43. Какие соор-я с элементами работающими на изгиб вы знаете?

Таких сооружений, элементы которых работали бы преимущественно на изгиб, немного. Это балки и плиты:

балки - стержневые системы, состоящие из изгибаемых в одной (поперечный изгиб) или в двух плоскостях (косой изгиб) прямолинейных стержней;

плиты - пространственные элементы из тонких изгибаемых плоских пластин.

Исходя из гипотезы плоских сечений для стержней и прямой недеформированной нормали для плит, нормальные напряжения распределяются в сечении по линейному закону, а касательные - по параболическому. В стержнях, например, площадки главных напряжений поворачиваются по высоте сечения от нуля к оси стержня - в растянутой зоне сечения,  /4 - на нейтральной оси и  /2 - сжатой зоне. Изгибаемые элементы имеют в одном сечении растянутые и сжатые зоны, поэтому они не могут изготавливаться из материалов, плохо работающих на растяжение или сжатие. Более сложное распределение напряжений не позволяет так просто, как при растяжении - сжатии, решать вопросы конструирования и оптимизации. При изгибе большое значение имеет форма и размеры поперечных сечений, исследованию эффективности которых в теории и на практике уделяется повышенное внимание. Полностью оптимальных конструкций, работающих на изгиб, достичь не удается, однако существуют решения с достаточно хорошими для практики результатами. Изгибаемые элементы используются очень широко во многих сооружениях, для функционирования которых требуются плоские поверхности. Это жилые дома, административные и хозяйственные постройки, детские и учебные заведения, склады, холодильники и множество других объектов строительства.

44. Какие соор-я с элементами работающими на изгиб с растяжением-сжатием знаете?

В строительстве широко используются и такие сооружения, элементы которых растягиваются (сжимаются) и изгибаются одновременно. Они по степени использования несущей способности связей занимают промежуточное положение между центрально растянутыми (сжатыми) и изгибаемыми элементами. Чем ближе напряжения в сечениях к равномерным (сжатию - растяжению), тем лучше используется несущая способность связей. Изменением очертания таких элементов можно добиться уменьшения напряжений изгиба при заданной нагрузке или к полному их отсутствию (такие сооружения называют рациональными). Для равномерно распределенной нагрузки, например, рациональной является арка, ось которой очерчена по квадратичной параболе (такая арка только сжимается). Из конструкций этого класса в настоящем разделе рассмотрим:

арки, кольца, рамы - стержневые конструкции со сжато-изогнутыми или растянуто-изогнутыми стержнями;

жесткие оболочки - тонкостенные конструкции, которые в приконтурных зонах не только сжимаются, но и изгибаются.

45. Покажите на примерах историю и развитие ферм. В каких отраслях стр-ва эти соор-я нашли применение

Фермы - самые распространенные в современную эпоху конструкции. Их элементы - стержни - сжаты или растянуты. В природе трудно отыскать аналогов фермам, можно с большой долей достоверности утверждать, что они - созданы человеческим разумом. Понимание работы стержней в фермах пришло сравнительно поздно. Уже существовали сами конструкции ферм, а также методики определения рабочих усилий в балках, арках, некоторых типах рам, а разработка методики анализа напряженного состояния стержней ферм только начиналась.

Конструкции ферм возникали из практических потребностей. Жизнь часто ставила задачи перекрыть большой пролет или изготовить балку большой длины, а в распоряжении строителей не оказывалось деталей (материалов) необходимых размеров. Поэтому приходилось соединять имеющиеся детали и создавать конструкцию, составленную из коротких элементов, достаточно “крепкую и прочную”, которая выполняла бы функцию балки.

Мост через Неву. Установка опор в русле реки считалась невозможной из-за ее полноводности, достаточно быстрого течения и ограничения судоходства. Кулибин создал арочный деревянный мост пролетом около 300 метров, составленный из отдельных бревен длиной до 12 метров. Основными несущими элементами моста являлись криволинейные (арочные) фермы. Мост не был построен.

До середины ХIX века фермы развивались по двум направлениям. Во-первых, составляющие детали компоновались так, чтобы образовать промежуточные опоры для коротких балок (переход от отдельных элементов к цельной конструкции - от частного к общему). Во-вторых, стенки балок конструировались решетчатыми. Решетки и пояса собирались из коротких деталей. постепенно увеличивалась ячея решетки, и балка из цельной конструкции переходила к составной из отдельных элементов (осуществлялся переход от общего к частному). Эти два направления вначале независимо, а затем, дополняя и обогащая друг друга, привели к большому разнообразию современных ферм.

Родоначальником первого направления считается Паладио. Он двумя наклонными сжатыми стропилами и одной растянутой стойкой (рис. 9.2,а) создавал опору для двух коротких балок. На такую промежуточную опору можно было установить еще две пары стропил (рис. 9.2.-9.4) и создать новые две опоры. Тогда пролет перекрывался еще более короткими четырьмя балками. Неудобство в выполнении сложного узла соединения двух балок и стойки в одном месте было впоследствии устранено образованием шпренгелей. Элемент Паладио (опора на двух стропилах) явно, но чаще неявно можно выделить во многих фермах (рис. 9.2. в12, г). Применение в строительстве металла позволило заменить сжатые деревянные стропила растянутыми стержнями, подвешенными к пилонам или берегам, а растянутые стойки - сжатыми (рис. 9.2. б7, б8). В развитии второго направления шли от сплошной балки большой высоты и пролета, в которой стенка выполнялась из двух слоев перекрестных плотно прилегающих друг к другу досок, а пояса изготавливались из брусьев со стыковкой врубками, накладками, болтами (рис. 9.2. в9-12).

Раздвинув доски стенки балки Таун получил конструкцию, которую часто называют “дощатой фермой” (рис. 9.2. в9). Мостовые балки Гау, Больмана, Финка, Журавского представляют собой идейное развитие ферм Тауна как балочной конструкции со стенкой сложной структуры (рис. 9.2. в11-12). Ферма при таком подходе создавалась не как сооружение со сжатыми и растянутыми элементами, а как балка со сквозной стенкой. Навье моделировал ферму как балочную систему.

Теория ферм создавалась со второй половины девятнадцатого века. Шведлер показал, что стержни ферм могут работать преимущественно на растяжение и сжатие при определенных условиях. Какими должны быть эти условия, можно установить из следующих рассуждений.

Если в прямолинейном стержне должна быть только продольная сила (сжимающая или растягивающая), то из условия равновесия (собственный вес стержней не учитывается) по его концам должны действовать две равные и противоположно направленные силы. Это может быть только в том случае, когда стержень по концам имеет устройства, не передающие изгиб и кручение. Таким устройством может быть шаровой шарнир. Необходимо исключить также нагрузку по длине стержня.

Таким образом, ферма, в стержнях которой возникают только осевые (продольные) силы, должна состоять из прямолинейных стержней, соединенных между собой шарнирами, а нагрузка в виде сосредоточенных сил должна быть приложена только к узлам. Но если узлы выполнить шарнирными, то появляется возможность изменения геометрической структуры фермы и она теряет способность сопротивляться нагрузке. Следовательно, ферма должна быть геометрически неизменяемой, если не учитывать деформацию стержней. Инженеры приняли расчетную модель фермы в виде шарнирно-стержневой системы. Эта модель настолько упростила задачу определения внутренних усилий рабочего состояния в стержнях, что развитие теории ферм как сооружений со сжатыми и растянутыми элементами пошло быстрыми темпами, ликвидировав существовавшее отставание от методов расчета других стержневых сооружений.

С появлением такой теории в практике конструирования ферм были сделаны попытки создания действительно шарнирных узлов. В связи с тем, что в узлах ферм сходится большое количество концов стержней, техническое исполнение шарнирного узла и фермы в целом очень усложнялось. Чем ближе конструкция шарниров приближалась к идеальным, тем они становились все более дорогими, по стоимости изготовление шарниров превосходило все остальные расходы.

Дальнейшее углубление предложений Шведлера и подтверждение их на практике, в частности, доказательство того, что при малых взаимных перемещениях узлов, узловой нагрузке и геометрически неизменяемой структуре фермы (если заменить все узлы шарнирами), повороты жестких узлов незначительны и ими можно пренебречь, дало возможность конструировать фермы с жесткими узлами, а пользоваться шарнирно-стержневой расчетной моделью. Это настолько упрощало ее конструктивное решение и расчет, что ферма стала одним из самых распространенных сооружений.

Фермы, как наиболее экономичные сооружения, применяются повсеместно. Трудно определить область строительства, где бы они ни использовались. Всемирно известна, например, величественная вертикальная ферма - Эйфелева башня, высота 300 м. Фермы стали основным элементом в мостостроении. Фермы применяются в самых различных зданиях и сооружениях. это - пролетные строения мостов, стропильные конструкции, конструкции подъемно-транспортных средств и другие. Конструктивное исполнение ферм определяется их назначением. Несмотря на большое разнообразие в фермах достаточно определенно выделяются элементы с одинаковыми функциями и, следовательно, наименованием.

Рис. 9.4. Схемы типовых мостовых ферм,

разработанных Н.А. Белелюбским (1884 г.)

под железнодорожный путь