Основы архитектуры и строительных конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОСНОВЫ АРХИТЕКТУРЫ И СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Краткий курс лекций

С.В. Стецкий, К.О. Ларионова, Е.В. Никонова



Содержание

• Введение
• Часть 1 Архитектура гражданских зданий
• Лекция 1 Общие понятия о зданиях
• Лекция 2 Фундаменты
• Лекция 3 Стены
• Лекция 4 Каркасные здания
• Лекция 5 Лестницы
• Лекция 6 Покрытия и кровли
• Лекция 7 Перекрытия и полы
• Лекция 8 Прочие элементы зданий (окна, двери, перегородки)
• Часть 2 Строительные конструкции
• Лекция 9 Общие сведения о строительных конструкциях
• Лекция 10 Металлические конструкции
• Лекция 11 Общие сведения о железобетоне
• Лекция 12 Сжатые и изгибаемые железобетонные элементы

Лекция 13 Деревянные конструкции

Лекция 14 Каменные и армокаменные конструкции

Лекция 15 Общие сведения о промышленных зданиях

Лекция 16 Общие сведения об инженерных сооружениях

Библиографический список

Введение

Материально-организованная среда в виде отдельных зданий, сооружений и их комплексов является объектом архитектурно-строительного проектирования, которое в значительной степени основывается на конструировании, т.е. на обеспечении архитектурных решений объектов соответствующими конструктивными решениями, отвечающим как функциональным, так и художественно-эстетическим замыслам проектировщиков.

Если рассматривать архитектуру как искусство проектирования и строительства, то ее можно представить как естественную комбинацию строительно-технической деятельности человека и его эстетически художественных запросов.

В частности, знаменитая «Триада Витрувия», которая определяет архитектуру как «пользу, прочность и красоту», подчеркивает неразрывную связь технической стороны Архитектуры (конструктивная прочность объекта) с ее художественной стороной (красота) на основе удовлетворения функциональных требований к объекту (польза).

Строительно-архитектурные конструкции могут занимать второстепенное положение в архитектуре здания, обеспечивая лишь его прочность, жесткость и устойчивость, а могут выступать и как главный фактор создания художественно-эстетического облика здания, что можно наблюдать в примерах классических ордеров Греческой и Римской архитектуры.

Классический ордер является наилучшим примером тектонической конструкции.

Тектоникой называется такая интерпретация конструкций, которая придает ей художественную выразительность с сохранением ее основных архитектурно-строительных признаков. Также тектонику можно определить как художественный образ, отражающий «работу» конструкции и ее материла под нагрузкой.

Целью данного курса является изучение приемов архитектурно-конструктивных решений зданий и сооружений для дальнейшего профессионального решения вопросов дизайна интерьеров помещений и внешнего облика зданий, а также создания эстетически -- качественной материально-организованной внешней среды.

Студент должен уметь:

разрабатывать конструктивные решения простейших зданий и сооружений; архитектурный строительный проектирование дизайн

правильно выбирать конструктивные материалы, обеспечивающие требуемые показатели надежности, экономичности и эффективности конструктивных решений, проектируемых объектов;

владеть современными методами архитектурного и конструктивного проектирования, а на их основе, в дальнейшем, и художественного проектирования (дизайна).



Часть 1. Архитектура гражданских зданий

Лекция 1 Общие понятия о зданиях

Архитектура -- это искусство проектирования и строительства зданий, сооружений и их комплексов, то есть искусство создания материально-организованной среды. Как область строительной деятельности человека, архитектура отражает уровень научно-технического развития общества, а как область искусства, архитектура в художественных образах отражает определенное идейное содержание.

Все здания классифицируются по:

функции (жилые, общественные, промышленные, сельскохозяйственные;

жилые и общественные здания образуют группу гражданских зданий); этажности (малоэтажные, средней этажности, многоэтажные, повышенной этажности, высотные);

по материалу стен (каменные и кирпичные, деревянные, бетонные и железобетонные и т.д.);

по огнестойкости (5 степеней по огнестойкости основных конструкций: 1 группа -- все конструкции несгораемые, 5 группа -- все сгopаемые);

по долговечности (сроку службы конструкции): 1 степень -- 100 лет, 2 степень -- 50 лет, 3 степень -- 20 лет, 4 степень -- не нормируется.

В зависимости от значимости и назначения, градостроительных требований и концентрации материальных ценностей, все здания и сооружения подразделяются на 4 класса:

1. класс -- здания и сооружения с повышенными требованиями (крупные или уникальные здания или сооружения);

2. класс -- здания и сооружения со средними требованиями (здания массового строительства);

3. класс -- здания и сооружения с пониженными требованиями (малоэтажные здания);

4. класс -- здания и сооружения с минимальными требованиями (временные здания и сооружения).

Кроме зданий существуют так называемые «сооружения» или «инженерные сооружения». К ним относятся: мосты, путепроводы, дымовые трубы, мачты, градирни, опоры ЛЭП, вышки, силосные башни, бункера и т.д.

Основными требованиями к зданиям являются: функциональная, техническая иэкономическая целесообразность, архитектурно-художественная выразительность, высокие эксплуатационные качества.

Основным направлением развития современного строительства является индустриализация. Индустриализация строительства основывается на комплексной механизации, унификации и типизации.

Унификация -- это отбор, анализ и приведение к единообразию объемно-планировочных и конструктивных элементов здания.

Типизация -- это отбор для многократного применения наиболее совершенных объемно-планировочных и конструктивных решений зданий.

Основой унификации является единая модульная система (ЕМС) с модулем М100 мм. Наряду с этим основным единым модулем существуют также дробные и укрупненные модули.

Объемно-планировочный элемент здания -- это часть объема здания с размерами, равными шагу и пролету несущих конструкций, а также высоте этажа.

В соответствии с ЕМС различают номинальные (модульные), конструктивные и фактические размеры (рис. 1).

Жилые здания классифицируются по: назначению: жилые дома, общежития, гостиницы и т.д.;

объемно-планировочной структуре: односекционные или башенные, многосекционные, коридорные, галерейные, блокированные, индивидуальные, с комбинированной структурой (рис. 2).

Общественные здания различают по: функциональному назначению, градостроительной роли, этажности, вместимости, конструктивному решению, а также делятся на специализированные и универсальные.

Специализированные общественные здания служат: для нужд образования, здравоохранения;

для отдыха, физкультуры и спорта;

для НИИ и проектно-конструкторских организаций; для зрелищных мероприятий;

для учреждений торговли и общественного питания; транспорта и т.д.

К универсальным общественным зданиям относятся зрелищно-спортивные здания и здания киноконцертных залов (так называемые «многофункциональные здания»).

Планировочные решения общественных зданий отражают различные функциональные процессы, происходящие в них. Существует несколько основных планировочных схем: коридорная, анфиладная, зальная и комбинированная (рис. 3).

В отличие от жилых зданий, общественные здания имеют ряд особенностей: разнообразие функций, сосредоточение большого количества людей, широкий диапазон требований к физико-техническим параметрам среды и т.д.

Особенностями проектирования общественных зданий являются: применение укрупненных конструктивно-планировочных модулей; особые требования к путям эвакуации, звуковому режиму, состоянию воздушной среды, освещенности, зрительному восприятию и видимости; а также требования к эстетике архитектурного решения.

Конструкции любого здания разрабатываются на основе принятой конструктивной системы.

Конструктивная система здания -- это совокупность взаимосвязанных несущих конструкций, обеспечивающих его прочность, жесткость и устойчивость.

Несущие конструкции -- это взаимосвязанные вертикальные и горизонтальные элементы, воспринимающие нагрузки, действующие на здание и нагрузки, возникающие в здании.

Существуют следующие основные конструктивные системы: каркасная и стеновая. Кроме этого, имеется ряд менее используемых конструктивных систем: объемно-блочная, ствольная, оболочковая (рис. 4) и комбинированные системы, совмещающие в себе элементы вышеперечисленных систем (рис. 5).

Конструктивные схемы характеризуют каркасную и бескаркасную системы. Для каркасных систем характерны следующие схемы: с продольным, поперечным или продольно-поперечным (крестообразным) расположением ригелей и без ригелей (рис. 6). Для стеновых систем характерны следующие конструктивные схемы: с продольным, поперечным и продольно-поперечным (крестообразным) расположением несущих стен при большом и малом шаге (рис. 7).

Конструктивные системы и схемы здания определяет его остов, т.е. совокупность и взаиморасположение основных элементов здания, к которым относятся фундаменты, стены, столбы или колонны, конструкции перекрытий и покрытия.

Основные элементы здания (конструктивные элементы) подразделяются на несущие и ограждающие. Несущие конструкции воспринимают все нагрузки, возникающие в здании, а также внешние воздействия.

Ограждающие конструкции (как правило, наружные) воспринимают собственный вес и внешние воздействия. К прочим элементам здания относятся перегородки, лестницы, окна и двери.

Объемы всех зданий (кроме одноэтажных) горизонтальными плоскостями перекрытий делятся на этажи, которые по своему положению в здании и назначению подразделяются на:

подвал (подвальный этаж);

цоколь (цокольный или полуподвальный этаж);

надземные этажи, расположенные выше уровня земли -- первый этаж и типовые этажи;

чердак (чердачный неэксплуатируемый этаж);

мансарда (мансардный или чердачный эксплуатируемый этаж);

технический этаж, который может располагаться как в подвале, так и на чердаке или в одном из типовых этажей.

Лекция 2 Фундаменты

Основанием называется массив грунта, расположенный под фундаментом и воспринимающий нагрузку от здания или сооружения. Основания могут быть естественными или искусственными, т.е. такими, которые требуют искусственного упрочнения -- трамбования, цементизации, битуминизации и т.д.

Если естественное основание не удовлетворяет условиям эксплуатации, то его закрепляют, делая, таким образом, из естественного основания искусственное, либо заменяют.

Закрепление естественного грунта осуществляется путем нагнетания в грунт различных веществ в жидко-пластичном состоянии (цементного или цементно-песчаного раствора, силикатных растворов, битума и т.д.). Такое закрепление называется цементизацией, силикатизацией или битуминизацией. Такие составы химически или механически связывают частицы грунта.

Уплотнение грунта происходит также различными механическими методами: поверхностным трамбованием с предварительным замачиванием, глубинной вибрацией или свайным упрочнением. При замене грунта удаляется слабый слой и заменяется более прочным насыпным грунтом.

Требования к основаниям заключаются в требованиях к их несущей способности, устойчивости к грунтовым водам, неподвижности, неподверженности пучению и т.д.

Грунты, используемые для оснований, включают в себя: глинистые грунты, песчаные грунты, крупнообломочные и скальные грунты. Глубина заложения фундамента зависит от типа грунтов, нагрузок на фундамент, глубины промерзания грунта, наличия подвала, уровня грунтовых вод и т.д.

Фундамент служит для передачи нагрузок от здания на основание. Фундамент обычно состоит из вертикального элемента (стены или столба) с нижней уширенной частью, называемой подушкой. Материалом для фундамента служат кирпич, бетон, бут, бутобетон, железобетон, дерево и сталь.

Основные силовые и несиловые воздействия на фундамент следующие: вес здания, боковое давление грунта, сила пучения, вибрация, температура грунта, грунтовая влага, агрессивные воздействия, температура помещения, влажность воздуха в помещении, упругий отпор грунта (рис. 8).

Основные типы фундаментов:

столбчатые под несущие стены;

отдельно стоящие под колонны или столбы (изолированные) (рис. 9);

ленточные мелкого заложения; ленточные глубокого заложения (рис. 10); свайные (рис. 11);

сплошные (плитные) (рис. 12) и т.д.

Защита фундаментов от грунтовой влаги, грунтовых вод и атмосферных осадков осуществляется: отделкой цоколя, отмосткой, горизонтальной и вертикальной гидроизоляцией (тяжелый бетон, пережженный кирпич, мятая жирная глина, обмазочная и обклеечная гидроизоляция). Тяжелый бетон применяется в конструкции пола подвала, отделка цоколя осуществляется влагостойкими и влагонепроницаемыми материалами. Рулонная гидроизоляция закладывается горизонтально между цоколем и стеной. Обмазочная гидроизоляция (мятая глина или пережженный кирпич) защищает внешнюю сторону фундаментной стенки и т.д. (рис. 13).

Лекция 3. Стены

Каменный несущий остов гражданских зданий представляет собой классическую стеновую систему. Основным элементом каменного остова зданий являются стены. Толщина стен определяется либо по ее несущей способности, либо по теплотехническому расчету. Принимается большее значение толщины. Для усиления стен часто применяется:

армирование;

проемы в каменных стенах перекрывают перемычками или арками;

у поверхностей земли устраиваются цоколи; стены завершают карнизами или парапетами.

Мелкоразмерные каменные стены возводятся из естественных или искусственных материалов (глиняного или искусственного кирпича, камня, мелких бетонных блоков и т.д.) (рис. 14). Размеры наиболее традиционного мелкоразмерного изделия для стен -- кирпича равны 250х120х65.

Толщина стен из кирпича измеряется в половинах длины кирпича или в миллиметрах (с учетом толщины растворных швов 10 мм): 0,5 кирпича (120 мм); 1 кирпич (250 мм); 1,5 кирпича (380 мм); 2 кирпича (510 мм) и т.д. Кладка бывает как сплошная (рис. 14), так и облегченная или многослойная с включением внутренних утепляющих слоев (рис. 15).

Перемычки в основном бывают: брусовые из сборного железобетона, рядовые армоцементные, металлические из прокатных профилей и т.д. (рис. 16).

Крупные блоки -- это сборные стеновые элементы, изготовленные из бетона, камня и имеющие форму параллелепипеда. Эти блоки -- самоустойчивые элементы, высота, ширина и толщина которых совместимы между собой.

Блоки бывают простеночными, цокольными, перемычечными, подоконными и т.д. Прочность и устойчивость стен обеспечивается перевязкой блоков, связью с внутренними стенами и элементами перекрытий через закладные детали и т.д.

Внутренние блоки имеют толщину 200 и 300 мм и выполняются из тяжелого бетона. Наружные имеют толщину 300, 400, 500, 600 мм и выполняются из легкого бетона.

Основные перевязки и типы разрезок крупноблочных стен представлены на рис. 17.

Стеновые панели -- это крупные жесткие плоские элементы с шириной или высотой, значительно превышающей их толщину. Стеновые панели изготовляют из различных видов бетона, а по конструкции они бывают однослойными, двухслойными и трехслойными (рис. 18). Разрезка наружных стен в панельных бескаркасных зданиях, как правило, однорядная горизонтальная, но может быть вертикальной и более сложной. Толщина панелей 200-250-300-350-400 мм.

Разрезка наружных панельных стен дана на рис. 19.

Наружные стены в каркасных зданиях бывают навесными и самонесущими, т.е. передающими собственный вес на элементы каркаса и их разрезка в основном горизонтальная ленточная.

При самонесущих панельных стенах их элементы крепятся к колоннам каркаса гибкими связями, обеспечивающими устойчивость панелей; при панелях они опираются на ригели каркаса, консольные выступы панелей перекрытия или на опорные столики, приваренные к колоннам.

Лекция 4 Каркасные здания

Каркасное здание -- это здание, в котором основой несущего остова является каркас, состоящий из системы фундаментов, колонн, ригелей, плит перекрытий и элементов жесткости -- связей, диафрагм или ядер жесткости.

Основными строительными материалами для устройства каркасов являются сборный или монолитный железобетон (для зданий массового строительства), сталь (для уникальных, высотных или крупных промышленных зданий) и дерево (для малоэтажных гражданских зданий).

По характеру работы каркасы подразделяются на три разновидности: рамную, связевую и рамно-связевую (рис. 20).

Рамная схема -- это элементы каркаса, жестко соединенные в конструктивных узлах в устойчивую и жесткую пространственную схему, воспринимающую вертикальные и горизонтальные усилия.

Связевая схема -- это схема, при которой горизонтальные усилия воспринимаются жесткими перекрытиями, диафрагмами и ядрами жесткости. Вертикальные усилия воспринимаются колоннами и фундаментами. Соединения вертикальных и горизонтальных элементов при этом принимается условно шарнирными.

Рамно-связевая схема представляет собой комбинацию рамных и связевых схем. При этом в одном направлении жесткость обеспечивается вертикальными элементами жесткости (диафрагмами или связями), а в другом -- самой рамой.

Для гражданских зданий применяют в основном сборный железобетонный каркас. Для рамного каркаса применяют разрезку на Г-, Т-, Н-, П-образные плоские элементы. Для связевого каркаса применяются прямолинейные элементы (рис. 21).

Фундаменты под колонны каркасных зданий устраиваются, как правило, из сборных железобетонных блоков стаканного типа.

Сборные железобетонные колонны каркасных зданий выполняются обычно сечением 300х300 и 400х400 мм с одной или несколькими консолями, а также с вынесенными консолями. По высоте колонны изготавливаются на один или два этажа (рис. 22).

Ригели, воспринимающие нагрузку от междуэтажных перекрытий и передающие ее на колонны, в зависимости от перекрываемого пролета и расположения в здании, назначаются различных сечений: прямоугольного, таврового, в виде обратного тавра и т.д. В случае опирания плит перекрытий на боковые полки ригелей экономится высота этажа и здания в целом (рис. 23).

Перекрытия каркасных зданий выполняются из сплошных, пустотных или ребристых железобетонных панелей. При этом часть плит играет роль связей или распорок, которые укладывают по осям колонн. Рядовые панели укладывают между связевыми панелями (рис. 24).

Вертикальные диафрагмы жесткости проектируют на всю высотуздания, начиная от фундамента. Элементы диафрагм имеют поэтажную разрезку и представляют собой глухие железобетонные стенки с полками поверху для опирания плит перекрытия. С колоннами диафрагмы соединяются сваркой закладных деталей, а стыки замоноличиваются.

Наружные стеновые панели могут опираться на ригели каркаса (в случае продольного их расположения), на крайнюю панель перекрытия или непосредственно на колонну (рис. 25).

Лекция 5 Лестницы

Лестницы в зданиях служат для связи между помещениями, находящимися на разных уровнях (этажах), а также для аварийной эвакуации.

В зависимости от назначения лестницы подразделяются на: основные (для связи между этажами) и вспомогательные (подвальные, чердачные, пожарные и аварийные).

По расположению в здании лестницы бывают наружные, внутренние общего пользования и внутриквартирные.

По количеству маршей в пределах этажа и конфигурации лестниц их устраивают:

одномаршевыми;

Г-образными с промежуточными площадками или забежными ступенями;

двухмаршевыми с маршами, расположенными на одной оси; двухмаршевыми с сомкнутыми или раздвинутыми маршами; трехмаршевыми с лифтовой шахтой между ними; трехмаршевыми с уширенным (парадным) маршем и т.д. (рис. 26).

Лестницы заключают в лестничную клетку, образованную капитальными стенами и покрытием из несгораемых материалов. Основными элементами лестниц являются: лестничные марши и лестничные площадки.

Лестничные марши имеют ступени, горизонтальную поверхность которых называют проступью, а вертикальную- подступенком. Строительными нормами высота подступенка предусматривается равной от 135 до 180 мм, а ширина проступи -- от 250 до 300 мм (наиболее распространены размеры 150 и 300 мм соответственно).

Ширина лестничной площадки принимается не менее ширины лестничного марша и не менее 1,2 м. Количество ступеней в марше назначается в пределах от 3 до 16 штук.

Кроме лестниц, для сообщений между этажами служат пандусы, эскалаторы и лифты.

В зависимости от применяемого материала лестницы бывают железобетонными, металлическими, комбинированными (из железобетона и металла) и деревянными.

В современном строительстве применяют в основном сборные железобетонные лестницы: крупноразмерные и мелкоразмерные.

Наибольшее распространение получили крупноэлементные лестницы, состоящие из сборных железобетонных маршей и площадок или маршей с полуплощадками (рис. 27).

Крупноразмерные лестничные марши изготавливаются с двумя несущими ребрами или одним ребром (П-образные или кессонные, Н-образные, Т-образные) со ступенями сплошного или складчатого сечения и т.д. (рис. 28).

Лестничные площадки опираются на поперечные стены здания (продольные стены лестничных клеток). Лестничные марши при этом укладывают на ребра площадок. Лестничные марши с полуплощадками опираются на ригели каркаса или на поперечные стены.

Лестницы из мелких элементов устраивают из наборных железобетонных ступеней, укладываемых на железобетонные или металлические косоуры (наклонные балки).

Лестничные площадки монтируют из площадочных железобетонных плит сплошного сечения или с пустотами.

В деревянных или металлических конструкциях лестниц применяются также подкосоурные балки -- поперечные несущие элементы, служащие опорой для подстропильных балок (рис. 29).

Лекция 6 Покрытия и кровли

Для защиты от атмосферных осадков, от потерь тепла или перегрева, здания ограждаются сверху покрытиями (крышами).

Основными видами покрытий являются чердачные и совмещенные покрытия. Чердачное покрытие состоит из чердачного перекрытия над последним этажом и собственно конструкции крыши, между которыми находится чердак.

Совмещенное покрытие (обычно плоское) образуется при совмещении конструкции крышис чердачным перекрытием.

Покрытие (крыша) имеет 2 основных элемента: несущую конструкцию и ограждающую конструкцию (кровлю).

Скатные чердачные крыши устраиваются над зданиями небольшой ширины и малой этажности.

Чердачные скатные крыши выполняют в виде связанных между собой наклонных плоскостей (скатов). Уклон скатов зависит от материала кровли и от климатических условий. Основными геометрическими формами скатных крыш являются двускатная (щипцовая) крыша, четырехскатная (вальмовая) крыша, мансардная крыша и т. д. (рис. 30).

Несущие конструкции чердачных покрытий разделяются на наклонные и висячие стропила (рис. 31).

Наклонные стропила применяются для небольших пролетов и представляют собой балочную или стоечно-балочную конструкцию.

Висячие стропила применяются для больших пролетов и представляют собой простейший тип ферм.

Для скатных крыш применяют различные кровельные материалы.

Наиболее типичными являются:

кровли из рулонных материалов (рубероид, толь и т.д.);

кровли из плоских мелкоразмерных асбоцементных листов (шифера);

кровли из волнистых крупноразмерных асбоцементных листов; черепичные кровли;

стальные кровли;

кровли из мелкоразмерных рубероидных плиток; кровли их естественного шифера (сланца); кровли из деревянной дранки и гонта.

Для отвода воды с крыш ее скаты делаются наклонными. По величине угла наклона ската к горизонтали различают крутые крыши (уклон i > 25%), пологие крыши (i = 5-25%) и плоские крыши (i < 50,4), где i -- уклон крыши, т.е. отношение высоты ската к его заложению, выраженное в процентах.

Для многоэтажных гражданских зданий крыши устраиваются в основном малоуклонные, но могут и как скатные с внутренней или наружной системой водостока.

В массовом гражданском строительстве применяются конструкции крыш следующих основных типов:

чердачные с холодным или теплым чердаком (рис. 32); бесчердачные раздельной конструкции (вентилируемые) (рис. 33);

бесчердачные совмещенной конструкции (невентилируемые) (рис. 33).

Традиционный состав малоуклонных крыш построечного изготовления:

гравий светлых тонов, втопленный в битумную мастику, или бронированный рубероид;

гидроизоляционный рулонный ковер из нескольких слоев рубероида;

цементная стяжка (может быть по уклону);

плитный или насыпной утеплитель;

керамзитобетон по уклону (в случае отсутствия уклонной стяжки);

пароизоляция (рубероид, толь, обмазка горячим битумом); железобетонная плита.

Чердак в многоэтажных гражданских зданиях обычно используется

как технический этаж для установки инженерного оборудования, лифтового хозяйства и т.д.

Лекция 7 Перекрытия и полы

Перекрытия разделяются по своему местоположению в здании на: чердачные, междуэтажные, цокольные и надподвальные.

Перекрытия должны быть прочнымии жесткими. Кроме этого, к чердачным и надподвальным перекрытиям предъявляют требования теплоизоляции, а к междуэтажным -- звукоизоляционные требования.

Междуэтажные перекрытия состоят из несущей части, элементов покрытия пола и потолка.

По конструкции различают перекрытия балочные, безбалочные (плитные) и монолитные.

В настоящее время для малоэтажного строительства в основном применяют балочные конструкции перекрытий, реже -- плитные, а в многоэтажном гражданском строительстве -- в основном плитные (безбалочные) (рис. 34).

Перекрытия по балкам представляют собой балочную конструкцию (балочную клетку) с главными балками, второстепенными балками и прогонами (в случае необходимости) (рис. 35). При использовании деревянных балок заполнение между ними может выполняться из сгораемых материалов. В целях улучшения интерьера и повышения степени огнестойкости нижняя поверхность перекрытия для защиты от возгорания подбивается гипсокартонными листами или оштукатуривается (рис. 36). Концы деревянных балок, опирающиеся на наружные стены, где вероятно возникновение неблагоприятного температурновлажностного режима, защищаются от возникновения гнилостных процессов антисептированием и оберткой толем на мастике (рис. 37).

При безбалочных перекрытиях используются разнообразные типы панелей -- в основном пустотные с опиранием по двум сторонам или сплошные с опиранием по трем или четырем сторонам (рис. 38).

Полы в гражданских зданиях устраивают по междуэтажным, надподвальным или чердачным перекрытиям, а также по грунту. Конструкция пола обычно состоит из нескольких слоев: покрытия пола (чистого пола), прослойки, подготовки, основания.

Покрытия полов разделяют по способу устройства на полы из листовых (рулонных) материалов, из штучных материалов и на сплошные полы. Кроме этого, полы разделяются по материалу их покрытия на бетонные, паркетные, линолеумные, плиточные и т.д. (рис. 39).

Основной вид пола из листовых (рулонных) материалов -- это полы из линолеумов или ковровых покрытий.

Штучные полы по виду применяемых материалов разделяются на полы из синтетических плиток, керамических плиток, паркетной клепки и дощатые.

Сплошные полы бывают в основном цементные, бетонные, асфальтовые и т.д. Сплошные полы устраиваются в основном в подвалах, на технических этажах, в нежилых помещениях общего назначения и т.д.

Плиточные полы в основном также применяются в общих коридорах, на лестничных клетках, в санузлах.

В жилых помещениях чаще всего устраиваются паркетные, линолеумные и дощатые полы.

Лекция 8 Прочие элементы зданий (окна, двери, перегородки)

Окна, устраиваемые в проемах наружных стен зданий, служат для освещения помещений естественным светом и их вентилирования.

По способу открывания створок окна подразделяются на: распашные (внутрь и наружу);

раздвижные;

подъемные (опускающиеся);

поворотные с центральной вертикальной осью навески; поворотные с горизонтальной осью навески -- верхне-, нижне-, и

среднеподвесные.

Конструкции окон состоят из светопрозрачного материала -- стекла и обрамляющих элементов из дерева, металла и т.д.

Размеры окон выбирают в соответствии с требованиями освещенности, архитектурного облика здания и экономических требований (рис. 40).

По количеству слоев остекления окна могут быть с одинарным, двойным или тройным остекленеем; переплеты, в которых устанавливаются стекла, бывают раздельными или спаренными.

Оконные блоки состоят из вставляемых в проем стены рамыкоробки, которая заполняется глухими или открывающимися остекленными переплетами оконных створок.

Наиболее распространенный тип заполнения светопроемов в зданиях массового строительства -- окна с деревянными переплетами (раздельными или совмещенными) и с двойным остекленеем (рис. 41).

Двери служат для сообщения между помещениями, входа в здание и выхода из него.

Двери бывают наружные и внутренние, т.е. располагающиеся в наружных или внутренних стенах здания (перегородках).

По способу открывания двери бывают распашные, раздвижные, складчатые, вращающиеся и подъемные (двери-шторы). В подавляющем большинстве случаев используют распашные или раздвижные двери.

По числу дверных полотен распашные двери бывают однопольными, полуторапольными и двупольными.

В основном двери выполняются из дерева или древесных материалов, закаленного стекла и металла.

Дверной блок распашных дверей состоит из дверной коробки, вставляемой в дверной проем в стене и навешиваемого на коробку на петлях дверного полотна (рис. 42, 43).

Полотна деревянных дверей по своей конструкции подразделяется на:

двери на планках и шпонках (плотничные двери); филенчатые (панельные) двери;

щитовые двери.

Наиболее распространены сейчас щитовые дверные полотна как наиболее простые в изготовлении и относительно дешевые. Они используются как для наружных, так и для внутренних дверей. Для наружных дверей также часто используются двери филенчатые и из закаленного стекла.

Перегородками называют вертикальные самонесущие стеновые конструкции, служащие для разделения помещений внутри здания на более мелкие. Перегородки могут быть как стационарными, так и трансформируемыми.

По конструкции перегородки делятся на сборные из крупных элементов, мелкосборные, щитовые, каркасные и т.д. В качестве материалов используются легкие бетоны, кирпич, металл, древесина и т.д. (рис. 44).

Самонесущие перегородки выполняют из гипсобетонных панелей, из мелкоразмерных бетонных блоков или из кирпича с последующим оштукатуриванием поверхности или отделки отделочными материалами (рис. 45).

Перегородки на основе легкого каркаса включают в себя сам каркас (из дерева или легких металлических профилей) и обшивку из древесины, жестких листовых отделочных материалов или из штукатурки по сетке. Внутри каркасной перегородки может располагаться звукои теплоизоляционный материал (рис. 46).

Трансформируемые перегородки бывают следующих типов (рис. 47): раздвижные цельные или из отдельных элементов;

откатные из отдельных элементов -- прямолинейные или криволинейные;

шарнирно-складывающиеся; гармончатые;

подъемные (шторные).



Часть 2 Строительные конструкции

Лекция 9 Общие сведения о строительных конструкциях

Все строительные материалы и изделия являются основой для изготовления строительных конструкций. Свойства строительных материалов определяют свойства строительных конструкций, поэтому строительные конструкции создавались и совершенствовались по мере того, как внедрялись в строительную практику новые материалы. Одновременно с этим новые конструкции появлялись тогда, когда появлялась необходимость в новых типах зданий или в увеличении размеров существующих типов зданий. Поэтому можно утверждать, что развитие строительства и архитектуры в значительной степени зависит от развития строительных конструкций.

К строительным конструкциям относятся конструкции зданий и сооружений, образующие их остов (т.е. конструктивную основу) и воспринимающие все действующие на них нагрузки.

По виду материала строительные конструкции подразделяются на металлические, железобетонные, каменные, деревянные конструкции и конструкции с применением пластмасс.

К строительным конструкциям предъявляются требования, которым они должны удовлетворять на всех стадиях своего существования: в процессе изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации.

Кроме главного требования -- обеспечения прочности, жесткости и устойчивости конструкций, основными являются также экономические и функционально-эксплуатационные требования.

Экономичность конструкций зависит от расхода и стоимости материалов, стоимости изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатационных расходов.

Функционально-эксплуатационные требования сводятся к тому, чтобы конструкция удовлетворяла своему назначению, была удобна и безопасна в эксплуатации и требовала бы наименьших затрат для поддержания ее в рабочем состоянии.

Строительные конструкции подразделяются не только по материалу. Все конструктивные элементы и части зданий и сооружений можно подразделить на несколько групп: горизонтальные и вертикальные, плоские и линейные, плоскостные и пространственные конструкции:

стены -- плоские вертикальные конструкции;

столбы, стойки и колонны -- вертикальные линейные (точечные) конструкции;

балки и фермы перекрытий и покрытий -- горизонтальные линейные конструкции.

К ним относятся также арки и рамы. Балки и фермы относятся к безраспорным конструкциям, т.е. передающим на опоры (стены и колонны) только вертикальную нагрузку. Рамы, арки и своды являются распорными конструкциями, передающими на опоры не только вертикальную нагрузку, но и возникающие в конструкции распорные усилия (так называемый «распор») (рис. 48, 49, а, б).

Плоскостные и пространственные конструкции по большей части относятся к покрытиям зданий. К плоскостным относятся покрытия с линейными конструкциями -- балками, фермами, арками, рамами и т.д. Разнообразные типы пространственных конструкций в основном могут быть сведены к оболочкам, сводам -- оболочкам, куполам, складчатым конструкциям, перекрестно-стержневым системам, висячим и тентовым конструкциям и т.д. (рис. 49, в--ж, 50).

Плоскостные конструкции состоят из элементов, каждый из которых «работает» в своей отдельной вертикальной плоскости. Пространственные конструкции «работают» пространственно, поэтому они более эффективны.

Необходимо также проследить и проанализировать, как изменялись строительные конструкции во времени и какую роль в этих изменениях играли строительные материалы.

Дерево, камень и кирпич. Известные с древности материалы позволяли строить в основном небольшие здания с несложными конструкциями. Камень и необожженный кирпич использовались для стен, дерево (часто необработанное, в виде бревен) -- для конструкций крыш, а в лесистых районах -- и для стен. Позже для балок покрытий и стоек стала применяться примитивно-обработанная древесина в виде брусьев. Уже тогда было замечено, что деревянные элементы хорошо сопротивляются изгибу и успешно могут быть использованы для перекрытия «пролетов» -- расстояний между опорами. При увеличении размеров зданий пролеты также увеличивались и для перекрытия их требовались уже другие конструкции, так как балки при этом становились слишком массивными. Такими конструкциями стали сначала стропила, а затем и фермы из дерева.

Стропила -- незамкнутые решетчатые конструкции представляют собой наклонные балки с поддерживающей их системой подкосов и стоек. Ферма -- это замкнутая решетчатая конструкция, имеющая главную отличительную особенность -- «нижний пояс» (или «затяжку»). Фермы -- это сложные и многодельные конструкции, способные перекрывать здания большой ширины и не требующие дополнительных внутренних опор. Балки и фермы, выполненные в виде единой конструкции со стойками, соединенными между собой жесткими узлами, образовывали так называемые «портальные рамы», которые имели значительно большую несущую способность и жесткость, чем составляющие их отдельные элементы. Рамы и балки криволинейного очертания назывались «арками».

Когда появились строительные растворы и каменную кладку стали вести с их применением, камень стал использоваться не только для конструкций стен, но и для перекрытий и покрытий.

Начали сооружаться каменные арки, на основе которых возводились своды и купола значительных размеров. Это позволило не только увеличить размеры зданий, но и придать им величественный и монументальный вид.

С появлением обожженного кирпича, которым во многих случаях заменяли, камень, стены, столбы, своды и купола, выполненные из кирпича на растворе и с перевязкой швов, стали более прочными и менее массивными.

Бетон, сталь и железобетон. Бетон первое время применялся в основном как «материал заполнения» в конструкциях из камня и кирпича. До появления стали, а затем и железобетона бетон в строительстве в основном играл второстепенную роль и использовался лишь в конструкциях, работавших на сжатие -- в фундаментах, стенах, столбах, арках, куполах и как заполняющий материал. Появление стали вызвало как усовершенствование уже известных конструкций, так и появление новых. Из металла начали возводить крупные многоэтажные здания с каркасной конструктивной системой. Появились металлические колонны, балки, фермы, рамы и арки. Своды и купола, возводимые с применением металлического каркаса, стали еще более внушительными. Появилось много новых металлических инженерных сооружений и принципиально новый тип гражданских зданий повышенной этажности, которые стали называть «небоскребами». Сталь применяли в прошлом и применяют сейчас для большепролетных конструкций и при этом постоянно разрабатываются новые конструктивные решения.

К наиболее эффективным относятся висячие (вантовые) конструкции и перекрестно-стержневые пространственные системы («структуры»).

Например, в висячих конструкциях используются стальные тросы (ванты), которые эффективно воспринимают растягивающие усилия, что позволяет перекрывать огромные пролеты.

Железобетон способствовал обогащению конструктивных форм, но его использование не привело к появлению новых типов строительных конструкций, за исключением стеновых панелей и плит перекрытий. Этот материал с успехом заменяет практически все другие конструкционные материалы. Все, что раньше возводилось только из дерева, камня или кирпича, сегодня может быть выполнено из монолитного или сборного железобетона.

Конечно, это не означает, что традиционные строительные материалы исчезли из современной строительной практики. Дерево применяется в малоэтажном жилищном строительстве при каркасных или стеновых конструктивных системах зданий и для отделочных работ, а также для несущих конструкций в ряде зальных общественных зданий.

Камень продолжает применяться в малоэтажных гражданских зданиях при их стеновой конструктивной системе, но главным образом его в настоящее время используют для отделки.

Кирпич также нашел широкое применение в современном строительстве. Однако он уже используется не только для традиционных построек со стеновой конструктивной системой. Развитие каркасных зданий сделало возможным применение кирпича для стен и в стоечнобалочной конструктивной системе, когда кирпичные стены, опираясь на горизонтальные элементы каркаса, не являются несущими и выполняют только ограждающие функции.

К строительным конструкциям относятся конструкции, воспринимающие действующие на них нагрузки и обеспечивающие прочность, жесткость, устойчивость зданий и сооружений. Размеры сечений таких конструкций определяются расчетом по несущей способности, деформации или трещиностойкости.

В настоящее время в качестве основного метода расчета принят метод расчета строительных конструкций по «предельным состояниям».

Предельным называется такое состояние конструкции, когда она перестает сопротивляться внешним нагрузкам или же когда в ней возникают недопустимые перемещения или местные повреждения.

В этом методе используются следующие коэффициенты: по нагрузкам, по прочности материалов и по условиям работы конструкций. Это приближает расчетные предпосылки к действительным предельным состояниям работы конструкции.

Основными задачами расчета строительных конструкций являются:

определение возникающих в них усилий от действующих нагрузок;

определение размеров поперечных сечений элементов, соединительных деталей и требуемого количества арматуры (в железобетонных элементах);

определение гарантированных эксплуатационных качеств конструкций при минимальных затратах материалов.

Конструкция может потерять необходимые эксплуатационные качества в результате:

исчерпания несущей способности (разрушения);

чрезмерных деформаций (прогибов, осадок), а также в результате образования трещин.

Используемые в расчете значения нагрузок, прочностные и деформативные характеристики материалов установлены соответствующими

«Строительными нормами и правилами» (СНиП).

Строительные конструкции рассчитывают по методу предельных состояний, который гарантирует эксплуатационные качества конструкции при возможно наибольших отклонениях от нормативных значений нагрузок и возможно наихудшем качестве материалов.

В соответствии с двумя принципами, которые могут вызвать потерю эксплуатационных качеств конструкций, установлены две группы их расчетных предельных состояний: по несущей способности и по непригодности к нормальной эксплуатации.

По первой группе предельных состояний рассчитывают конструкции всех видов, а по второй группе -- только те конструкции, повреждения или деформации, которых могут привести к потере эксплуатационных качеств до того, как будет исчерпана несущая способность.

Расчет конструкций по второй группе предельных состояний должен обеспечить не только ограничение их деформаций, но и ограничить ширину раскрытия трещин или исключить появление трещин вообще.

Для учета возможной изменчивости нагрузки и прочностных характеристик материалов, устанавливаются следующие расчетные коэффициенты:

1) коэффициент надежности по нагрузке , вводимый на действующие нагрузки; он больше 1,0 (0,9 -- лишь для конструкций, рассчитываемых на опрокидывание, скольжение или всплытие);

2) коэффициент надежности по материалу прочностные характеристики материалов; _m > 1,0, вводимый на

3) коэффициент условий работы, оценивающий особенности работы материалов, а также конструкции в целом >< 1,0

Нормативные нагрузки qn -- это установленные СНиП нагрузки, которые могут действовать на конструкцию при ее нормальной эксплуатации (кгс/м2, кПа). Расчетные нагрузки q получают путем умножения нормативных нагрузок на коэффициент надежности по нагрузке:

Постоянными называются нагрузки, действующие на конструкцию в течение всего периода эксплуатации (собственный вес конструкции, давление грунта и т.д.).

Временные нагрузки -- это нагрузки, которые в процессе эксплуатации конструкции изменяются по значению и расположению (вес оборудования, снега, давление ветра и т.д.). Временные нагрузки подразделяются на длительные и кратковременные.

Особые нагрузки -- это нагрузки от неравномерной осадки зданий, сейсмические нагрузки и т.д.

Конструкции рассчитывают на действия нагрузок в различных сочетаниях, которые могут быть как основными, так и особыми. Основное сочетание -- это одновременное действие постоянных, длительных временных и кратковременных нагрузок в различных сочетаниях с соответствующими коэффициентами:

Особое сочетание -- это действие нагрузок основного сочетания с добавлением одной из особых нагрузок.

Нормативное сопротивление материала Rn (кгс/см², мПа) -- это основной параметр, который характеризует сопротивление материала силовым воздействиям. Оно устанавливается нормами проектирования и принимается по контрольной или «браковочной» прочности (обеспеченностью не менее 95 % от количества испытанных образцов).

Расчетное сопротивление R (кгс/см2, мПа) получают делением

Rn на коэффициент надежности по материалу:

Расчет по первой группе предельных состояний гарантирует сохранение несущей способности конструкции с учетом возможного увеличения нагрузки, а также возможного уменьшения прочности материала. Расчет проводится на растяжение, сжатие, изгиб, срез или смятие. Например, для центрально растянутых элементов Fнт ? N/R, где:

Fнт -- площадь поперечного сечения «нетто»;

N -- действующая нагрузка;

R -- сопротивление материалов элемента.

Расчет конструкций по предельным состояниям 1 группы производится в общем случае для всех стадий работы конструкции, ее изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации.

Основной вид расчета по несущей способности производится по обобщающей формуле:

n Q f q ; ;n f S;R ; ;1

Размещено на http://www.allbest.ru/

где f -- функция;

— коэффициент надежности по назначению здания или сооружения;

— коэффициент условий работы;

m -- коэффициент надежности по материалу;

Q -- усилие (момент, сила);

qn -- нормативная нагрузка;

_f -- коэффициент надежности по нагрузке;

n_c -- коэффициент сочетания нагрузок (усилий);

S -- геометрические характеристики сечения;

Rn -- нормативное сопротивление материала.

Максимально возможное усилие в сечении элемента должно быть меньше или, в крайнем случае, равно минимально-возможной несущей способности сечения элемента.

Расчет по 2 группе предельных состояний гарантирует сохранение эксплуатационных качеств конструкции с учётом изменчивости прочностных и деформативных свойств материалов.

При необходимости ограничения прогиба, имеем:

где f -- фактический (расчетный) прогиб конструкции;

f пред. -- предельное значение прогиба, установленное нормами.

При необходимости исключить образование трещин в конструкции с учетом изменчивости прочностных характеристик материалов и нагрузок, расчетное условие имеет вид:

где S -- максимально возможное (расчетное) усилие;

Scr -- усилие в элементе перед образованием трещин.

Если образование трещин допустимо, то должна быть ограничена ширина их раскрытия, т.е.:

a_cr ? a

cr,u

где acr -- расчетная ширина раскрытия трещин;

acr,u -- предельная (нормативная) ширина раскрытия трещин.



Лекция 10 Металлические конструкции

Сталь является основным материалом металлических конструкций. Она обладает высокой прочностью, пластична, хорошо сваривается и сопротивляется динамическим воздействиям. Для легких конструкций используют алюминиевые сплавы или холоднокатаную сталь. Свойства стали зависят от нее химического свойства и технологии изготовления. Для строительных конструкций применяют малоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,22 %. Повышение прочности стали без снижения ее пластичности достигается введением легирующих добавок -- марганца, кремния, меди, никеля, хрома (легированные стали), или ее термическим упрочнением.

Прочность и деформативность стали устанавливают испытанием образцов на растяжение. Прочностными характеристиками стали являются: предел текучести (рис. 54).

и временное сопротивление разрыву ВР,

Для твердых сталей, у которых отсутствует площадка текучести, в качестве условного предела текучести принимают напряжения, при которых возникают остаточные удлинения 0,2% ( 0,2 ). Для напряжений, близких к пределу текучести, зависимость между напряжениями и деформациями определяется законом Гука:

где Е -- модуль упругости стали;

-- относительное удлинение при разрыве. Классы сталей для строительных конструкций:

С 38/23: у = 3800 кгс/см2 ут = 2300 кгс/см2 е р= 25 %; С 85/75: у^вр = 8500 кгс/см2 у = 7500 кгс/см2 е = l0 %.

Основная расчетная формула для центрально-растянутых элементов:

где N -- расчетное усилие;

An -- площадь сечения элемента «нетто»;

-- коэффициент условий работы (0,7--1,1);

Ru -- предельное расчетное сопротивление.

Прокатную сталь промышленность выпускает в виде прокатного сортамента: двутавров, швеллеров, равнополочных и неравнополочных уголков (рис. 55), а также листов, полос, труб, прутков (арматурных стержней) и т.д. В последнее время выпускаются также прокатные профили в виде «широкополочных двутавров».

Элементы стальных конструкций соединяют в основном электродуговой сваркой плавящимися электродами, которая может быть ручной и механической (автоматической и полуавтоматической), а также заклепками и болтами. Сварные швы могут быть стыковыми и угловыми, а сварные соединения бывают встык, встык с накладками, внахлестку и втавр (рис. 56).

Заклепки используют для соединения элементов конструкций, испытывающих динамические воздействия или выполненных из несвареваемых материалов (например, алюминия).

Болты применяют как для монтажного, так и для конструктивного соединения элементов.

Болты, изготовленные штамповкой прокатных прутков, называются болтами нормальной точности, или «черными» болтами, а выточенные по диаметру отверстия -- болтами повышенной точности, или «чистыми» болтами. Отверстия для заклепок и болтов могут быть продавлены или высверлены. Заклепки и «черные» болты ставят в продавленные отверстия, а «чистые» болты -- в просверленные. По линии сопряжения соединяемых элементов заклепки и болты работают на срез, а по боковым поверхностям -- на смятие (рис. 57).

Эффективным методом соединения металлоконструкций является соединение на высокопрочных болтах; при этом соединяемые элементы работают и за счет трения между ними.

Стальные конструкции рассчитываются:

1) по несущей способности на прочность, устойчивость и выносливость;

2) по деформациям на жесткость.

Стальные балки выполняют в основном из прокатных двутавров и швеллеров, которые обладают высокой прочностью и жесткостью. При больших пролетах балки делают составными в виде двутавров из стальных листов. По статической расчетной схеме балки могут быть разрезными (однопролетными), неразрезными (многопролетными) и консольными.

Система балок, составляющая несущую конструкцию перекрытия или покрытия, называется «балочной клеткой». Балки, передающие нагрузки на опоры, называются главными, а балки, опирающиеся на них и поддерживающие ограждающую конструкцию перекрытия, называются второстепенными. Настил по балкам может быть из монолитного или сборного железобетона или из стальных листов (рис. 58).

Расчет прочности балки состоит в определении краевых нормальных напряжений в сечении, где действует максимальный изгибающий момент от расчетных нагрузок (рис. 59). Эти напряжения не должны превышать расчетного сопротивления R.

Ферма -- это сквозная решетчатая конструкция, которая применяется в качестве несущего элемента покрытия здания. Фермы в основном бывают полигональные, треугольные, с параллельными поясами и сегментные.

В геометрической схеме фермы каждый стержень изображается одной линией, проходящей через центр тяжести его сечения. Оси всех стержней, сходящихся в узле, пересекаются в одной точке.

Соединение стержней во всех узлах принимается шарнирное, поэтому от нагрузок, приложенных в узлах, все элементы испытывают только осевые усилия-сжатия или растяжения (рис. 60).

В фермах верхний пояс сжат, а нижний -- растянут.

Стальные колонны могут быть сплошными (из листов, прокатных профилей) или сквозными (состоящими из отдельных ветвей, соединенных между собой планками или решеткой) (рис. 61).

В верхней части колонны имеют «оголовок» для опирания балок или ферм, а внизу -- уширенную часть (базу для опирания на фундамент) (рис. 62).