1. Перечислите виды строительных конструкций. Укажите требования, предъявляемые к ним на стадиях проектирования, изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации. Дайте определения понятиям «унификация» и «стандартизация» в строительстве.

Виды строительных конструкций:

1. Фундаменты (ленточные, столбчатые, свайные, сплошная плита под здание).

2. Перекрытия и покрытия:

а) из железобетона:

- по способу устройства - сборные, монолитные, сборно-монолитные;

- по конструктивному решению – балочные (сборные и монолитные главные и второстепенные балки, плиты), безбалочные (с капителями), плитные (сплошные, многопустотные и ребристые панели), кессонного типа;

б) по деревянным балкам;

в) по стальным балкам.

3. Опоры (деревянные стойки, железобетонные и стальные колонны, каменные и армокаменные столбы).

4. Лестничные марши и площадки (железобетонные, по деревянным и стальным косоурам).

5. Стены (железобетонные сборные (стеновые панели) и монолитные), каменные, деревянные.

6. Большепролетные конструкции (фермы, оболочки, арки, пространственные стержневые системы).

Требования к строительным конструкциям:

1. Прочность – способность материала сопротивляться внешним силовым воздействиям.

2. Жесткость – сопротивляемость деформациям (прогибам или поворотам).

3. Устойчивость – сохранение формы конструкции.

4. Долговечность – неизменяемость физико-механических свойств и других эксплуатационных качеств в течение заданного срока службы.

5. Надежность – способность конструкции сохранять свои эксплуатационные свойства в течение всего срока службы сооружения, а также в период ее транспортировки и монтажа.

6. Огнестойкость – характеризуется пределом огнестойкости, т.е. сопротивлением воздействию огня (в часах) до потери прочности или устойчивости.

7. Необходимая теплоизоляция – для ограждающих конструкций.

8. Возведение индустриальными методами – изготовление унифицированных типовых конструкций в заводских условиях с последующей установкой и сборкой на строительной площадке.

9. Экономичность – суммарная стоимость строительных конструкций должна быть минимальной.

10. Архитектурная выразительность.

При проектировании строительных конструкций должны быть учтены нагрузки, возникающие при изготовлении, транспортировке и монтаже конструкций (например, колонна при эксплуатации работает как центрально- или внецентренно сжатая, при транспортировке – на изгиб, при монтаже – на растяжение).

Унификация предполагает приведение многообразных видов типовых деталей к ограниченному числу определенных типов, единообразных по форме и размерам. При этом в массовом строительстве унифицируют не только размеры деталей и конструкций, но и основные их свойства (несущая способность, тепло- и звукоизоляционные свойства для панелей ограждения). Унификация деталей должна обеспечивать взаимозаменяемость и универсальность.

Стандартизация - наиболее совершенные типовые детали и конструкции утверждаются в качестве стандартов, т.е. образцов строго определенной формы, размеров и качества, обязательных как при проектировании, так и при заводском изготовлении. Документы, содержащие все данные о стандартах, называются ГОСТами, несоблюдение которых преследуется законом.

2. Дайте определение понятию «предельное состояние конструкции». Укажите цели расчета строительных конструкций по первой и второй группам предельных состояний. Укажите цели расчета оснований по первой и второй группам предельных состояний. Приведите примеры.

Предельным состоянием называется такое состояние конструкции, когда она перестает удовлетворять заданным требованиям эксплуатации или изготовления.

СНБ и СНиП предусматривают две группы предельных состояний:

- первая – по потере несущей способности или полной непригодности к эксплуатации;

Должно выполняться условие N ≤ Ф,

где N – расчетные максимально возможные усилия, зависят от нагрузки, конструктивной схемы, способов соединения конструкций и т.д.;

Ф – наименьшая возможная несущая способность сечения элемента, зависит от прочностных свойств материала конструкции, формы и размеров сечения.

- вторая – по непригодности к нормальной эксплуатации (без ограничений и внеочередного ремонта).

Должно выполняться условие f ≤ f^u,

где f – определенная из расчета деформация конструкции (перемещение, осадка, угол поворота сечения, прогиб и т.д.);

f^u – предельная деформация конструкции, определяемая по СНБ или СНиП.

Цель расчета строительных конструкций по предельным состояниям первой группы – исключить возможность хрупкого, пластичного или усталостного разрушения конструкции, потери устойчивости формы (продольный изгиб) или положения в пространстве (опрокидывание, скольжение), вследствие чрезмерного раскрытия трещин в железобетоне.

Цель расчета строительных конструкций по предельным состояниям второй группы – не допустить возникновения чрезмерных деформаций и перемещений в конструкциях (прогибы, углы поворота, амплитуды колебания), а также образования и раскрытия трещин в железобетоне.

Цель оснований по предельным состояниям первой группы – не допустить наступления предельного состояния вследствие потери несущей способности.

Ц ель расчета оснований по предельным состояниям второй группы - не допустить возникновения чрезмерных осадок.

Например, подкрановая балка, оставаясь прочной и надежной в работе, может прогнуться больше, чем установлено нормами. Вследствие этого мостовому крану с грузом требуются дополнительные усилия, создается дополнительная нагрузка на его узлы, и ухудшаются условия нормальной эксплуатации.

Другой пример: при прогибе деревянных оштукатуренных поверхностей (потолка) более чем на ¹/³⁰⁰ длины пролета начинает отпадать штукатурка. Прочность балки при этом не исчерпывается, но нарушаются нормальные бытовые условия, и может возникнуть опасность для здоровья и жизни людей. К аналогичным последствиям может привести чрезмерное раскрытие трещин, которые допустимы в железобетонных и каменных конструкциях, но ограничиваются нормами.

2. Приведите классификацию нагрузок и воздействий, действующих на конструктивные элементы и основания. Дайте определения понятию «грузовая площадь». Приведите примеры определения грузовой площади основных конструктивных элементов здания: плит перекрытия, балок, колонн, ленточных и столбчатых фундаментов.

Классификация нагрузок и воздействий:

1. Постоянные (вес несущих и ограждающих конструкций, вес и давление грунтов).

2. Временные:

а) длительные (вес стационарного оборудования; вес жидкостей, газов и сыпучих тел; нагрузки на перекрытие архивов, нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохо­зяйственных зданий с пониженными нормативными значениями);

б) кратковременные (нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохо­зяйственных зданий с полными нормативными значениями; ветровые, гололедные);

в) особые (сейсмические воздействия; взрывные воздействия; нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправ­ностью или поломкой оборудования).

Грузовая площадь – геометрическая площадь, с которой собирается нагрузка на рассчитываемую конструкцию.

2. Охарактеризуйте область применения металлических конструкций в современном строительстве. Перечислите преимущества и недостатки металлоконструкций. Укажите способы повышения долговечности металлоконструкций, перспективы дальнейшего развития металлических конструкций в строительстве.

Область применения металлических конструкций – в зданиях и сооружениях различных типов с большими нагрузками (мостовые краны грузоподъемностью более 30 т), пролетами (более 30 м) и значительной высотой (высота колонн более 16 м).

Преимущества металлоконструкций:

1. Высокая надежность и долговечность вследствие их однородности и изотропности.

2. Высокая прочность, способность при малых сечениях воспринимать большие усилия.

3. Малая деформативность (модуль упругости стали Ест=2,06105 МПа – самый высокий из строительных материалов)

4. Высокая транспортабельность

5. Сплошность материала и герметичность соединений.

6. Индустриальность изготовления.

7. Высокая скорость монтажа благодаря простоте сварных и болтовых соединений.

Недостатки металлоконструкций:

1. Подверженность коррозии и как следствие повышение эксплуатационных расходов. Ежегодно теряется около 10% общего количества выплавляемых черных металлов.

2. Низкая огнестойкость (при t4000С для сталей и t2000С для Al сплавов начинается ползучесть металлов – развитие пластических деформаций при постоянной нагрузке).

3. Высокая стоимость.

Способы повышения долговечности металлоконструкций:

Способы защиты от коррозии:

1) конструктивные мероприятия;

2) введение легирующих добавок;

3) нанесение металлических покрытий на поверхность (гальваническим способом, горячим способом, металлизацией);

4) плакирование;

5) нанесение лакокрасочных покрытий.

Меры повышения огнестойкости:

- экранирование;

- окраска специальными самовспенивающимися от высоких температур лакокрасочными покрытиями;

- облицовка кирпичом;

- оштукатуривание наружных поверхностей;

- устройство спринклерного оборудования.

Перспективы дальнейшего развития металлических конструкций:

 расширение применения высокопрочных сталей, алюминиевых сплавов, атмосферостойких сталей, более эффективных профилей;

 изготовление типовых конструкций на автоматизированных поточных линиях;

 использование новых типов соединений, ускоряющих монтаж;

 использование быстровозводимых складывающихся систем – куполов, тентовых конструкций, ферм-структур;

 применение предварительно напряженных конструкций;

 укрупнение монтажных элементов с привлечением для их монтажа вертолетов.

2. Охарактеризуйте механические свойства стали: прочность, упругость, пластичность. Изобразите диаграмму зависимости между напряжениями и относительными удлинениями центрально-растянутого элемента. Дайте определения понятиям: «предел пропорциональности», «предел упругости», «предел текучести», «предел прочности».

Прочность – способность стали сопротивляться внешним силовым воздействиям.

Упругость – свойство материала полностью восстанавливать свои первоначальные размеры после снятия внешней нагрузки.

Пластичность – способность материала получать остаточные деформации после снятия внешних нагрузок.

Диаграммы «напряжение σ (МПа)– деформация ε (%):

а – малоуглеродистой стали; б – низколегированной стали.

Относительное удлинение при разрыве характеризует пластичность металла и определяется по формуле

где l⁰ и l^k – соответственно длина образца до и после разрыва.

Пределом пропорциональности ^p называют наибольшее напряжение, при котором остается справедливым закон Гука  = Е  , где Е = tg - модуль упругости.

Предел упругости – наибольшее напряжение, при котором образец полностью восстанавливает первоначальные размеры после снятия нагрузки.

Для большинства сталей пределы пропорциональности и упругости практически совпадают.

Предел текучести ^y – напряжение, при котором начинают развиваться пластические деформации, а на диаграмме появляется площадка текучести.

Предел прочности ^u– напряжение, равное отношению наибольшей силы к первоначальной площади поперечного сечения образца, при котором образец начинает разрушаться.

2. Укажите особенности расчета центрально-растянутых элементов металлических конструкций: определение центрально-растянутого элемента, схема работы, область применения, расчет на прочность. Понятие о гибкости центрально-растянутого элемента, причины ее ограничения. Понятие о предельно допустимой гибкости, ее значения для различных конструкций.

Центрально растянутыми элементами считаются такие, в которых точка приложения и направление растягивающей силы совпадают с линией, проходящей через центр тяжести поперечного сечения стержня (ось элемента).

Схема работы:

а — центрально растянутый элемент;

б — то же, ослабленный.

Область применения – затяжки арок, подвески, растянутые раскосы и пояса стропильных, подстропильных и связевых ферм

Расчет на прочность:

Для конструкций, работа которых возможна после достижения металлом предела текучести, расчет следует выполнять по формуле:

где Аⁿ — площадь поперечного сечения нетто. В элементах, ослабленных отверстиями (для заклепок или болтов), в расчет следует вводить площадь поперечного сечения нетто, то есть за вычетом площади ослабления Аⁿ=А-А^о (схема работы б).

Гибкость центрально-растянутого элемента:

где l^ef — эффективная длина элемента, зависящая от условий закрепления и других факторов; i —радиус инерции сечения.

Рассчитанная по формуле гибкость не должна превышать предельно допустимой гибкости . Это объясняется тем, что очень гибкие элементы под действием собственного веса могут провисать, а при динамических воздействиях испытывать колебания с большой амплитудой.

При статических нагрузках предельная гибкость в зависимости от типа элементов конструкций не должна превышать 300…400, а при динамических нагрузках – 150…350.

2. Укажите особенности расчета центрально-сжатых стальных элементов: определение центрально-сжатого элемента, схема работы, область применения, расчет на прочность и устойчивость. Дайте понятие о расчетной длине сжатых элементов, коэффициенте продольного изгиба, понятие о гибкости, предельной гибкости.

Ц ентрально-сжатыми элементами считаются такие, в которых точка приложения и направление сжимающей силы совпадают с линией, проходящей через центр тяжести поперечного сечения стержня (ось элемента).

Схема работы:

а — центрально сжатый элемент;

б — то же, ослабленный.

Область применения – стойки, колонны, центрально сжатые элементы стропильных и подстропильных ферм, стержни пространственных конструкций.

Сжатые элементы стальных конструкций рассчитывают на устойчивость и прочность (в том случае, если сечение элемента ослаблено отверстиями).

Расчет на прочность выполняют по формуле

где N – расчетная продольная сила при сжатии, Aⁿ – площадь поперечного сечения нетто (определяется как для центрально-растянутого элемента), R^y – расчетное сопротивление стали по пределу текучести (таб. 51), γ^с – коэффициент условий работ).

Устойчивость центрально сжатого элемента рассчитывают по формуле

где φ— коэффициент продольного изгиба, учитывающий уменьшение расчетного сопротивления для предотвращения выпучивания стержня при упругой работе металла;

λ - гибкость стержня; А - площадь поперечного сечения.

Гибкость находят из выражения λ = l^ef /i,

где l^ef - расчетная длина элемента, зависящая от условий закрепления и определяемая по формуле l^ef = µl, где l – геометрическая длина стержня, µ - коэффициент, зависящий от способов закрепления концов стержня:

^{Схемы изгиба стержней при различных способах закрепления}

Схемы закрепления концов стержней
Коэффициент µ	µ = 1,0	µ = 0,7	µ = 0,5	µ = 2,0	µ -зависит от степени подвижности опоры

Гибкость центрально-сжатого элемента λ не должна превышать предельного значения [λ], определяемого по таб. 19 СНиП II-23-81* Стальные конструкции.

2. Укажите особенности расчета изгибаемых стальных элементов: область их применения, расчетные схемы конструкций, эпюры усилий, расчет на прочность, расчет по 2-й группе предельных состояний.

Область применения – балочные элементы конструкций в покрытиях и междуэтажных перекрытиях гражданских, сельскохозяйственных, производственных зданий и других сооружений.

Изгибаемые элементы рассчитываются по 1-му предельному состоянию на прочность и устойчивость и по 2-му предельному состоянию — по прогибам. Расчет по 1-му предельному состоянию ведется на действие расчетных нагрузок, по 2-му — на действие нормативных нагрузок. При расчетах изгибаемых элементов может учитываться как упругая, так упруго-пластическая стадия работы металла.

q

Q_max = ql/2

M_max = ql²/8

Определение нагрузки на Расчетная схема изгибаемого элемента

изгибаемый элемент

Расчет прочности по нормальным напряжениям выполняют по формуле  R_у _с

Расчет прочности балки на сдвиг в уровне расположения нейтральной оси выполняют по условию

где W_x – момент сопротивления элемента с учетом ослаблений относительно оси х;

Q – значение поперечной силы в рассматриваемом сечении;

S – статический момент относительно нейтральной оси отсеченной части сечения, расположенной выше точки, в которой определяют напряжения;

I – момент инерции сечения относительно нейтральной оси;

t – ширина сечения в точке, где вычисляют напряжения.

Расчет по 2-й группе предельных состояний (на жесткость) выполняют по формуле

 ,

где - предельно допустимое значение прогиба (таб. 40[1]), для второстепенных балок - , для главных балок -

2. Укажите достоинства и недостатки соединений на сварке, виды сварных соединений, типы сварных швов. Приведите формулы расчета стыковых и угловых швов.

Достоинства – меньшая масса, отсутствие ослаблений в стыках (нет отверстий для заклепок и болтов), более простые конструктивные формы, полная герметизация, экономия металла, меньшая трудоемкость, создание рациональных поперечных сечений элементов.

Недостатки – появление сварочных напряжений и деформаций, концентрация напряжений в основном металле в местах расположения сварных швов, вероятность хрупкого разрушения под действием низких температур и динамических нагрузок.

Виды сварных соединений: а) стыковые, б) внахлестку, в) комбинированные, г) соединения впритык.

а ) б)

в) г) Соединение впритык: а) тавровое; б) угловое

Типы сварных швов:

а) стыковые и угловые;

б) швы, расположенные вдоль усилия, называются фланговыми, поперек — фронтальными;

в) заводские (на заводе-изготовителе) и монтажные (на стройплощадке);

г) рабочие (подлежат расчету на прочность) и связующие (назначают конструктивно).

Расчет стыкового сварного шва:

где l^ω - расчетная длина шва; l^ω = l – 2t (рис. 6) (при сварке с технологическими планками

l^ω = l); t - расчетная толщина шва, равная наименьшей толщине соединяемых элементов;

Rωy - расчетное сопротивление стыкового шва; γ^с - коэффициент условий работы - см. табл. 6 СНиП II- 23-81*.

Расчет углового сварного соединения:

а) по металлу шва

б) по границе сплавления

где β^f ,β^z – коэффициенты, зависят от вида сварки; γ^wf, γ^wz— коэффициенты условий работы шва; l^w — расчетная длина шва, принимаемая меньше его полной длины на 10 мм; R^wf — расчетное сопротивление углового шва; R^wz — расчетное сопротивление углового шва при расчете по границе сплавления.