- асбестоцементные изделия и конструкции, пневматические строительные конструкции, конструкции из лёгких сплавов и с применением пластических масс. Их основные достоинства -- низкая удельная масса и возможность заводского изготовления на механизированных поточных линиях. Лёгкие трёхслойные панели (с обшивками из профилированной стали, алюминия, асбестоцемента и с пластмассовыми утеплителями) начинают применяться в качестве ограждающих конструкций взамен тяжёлых железобетонных и керамзитобетонных панелей.

Требования, предъявляемые к строительным конструкциям с точки зрения эксплуатационных требований строительные конструкции должны отвечать своему назначению, быть огнестойкими и коррозиеустойчивыми, безопасными, удобными и экономичными в эксплуатации. Масштабы и темпы массового строительства предъявляют к С. к. требования индустриальности их изготовления (в заводских условиях), экономичности (как по стоимости, так и по расходу материалов), удобства транспортировки и быстроты монтажа на строительном объекте. Особое значение имеет снижение трудоёмкости -- как при изготовлении С. к., так и в процессе возведения из них зданий и сооружений. Одна из важнейших задач современного строительства -- снижение массы С. к. на основе широкого применения лёгких эффективных материалов и совершенствования конструктивных решений.

Расчёт строительные конструкции должны быть рассчитаны на прочность, устойчивость и колебания. При этом учитываются силовые воздействия, которым конструкции подвергаются при эксплуатации (внешние нагрузки, собственный вес), влияние температуры, усадки, смещения опор и т.д., а также усилия, возникающие при транспортировке и монтаже строительных конструкций В СССР основным методом расчёта строительных конструкции является метод расчёта по предельным состояниям, утвержденный Госстроем СССР для обязательного применения с 1 января 1955. До этого строительные конструкции рассчитывали в зависимости от применяемых материалов по допускаемым напряжениям (металлические и деревянные) или по разрушающим усилиям (бетонные, железобетонные, каменные и армокаменные). Главный недостаток этих методов -- использование в расчётах единого (для всех действующих нагрузок) коэффициента запаса прочности, не позволявшего правильно оценивать величину изменчивости различных по своему характеру нагрузок (постоянных, временных, снеговых, ветровых и т.д.) и предельную несущую способность конструкций. Кроме того, метод расчёта по допускаемым напряжениям не учитывал пластической стадии работы конструкции, что приводило к неоправданному перерасходу материалов.

При проектировании того или иного здания (сооружения) оптимальные типы строительных конструкций и материалы для них выбираются в соответствии с конкретными условиями строительства и эксплуатации здания, с учётом необходимости использования местных материалов и сокращения транспортных расходов. При проектировании объектов массового строительства, как правило, применяются типовые Строительные конструкции и унифицированные габаритные схемы сооружений.

Размещено на Allbest.ru