Лекция 1. Из истории развития строительных конструкций. Предельные состояния строительных конструкций

Современные строительные конструкции делят на металлические (преимущественно стальные), бетонные и железобетонные, каменные и армокаменные, конструкции из дерева и пластмасс. История развития строительных конструкций связана с развитием производительных сил общества.

Каменные конструкции - наиболее древние, поскольку простейшие их виды можно было выполнять примитивными инструментами. В течение многих веков основным строительным материалом был камень. Известны сооружения из необработанных естественных камней еще каменного века. Во многих странах сохранилось большое количество выдающихся памятников каменного зодчества (крепости, дворцы и кремли). Позже для каменных конструкций применяли естественный камень, кирпич — как сырец, так и обожженный. Многие годы кирпич был основным стеновым материалом.

Простейшие деревянные конструкции применялись наряду с каменными конструкциями. Техника их выполнения совершенство-валась по мере развития производительных сил. Выдающиеся памятники русского народного деревянного зодчества — рубленые крепостные сооружения и церкви — были созданы в XII—XVIII вв. в Москве, Киеве, Новгороде и многих других городах России. В XVIII—XIX вв. деревянные конструкции широко применялись в инженерных сооружениях: плотинах, шлюзах, мостах, а также при строительстве промышленных и общественных зданий.

Металл в строительных конструкциях уже с начала XII в. использовали для связей и затяжек в уникальных по тому времени сооружениях — дворцах, церквах и т. п. В XVII—XVIII вв. применялись наслонные металлические стропила и пространственные купольные конструкции глав церквей. Стержни конструкций выполняли из кованых брусков и соединяли на замках и скрепах горновой сваркой. Примерами могут служить сохранившиеся до наших дней перекрытия трапезной Троице-Сергаева монастыря в Загорске, старого Кремлевского Дворца в Москве, каркасы куполов колокольни Ивана Великого в Москве и Казанско­го собора в Ленинграде с диаметром опорного кольца 15 м. В начале XVIII в. появляются чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Чугунные элементы соединяли на замках или болтами. Первой чугунной конструкцией в России считается перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале. Первый чугунный мост был построен в Англии в 1779 г., а в России (в Петербурге) в 1784 г. Чугунная арка пролетом 30 м применена в перекрытии Александрийского театра в Петербурге. В 1850-х гг. в Петербурге был построен Николаевский мост с восемью арочными пролетами от 33 до 47 м, являющийся самым крупным чугунным мостом мира.

Бетон появился в Риме во II в. до н. э. после второй пунической войны, однако не римляне являются изобретателями бетона. Пески вулканического происхождения, обладающие цементирующими свойствами, встречаются во многих местах Средиземноморья. Смешивание песка с известью позволяет получить раствор, напоминающий современное цементное вяжущее. Бетон на извести использовался этрусками, от которых, возможно, римляне и восприняли технологию. Раскопки и сохранившиеся здания свидетельствуют о том, что к I в. н. э. бетон приобрел большое значение и был распространен до IV в., после чего стал выходить из моды. В императорском Риме строительство из бетона имело такой уровень технического совершенства, которого оно не смогло достичь до XIX в.

Железобетонные конструкции начали применять со второй половины XIX в. в связи с развитием промышленности и транспорта. Первые железобетонные конструкции — плиты, балки и колонны — появились в 1860—1880 гг. почти одновременно в нескольких наиболее развитых странах (Англия, Франция, Германия, США). В России железобетон начали применять с 1886 г. Практическое применение железобетонных конструкций в строительстве приходится на конец XIX — начало XX вв.

Основные требования к строительным конструкциям

Современное строительство — это преимущественно поточный механизированный процесс сборки и монтажа зданий и сооружений из готовых, полностью отделанных деталей и конструкций, изготовляемых в условиях промышленного производства.

К промышленным и гражданским зданиям и сооружениям предъявляются следующие требования:

• возведение зданий индустриальными методами;

• прочность и жесткость конструкций, их морозостойкость, долговечность и стабильность;

• необходимая степень теплоизоляции наружных ограждений — стен и покрытий, обеспечение внутреннего режима зданий;

• оборудование их всеми видами санитарно-технических устройств.

Этим требованиям строительные конструкции должны удовлетворять на стадиях проектирования, изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации. На всех этих стадиях технические решения должны быть экономичными, что достигается правильным выбором строительных материалов и наиболее полным использованием их прочности, рациональными конструктивными решениями.

При проектировании зданий, сооружений и конструкций разрабатывают несколько вариантов решений с выявлением технико-экономических показателей расхода материалов, трудоемкости возведения конструкций, стоимости и сроков строительства.

Важнейшее требование к строительным конструкциям — экономичность их изготовления и эксплуатации. Экономичность конструкции основана на целесообразном использовании свойств применяемых материалов и рациональном их расходовании при преимущественном использовании местных материалов, не требующих дальних перевозок. Экономичность конструкции зависит от расходов на ее изготовление, трудовых затрат на заводах и на строительной площадке, затрат транспортных средств для перевозки составляющих ее материалов и изделий.

Большое значение для экономичности конструкций и эффективности их применения в строительстве зданий имеет индустриальность изготовления и монтажа. Должна быть обеспечена возможность изготовления конструкций в заводских условиях с тем, чтобы на строительной площадке выполнялась только установка готовых конструктивных элементов на место с сокращением до минимума отделочных работ и особенно так называемых «мокрых» процессов. Это необходимо потому, что строительство зданий должно осуществляться в кратчайшие сроки, в любое время года.

Эксплуатационные требования сводятся к тому, чтобы конструкция наилучшим образом удовлетворяла своему назначению, была удобна и безопасна при эксплуатации и обеспечивала бы наименьшие затраты для под­держания ее в надежном состоянии.

Конструкции должны быть рассчитаны на силовые воздействия, под которыми понимаются воздействия внешних нагрузок, от смешения опор, изменения температуры, усадки и других природных явлений.

ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Строительные конструкции и основания рассчитывают для того, чтобы обеспечить безопасность, надежность и долговечность их эксплуатации под нагрузкой при наиболее экономичных размерах сечения. Задача расчета — определить возникающие в элементах конструкций усилия от действующих нагрузок, назначить необходимые размеры поперечного сечения элементов и требуемое количество арматуры (в железобетонных элементах), размеры соединительных и закладных деталей (в местах сопряжения элементов) и получить другие данные, необходимые при разработке рабочих чертежей конструкций.

ПОНЯТИЕ О КОЭФФИЦИЕНТЕ ЗАПАСА

До начала XIX века – коэффициент запаса не существовал. Инженерные решения принимались интуитивно на основе предшествующего опыта. Коэффициент запаса появился с развитием теории расчета конструкций, математических методов.

Коэффициент запаса – это отношение предельной нагрузки к такой нагрузке, которая обеспечивает безопасную эксплуатацию конструкции.

Коэффициент запаса – гарантия против разрушения. Увеличение объемов строительства привело к необходимости экономии материалов, и как следствие, к обоснованию коэффициента запаса.

Метод допускаемых напряжений – единый коэффициент запаса, до 1938 года. Фактические коэффициенты запаса – 2…2,5.

Метод расчета по разрушающим нагрузкам приблизил результаты расчета и фактическую несущую способность. Однако коэффициент запаса тоже был единым.

Метод расчета по предельным состояниям – логическое развитие существовавших методов. Было обосновано, что исчерпание несущей способности происходит рядом независимых факторов:

• изменчивостью нагрузок;

• изменчивостью свойств строительных материалов;

• учетом условий изготовления, транспортировки и эксплуатации.

• Строительные конструкции и основания рассчитывают на нагрузки и воздействия (смещение опор, изменение температуры и др.) по методу предельных состояний, который применяется в Советском Союзе с 1 января 1955 г. в качестве основного метода расчета.

• Под предельным понимают такое состояние конструкции, после достижения которого конструкция (основание, здание или сооружение) перестает удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям производства работ.

• Такой расчет преследует цель не допустить наступления предельных состояний при возведении конструкции здания или сооружения, а также при их эксплуатации.

• В расчетах конструкций и оснований учитывают две группы предельных состояний :

• первая — по потере несущей способности или непригодности к эксплуатации;

• вторая — по непригодности к нормальной эксплуатации (затрудняющие нормальную эксплуатацию), т. е. эксплуатации, осуществляемой без ограничений и внеочередного ремонта в соответствии с предусмотренными в нормах или заданиях на проектирование технологическими и бытовыми условиями.

К предельным состояниям первой группы относятся:

• общая потеря устойчивости формы; потеря устойчивости положения; разрушение любого характера;

• переход в изменяемую систему;

• качественное изменение конфигурации, а также состояния, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации в результате текучести материала, сдвига в соединениях, ползучести или чрезмерного раскрытия трещин.

К предельным состояниям второй группы относят:

• недопустимые деформации конструкций в результате прогиба, осадок, углов поворота;

• колебания конструкций;

• изменения положения;

• образование или раскрытие трещин.

Появление трещин и их раскрытие проверяют только в железобетонных и каменных конструкциях. В металлических и деревянных конструкциях появление любых трещин недопустимо: возникающая в металле или дереве трещина в последующем развивается и приводит к разрушению конструкции.

Работа изгибаемого элемента

Учитывая сказанное, можно записать условие 1-ой группы предельных состояний:

F  F_u , или

F_факт. (_, , расчетная схема, Р_н)  F_u (R_n , _m , _n).

При расчете по 2-ой группе предопределенных состояний:

• по перемещениям – требуется, чтобы прогибы от нормативной нагрузки f не превышали предельных значений прогибов f_u, установленных нормами для данного конструктивного элемента f  [f_u];

• по образованию трещин – усилие от расчетной или нормативной нагрузки должно быть меньше или равно усилию, при котором возникают трещины в сечении F  [F_crc] ;

• по раскрытию трещин – ширина их раскрытия должна быть меньше установленного нормами предельного раскрытия a_crc  [a_crc,u].

Метод предельного состояния более достоверен, учитывает величину несущей способности и степень надежности конструкций. Он открывает широкие перспективы для снижения материалоемкости конструкций. Кроме того этот метод открыл проблемы статистического изучения прочностных свойств строительных материалов и изменчивость нагрузок. В этом заключается его прогрессивность и большое практическое значение.