2575

организовывать и координировать работу всех участников в разработке проекта.

Архитектурное проектирование нуждается в логическом инженерном мышлении и способствует возникновению реалистичных замыслов. Инже- нерно-технические дисциплины служат формированию структурного мышления, воспитывают интуицию в отношении красоты инженерных построений. Для развития применяют клаузурный, модельный и макетный методы поиска инженерных решений и конструирования.

8.2. Элементы инженерно-конструктивных знаний

По курсу «Строительные конструкции» будущему инженеруархитектору предлагается глубоко изучить сложные методы расчета и специальные вопросы строительной механики и теории упругости, знать разновидности и особенности несущих деревянных, металлических и железобетонных конструкций, понимать их работу, уметь на основе расчета определять их габаритные размеры, сечения и правильные соотношения.

Курс «Строительные конструкции» наиболее тесно связан с архитектурным проектированием. Если раздел «Архитектурные конструкции» содержит общие методы проектирования конструкций и их элементов во взаимосвязи с архитектурным замыслом, объемно-пространственным и планировочным решением жилых, общественных зданий массового строительства и промышленных сооружений, то курс «Строительные конструкции» знакомит с основами проектирования несущего остова зданий, ограждающих конструкций, оснований и фундаментов, конструкций малоэтажных и многоэтажных зданий.

ГОС предусматривает обязательный минимум знаний по курсу конструкций.

Металлические конструкции, включая сварку: свойства и работа строительных сталей и сплавов; работа элементов металлических конструкций и основа расчета их надежности; соединения конструкций; сварка; основы проектирования, изготовления и монтажа конструкций; балочные конструкции; центрально-сжатые колонны и стойки; фермы; конструкции зданий и сооружений различного назначения; основы экономики металлических конструкций; исторические металлические конструкции и их реконструкция.

Железобетонные и каменные конструкции: основные физико-механические свойства бетона и арматуры; железобетон; экспериментальные основы теории расчета железобетонных конструкций, основные положения методов расчета; прочность, трещиностойкость и перемещения стержневых железобетонных элементов; основы сопротивления элементов динамическим нагрузкам; каменные и армокаменные конструкции; общие физико-механические свойства кладок, расчет и конструирование каменных и армокаменных элементов; железобетонные и каменные конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений; реконструкция железобетонных и каменных конструкций.

Конструкции из дерева и пластмасс: древесина как конструктивный материал; элементы конструкции цельного сечения, соединения элементов и их расчет;

230

сплошные и сквозные плоскостные конструкции; обеспечение пространственной неизменяемости плоскостных конструкций; пространственные конструкции; основы технологии изготовления, эксплуатации и экономики конструкций; реконструкция деревянных конструкций; конструкции на основе полимеров.

Основания и фундаменты: общие принципы проектирования оснований и фундаментов; фундаменты в открытых котлованах на естественном основании; свайные фундаменты; методы искусственного улучшения грунтов основания; проектирование котлованов; фундаменты глубокого заложения; заглубленные и подземные сооружения; строительство на структурно-неустойчивых, скальных, элювиальных грунтах и на закарстованных и подрабатываемых территориях; фундаменты при динамических воздействиях; реконструкция и усиление фундаментов.

Обследования и испытания зданий и сооружений: методы и средства проведе-

ния инженерного эксперимента, неразрушающие методы испытания; основы моделирования конструкций; обследование и испытание конструкций зданий и сооружений; особенности определения напряжений и давлений в грунтах.

8.3. Некоторые элементы анализа строительных конструкций

Любую деревянную, каменную, железобетонную и стальную конструкцию любой конструктивной системы архитектор и особенно инженер в условиях их расчета, анализа статической работы и конструирования мысленно расчленяет на отдельные элементы: стержневые – одномерные и плоскостные – двухмерные. Это суть творческого труда инженера, архитектора и научного сотрудника: вначале анализ – расчленение системы на элементы, а затем синтез – соединение и объединение системы.

Инженер, рассматривающий деревянную строительную конструкцию при расчете стропил (рис. 8.1), в первую очередь представляет себе поперечный разрез здания в плоскости у. Во вторую очередь он рассчитывает перпендикулярный стропилам прогон 2 в продольной плоскости здания х. Существующая в действительности пространственная взаимосвязь между несущими элементами стропил и прогона вполне сознательно не принимается в расчет. Основанием для этого служит стремление к упрощению методов расчета и тот факт, что для расчета традиционных конструкций учет пространственной несущей способности практически дает пока мало.

Причем затраты труда на такие сложные методы расчета себя не оправдывают. Этот пример творческого акта инженера целесообразно распространить на анализ распределения конструктивного материала по объему конструктивной системы, по архитектурной форме, по их элементам: по поперечным сечениям стержневых и плоскостных несущих элементов; по пространственным тонкостенным конструкциям.

Некоторые особенности можно представить весьма простым моделированием из бумаги простейших и элементарных конструктивных элементов [25]. Лист бумаги, опирающийся двумя противоположными сторонами на подставки, не выдерживает нагрузки от собственного веса. Почти без

231

сопротивления лист прогибается (рис. 8.2,а). Если сложить его «гармошкой» , параллельными или цилиндрическими складками в направлении пролета, лист приобретает жесткость. Он легко выдерживает нагрузку, равную стократной величине его собственного веса (рис. 8.2,б). Если увеличить вес груза до момента разрушения модели, то непосредственной причиной нарушения конструкции будет выпрямление складок и оболочек (рис. 8.2,в,ж). Выпрямление складок и оболочек можно предупредить при помощи простых конструктивных мер. К торцам складок и оболочек следует приклеить усиливающую

полоску, в результате чего сложенная складками бумага выдерживает еще более высокую нагрузку. При этом предполагается, что полоска опирается на опору. Таким образом, получается «полосовая затяжка», без которой складчатая и цилиндрическая конструкции не могут существовать (рис.

232

присущей им пространственной жесткости. Такого рода формы мы встречаем во всех областях техники. Автомобильный кузов обладает большой прочностью благодаря тому, что он состоит из штампованных пространственно изогнутых листов стали. При создании форм самолета и корабля, объемов резервуаров и т. п. использован все тот же принцип. Когда тонкой жести или листовой стали сообщается высокая прочность путем придания изогнутой формы, то действуют те же принципы, что и в несущих пространственных конструкциях.

Основные принципы Шухова. Строительные конструкции, их архитектурная форма и конструктивная сущность находятся в тесной зависимости от материала, из которого они выполнены, а также от нагрузок, которые на них воздействуют, размера перекрываемых пролетов, если рассматривать пролетные конструкции, зависят от уровня знаний в области строительной механики и ее разделов, сопротивления материалов и теории упругости, от доступности тех или иных методов их возведения.

Великий русский инженер и ученый В. Г. Шухов доказал:

–прочность материала используется наилучшим образом, если он работает на усилия сжатия либо растяжения, т.е. однозначные напряжения, и наихудшим, если на изгиб, вызывающий двузначные напряжения;

–число ступеней в передаче нагрузки пролетной конструкцией на опоры должно быть минимальным.

Убедимся в правильности этих двух постулатов Шухова в результате простых выкладок и рассуждений [34].

1. Напряжение σ от осевого растяжения (или осевого сжатия) силой N, приложенной к элементу сечением bh, таково: σ= N/bh. В изгибаемом элементе сечением bh и пролетом 8h, нагруженным силой N посередине пролета (рис. 8.3), σ =М/W. Подставив значения изгибающего момента

М=Nl/4=N8h/4=2Nh и момента сопротивления W=bh2/bh, получим σ=2.6Nh/bh2, а после сокращений σ=12N/bh. Сопоставляя оба значения σ, приходим к выводу, что напряжения в изгибаемом элементе в 12 раз больше, чем в растянутом (либо сжатом), хотя оба они нагружены одинаковой силой N и имеют одинаковые сечения bh, или, иначе, при одинаковых напряжениях в материале растянутый (либо сжатый) элемент несет нагрузку,

в12 раз большую, чем изгибаемый элемент того же поперечного сечения: N=σbh и N=1/12(σbh) соответственно. Легко убедиться, что с уменьшением пролета изгибаемого элемента до l=6h напряжения также уменьшаются до σ=9N/bh, а с увеличением пролета, например, до 10h, увеличиваются до σ=I5N/bh, или, иначе, чем больше пролет изгибаемого элемента, тем больше он проигрывает в сопоставлении с растянутым (либо сжатым) того же поперечного сечения. Сопоставляя растянутый и сжатый элементы, следует подчеркнуть преимущества первого, так как сечение сжатого приходится увеличивать из-за влияния продольного изгиба.

233

2. Многоступенчатая передача нагрузок на опоры наиболее свойственна традиционным покрытиям, в которых присутствуют несущие элементы, несущие настилы, теплозащитный и гидроизоляционный слои, в которых многоярусность передачи нагрузок достигает до 4–6 ступеней. Снижение многоярусности может быть достигнуто использованием конструкций, совмещающих в себе несущие и ограждающие функции. К ним относятся конструкции висячие, мембранные, пространственные тонкостенные и т. п.

К этим двум постулатам В. Г. Шухова необходимо добавить третий: архитектурно-конструктивные формы любой конструкции и ее элементов должны отвечать свойствам материалов, их составляющих, характеру ста-

нутых элементов было бы простым делом, если бы не законцовки – детали, передающие нагрузки с обоих концов растянутого стержня на опоры. Он пишет: «Вес такой конструкции, рассчитанный на заданную нагрузку, был бы пропорционален её длине. Скажем, канат длиной 100 м, рассчитанный на то, чтобы держать вес в 1т, будет весить в 100 раз больше, чем канат длиной 1 м, выдерживающий такую же нагрузку в 1 т. Более того, если нагрузка распределена поровну, то безразлично, будет ли она удерживаться одним тросом или стержнем или двумя, каждый из которых имеет вдвое меньшее поперечное сечение».

Столь простой анализ подтверждает необходимость иметь конструктивные элементы для передачи нагрузки на обоих концах троса или стержня на опоры. Эти узлы сопряжения могут быть довольно материалоемкими, тяжелыми или дорогостоящими. Для уменьшения веса средней части растянутого троса или стержня нужно использовать материал с большой прочностью на растяжение, а для законцовок обычно требуется вязкий, более пластичный материал с распределением усилий на большую площадь.

Похожий принцип можно встретить в животном мире, где природа не скупилась на детали мышц и сухожилий, работающих на растяжение. Для уменьшения веса законцовок она использовала тот же принцип: концы многих сухожилий разветвляются в некоторую веерообразную конструк-

234

цию, каждая нить сухожилия имеет отдельное крепление к кости. Так минимизируется вес.

Другого подхода требуют сжатые элементы. Им не нужны концевые элементы, но зато с ростом нагрузки в определенный критический момент они начинают выпучиваться. Критическая нагрузка для сжатого стержня изменяется обратно пропорционально квадрату его длины. Это означает, что для стержня с заданным поперечным сечением предельное напряжение при сжатии с увеличением длины убывает очень быстро. Чтобы выдержать заданную нагрузку, длинный стержень должен быть гораздо толще и, следовательно, тяжелее короткого. Однако в этом случае важно соблюсти возможность сопротивляться конструкции от смятия на концах. Так что и сжатые конструкции при всей своей простоте требуют осторожного отношения при проектировании.

Рис. 8.4. Размещение рабочей арматуры в зонах растяжения бетона в неразрезной балке и сборной панели перекрытия: а – эпюра моментов и места возникновения главных растягивающих напряжений; в – фасадное изображение балки, выноска арматуры правого пролета, необходимые поперечные сечения; 2,3 – отгибы; 4 – надопорные коротыши; 5 – монтажные стержни; 6,7 – закрытые и открытые хомуты, б – характер деформаций – прогибы и трещины; г – фасадное изображение и поперечное сечение многопустотной панели; 1 – нижняя; 2 – верхняя сварные сетки; 3 –

вертикальные сварные каркасы у опор; 4 – монтажные петли

Основными материалами для несущих конструкций зданий и сооружений являются: кирпич, камень, бетон, сталь, древесина, пластмассы и их комплексы. Наиболее широкое распространение получили железобетон и сталь. Железобетон – это комплексный материал, удачно сочетающий возможности двух материалов: стали и бетона. Бетон хорошо сопротивляется сжатию и гораздо хуже растяжению. Поэтому во всех железобетонных конструкциях растянутые, а иногда и сжатые нагрузкой зоны бетона уси-

235

ливают сталью (рис. 8.4). Этот процесс усиления еще называют армированием, а название «арматурная сталь», или «арматура», происходит от латинского слова armatura – вооружение.

Стадии напряженного состояния при изгибе. Действующими нор-

мами установлены две группы предельных состояний: по несущей способности и по пригодности к нормальной эксплуатации (рис. 8.5). Причем предельным называют такое состояние конструкции, по достижении которого она теряет способность сопротивляться воздействию нагрузок (усилий) либо получает чрезмерные деформации или местные повреждения.

Рис. 8.5. Группы предельных состояний

Расчеты по предельным состояниям первой группы должны обеспечить элемент (конструкцию) от хрупкого, вязкого, усталостного разрушения, потери устойчивости или положения, разрушения от совместного воздействия силовых факторов и внешней среды.

Расчеты по предельным состояниям второй группы должны обеспечивать конструкцию от образования трещин, чрезмерного или длительного их раскрытия, перемещений (прогибов, углов поворота и перекоса, колебаний), превышающих допустимые. Если нагрузить железобетонную балку по схеме, показанной на рис. 8.6,а, постепенно увеличивая нагрузку q от нуля до разрушающей, то на картине изменяющегося напряженного состояния сечения в зоне чистого изгиба можно сделать как бы четыре моментальные фотографии, фиксирующие четыре стадии его напряженного состояния [34].

236

Стадия I – стадия упругой работы железобетона при малых нагрузках на элемент и соответственно малых напряжениях в бетоне и арматуре. В этой стадии эпюры напряжений в сжатой и растянутой зонах сечения можно считать треугольными (рис. 8.6,б), а относительное удлинение бетона не превышает 5.10-5. Эта стадия лежит в основе расчета железобетон-

ных элементов по упругой стадии.

Рис. 8.6. Стадии напряженного состояния при изгибе: а – схема нагружения и эпюры М и Q; б–д – стадии напряженного состояния в нормальном сечении по мере роста нагрузки; е – то же по длине балки

Стадия Iа – стадия упругопластической работы железобетона, которую фиксируют в тот момент, когда напряжение на растянутой грани сечения достигает предела прочности бетона при растяжении Rp, а относительное удлинение бетона составляет около 15.10-5. Эпюра напряжений в сжатой зоне бетона при этом остается практически треугольной, как для упругого материала. В растянутой зоне напряжение сохраняется почти постоянным на некотором участке по высоте сечения, что характерно для пластического состояния материала, а затем резко падает до нуля у нейтральной оси, которая поднимается несколько выше по сравнению со ста-

237

дией I (рис. 8.6, в). Стадия Iа лежит в основе расчетов железобетонных эле-

ментов по трещиностойкости.

Стадия II начинается с момента возникновения волосных трещин в растянутом бетоне, выключающих его из работы почти на всей высоте сечения до нейтральной оси, которая поднимается еще выше. Конец II стадии наступает с появлением неупругих деформаций растянутой арматуры и сжатого бетона. Эпюра напряжений в сжатом бетоне криволинейна, а максимальное напряжение как бы переходит с краевых волокон на расположенные ближе к нейтральной оси (рис. 8.6, г). Это достаточно неопределенное напряженное состояние II стадии положено в основу расчетов се-

чений по прочности по допускаемым напряжениям и по деформациям,

при которых криволинейную эпюру в сжатой зоне бетона заменяют треугольной.

Стадия III – стадия разрушения элемента: несущая способность обоих материалов (либо одного из них раньше, а затем обоих) исчерпана, напряжения в арматуре достигают физического или условного предела текучести, напряжения в сжатом бетоне – предела прочности при сжатии. Нейтральная ось занимает определенное положение, характеризуемое содержанием арматуры в сечении и прочностными характеристиками бетона и стали. Ордината максимального напряжения на эпюре напряжений в сжатом бетоне перемещается еще ниже, чем во II стадии (рис. 8.6,б,д). Стадия разрушения положена в основу расчетов сечений по прочности, по раз-

рушающим нагрузкам и расчетным предельным состояниям. Каждая из зафиксированных стадий напряженного состояния сечения изгибаемого железобетонного элемента положена в основу соответствующих расчетов, или, говоря иначе, цель расчета определяет выбор той или иной стадии напряженного состояния. Эти стадии можно зафиксировать и для различных сечений по длине элемента, если наиболее нагруженное из них находится в

IIIстадии (рис. 8.6,е).

Врасчетах сечений внешние усилия приравнивают к внутренним. При расчете изгибаемых элементов по прочности внешний изгибающий момент М должен быть уравновешен моментом внутренней пары сил, для опреде-

ления которого необходимо знать сжимающее Nб и растягивающее Nа усилия соответственно в сжатом бетоне и растянутой арматуре, а также плечо внутренней пары сил z.

Точка приложения усилия Nа, если пренебречь работой растянутого бетона, известна: она находится в центре тяжести растянутых стержней

арматуры. В сжатом бетоне усилие Nб приложено в центре тяжести эпюры напряжений, положение которого зависит от формы принятой эпюры.

Предпосылки расчета сечений по прочности. В расчетах сечений по прочности пользуются предпосылками, положенными в основу норм проектирования:

238

–внутренние усилия в расчетном сечении элемента (рис. 8.6) определяют для стадии (мгновения) его разрушения;

–с помощью системы коэффициентов, вводимых к характеристикам прочности материалов, условиям их работы и нагрузкам, усилия в стадии разрушения приводят к усилиям в стадии эксплуатации (А. Ф. Лолейт оценивал эксплуатационные усилия с помощью единого коэффициента запаса

k=MP/M либо k=NP/N, где MP и NP – разрушающие, а M и N – эксплуатационные усилия. Прочность материалов оценивалась средними значениями

предела прочности бетона на сжатие при изгибе RИ и предела текучести арматуры σТ);

–рассматривая сечение, проходящее по трещине в растянутом бетоне, сопротивление бетона растяжению принимают равным нулю;

–сопротивление бетона сжатию представляют напряжениями, равными Rпр, а эпюру напряжений принимают прямоугольной;

–растягивающие напряжения в арматуре принимают не более ее рас-

четного сопротивления Rа, сжимающие (если в сжатой зоне имеется расчетная арматура) – не более расчетного сопротивления Rа.с.

Схема получения расчетных формул, опирающихся на перечисленные выше предпосылки, едина, а суть ее такова: на изгибаемом, внецентренно сжатом или другом элементе (рис. 8.7) в интересующем месте делают мыс-

ленно сечение, которое делит элемент на две части. Одну часть оставляют для рассмотрения; другую часть отбрасывают, а ее действие на оставшуюся часть заменяют внутренними усилиями Nб, Nа (парой сил), приложенными соответственно к

центру тяжести эпюры напряжений в сжатом бетоне и центру тяжести сечения растянутой арматуры.

Внутренние усилия в сечении равны друг другу, так как составляют пару сил с плечом, которая должна уравновесить внешние усилия, по-

239