5879

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образо-

вания «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Т.Н. Южина

ИСТОРИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Учебно-методическое пособие

по подготовке лекционных занятий «История железобетонных конструкций» для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Промышленное и гражданское строительство

Нижний Новгород ННГАСУ

2016

УДК624(075.8)

Южина Т. Н. История железобетонных конструкций [Электронный ресурс]: учеб. - метод. пос. / Т. Н. Южина; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 16 с; ил. 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Содержатся начальные сведения о промышленном и гражданском строительстве, краткие сведения об истории строительства, приведены имена ученых, рассмотрены основные понятия строительства, современное состояние строительной отрасли.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для краткого ознакомления с историей железобетонных конструкций.

ВВЕДЕНИЕ

Капитальное строительство в России и в других странах продолжает развиваться бурными темпами. Одновременно развиваются базы строительной индустрии, создаются новые прогрессивные строительные конструкции из различных материалов, совершенст-

вуется теория их расчета, чему способствовало, в частности, широкое использование ЭВМ.

В последние десятилетия в проектировании и строительстве зданий и сооружений достигнуты значительные успехи — существенно повышены технические и экономические характеристики благодаря применению рациональных и прогрессивных строительных конструкций.

Расширилось производство высокопрочных бетонов и арматурных сталей, дальнейшее развитие получили железобетонные конструкции с предварительным напряжением арматуры. Доказаны возможность и целесообразность арматуру подвергать не только предварительному растяжению, но и предварительному сжатию, когда она расположена в сжатой зоне элемента.

Для повышения прочностных показателей бетона особенно при растяжении расширилось применение дисперсного армирования различными видами неметаллических фибр.

СОВРЕМЕННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

К строительным (их иногда называют «Инженерные конструкции») относятся те несущие конструкции промышленных и гражданских зданий и инженерных сооружений, размеры сечений которых определяются расчетом. Этим строительные конструкции отличаются от архитектурных конструкций (частей зданий), размеры сечений которых назначаются согласно архитектурным, теплотехническим или другим специальным требованиям.

Строительные конструкции должны удовлетворять различным требованиям: эксплуатационным, техническим, экономическим, производственным, эстетическим и др. Эксплутационные и технические требования сводятся к тому, чтобы строительные конструкции в наибольшей степени отвечали своему назначению, были удобны в эксплуатации зданий (сооружений) и одновременно имели достаточную прочность, устойчивость, выносливость, жесткость, трещино- и огнестойкость, обеспечивая долговечность зданий и сооружений.

Одним из основных требований, предъявляемых к строительным конструкциям, является их экономичность. Последняя зависит от расхода и стоимости: материалов, изготовления, транспортирования, монтажа и величины эксплутационных расходов. Поэтому при выборе конструкции необходимо учитывать трудоемкость ее изготовления и монтажа а возможность сокращения сроков строительства зданий (сооружений).

Экономичность зависит также от типа конструкции (например, плоскостной — арки, фермы или пространственной — оболочки, складки), конструктивной схемы здания, соотношения основных размеров (например, отношение высоты фермы или балки к пролету или стрелы подъема арки или оболочки к пролету, и т.п.). При выборе конструктивного решения особое внимание следует уделять применению индустриальных типовых изделий массового производства.

Применение унифицированных типовых изделий, изготовляемых централизованно на заводах и полигонах, позволяет максимально механизировать и автоматизировать этот процесс, что ведет к значительному удешевлению конструкций. Одновременно упрощается и ускоряется процесс их монтажа "на строительной площадке.

Снижение расходов материалов и веса конструкции достигается также выбором наиболее рациональной в статическом отношении схемы н установлением расчетным путем или по конструктивным соображениям минимально допустимых размеров поперечных сечений элементов конструкций.

Технико-экономическое обоснование выбора типа строительных конструкций представляет собой важнейшее звено при проектировании зданий и сооружений.

В современном индустриальном строительстве особенно широко применяются сборные железобетонные конструкции, в том числе наиболее прогрессивные — предварительно напряженные. Широкое применение находят также стальные, бетонные, каменные, армокаменные и деревянные. В последнее время получают развитие конструкции из алюминиевых сплавов, пластических масс, асбестоцемента и других эффективных материалов.

Железобетонные конструкции имеют наибольшее распространение в виде крупноразмерных панелей перекрытий, покрытий и стен зданий и сооружений, ферм, арок, оболочек, колонн, фундаментов, резервуаров, труб, мачт и др.

Каменные, армокаменные и бетонные применяются для устройства стен и столбов зданий и сооружений, подпорных стен и др.

Металлические — для покрытий зданий и сооружений, при строительстве высоких башен и мачгг, газгольдеров, доменных печей.

Деревянные — в виде балок, ферм, арок и рам сравнительно небольших пролетов; для строительства башен, емкостей, а также временных сооружений.

Пластмассовые изделия — в виде ограждающих, а иногда и несущих конструкций, труб, санитарно-технических деталей.

Сравнение достоинств и недостатков строительных конструкций из различных материалов производится по следующим основным показателям.

Вес. Несомненным достоинством обладают строительные конструкции, вес которых при прочих равных условиях будет наименьшим. Если принять вес стальных конструкций

Огнестойкость. Железобетонные н каменные конструкции огнестойкости. Менее огнестойки предварительно напряженные железобетонные конструкции, металлические неогнестойки. Более огнестойкими являются массивные деревянные конструкции, но они возгораемы.

Темпы возведения. Применение металлических, сборных железобетонных и каменных крупноблочных конструкций позволяет возводить сооружения скоростными методами.

Иидустриалыюсть. Металлические, сборные железобетонные, крупноблочные каменные и заводского изготовления деревянные конструкции являются индустриальными конструкциями.

Эксплуатационные расходы. Стальные конструкции требуют затрат на окраску, предохраняющую их от коррозии. Деревянные конструкции требуют некоторых затрат на предохранения от гниения и расстройства соединений. Конструкции из остальных материалов почти не требуют эксплуатационных затрат.

Долговечность. Строительные конструкции из металла, бетона, камня, железобетона и армокамня наиболее долговечны. Деревянные конструкции при надлежащих условиях эксплуатации, предохранении от увлажнения, гниения и расстройства соединений также могут существовать очень долгое время. Известны деревянные конструкции, существующие свыше 100 лет.

ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

История развития строительных конструкций тесно связана с развитием производительных сил общества.

Раньше других начали применяться конструкции из естественного камня. Первые сооружения из необработанного камня относятся к каменному веку. Позже, в связи с совершенствованием средств производства, для конструкций применялись тесаный камень, кирпич-сырец и обожженный кирпич.

Врабовладельческий и феодальный периоды развития общества каменные конструкции достигли значительного совершенства.

До наших дней сохранилось много выдающихся памятников каменного зодчества в различных частях света, в частности замечательные сооружения на Кавказе, в Крыму, в Средней Азии. Первые каменные палаты и храмы Киевской Руси были сооружены в X в. Более поздними являются каменные здания, возведенные в Пскове, Новгороде, Суздале, Владимире и в ряде других городов. В 1333 г. в Московском Кремле был построен Архангельский собор, а в 1367 г. были возведены кремлевские стены. Через 100 с лишним лет они были переделаны и стоят поныне.

Встарину зодчие не имели никакого способа расчета сооружений, поэтому они возводили их на основе практического опыта по существующим образцам.

Ознакомление с сооружениями, сохранившимися до наших дней, позволяет установить те правила проектирования, которыми пользовались зодчие для новых построек. Но это могло быть полезным только при возведении сооружений, аналогичных уже построенным. Когда же строилось здание, для которого не существовало образцов, зодчий должен был идти на риск разрушения или же создавать их с неоправданным запасом прочности.

употреблялось словосочетание "опус цементум" (opus caementitium), которым и стали называть римский бетон (рис.1).

Несомненно, на широкое распространение римского бетона определенное влияние ока зала политическая и экономическая структура античного общества. Однако не в меньшей степени, а может быть, даже в большей, этому способствовал и ряд крупных технических достижений. В частности, открытие римлянами свойств пуццолановых добавок, значительное улучшение состава бетона за счет использования чистых и даже в отдельных случаях фракционированных заполнителей взамен ранее применявшегося грунта, и тщательное уплотнение бетонной смеси, которому римляне уделяли большое внимание, и которое

взначительной степени способствовало улучшению качества бетона. Предположительно,

впериод наивысшего развития бетона (2 век н.э.) римлянами были разработаны и новые виды вяжущих веществ типа романцемента, позволившие в значительной степени улучшить физико-механические и деформативные характеристики возводимых ими бетонных сооружений.

Повышению долговечности бетона способствовали и географические условия Италии с ее теплым и влажным климатом, в то время как в других странах с более суровым климатом постройки из такого же бетона сохранились плохо. Даже сегодня не потеряли своей значимости и конструктивные особенности римских бетонных дорог, полов, сводов и куполов, особенно в связи с тем, что, не умея бороться с растягивающими и изгибными напряжениями бетонных конструкций, римляне прекрасно «научили» их работать на сжатие.

Большой интерес представляет и химико-минералогическийсостав римского цемента. Сочетание этих нововведений и явилось, видимо, основной причиной поразительной долговечности римского бетона, которую до сих пор нередко связывают с якобы утраченными секретами античных строителей.

Железобетонные конструкции появились около 150 лет назад. Принято считать, что первым изделием из железобетона была лодка, построенная Ламбо во Франции в 1850 г. В 1861 г. французский ученый Коанье описал в своей книге несколько конструкций из бетона с металлической сеткой.

Первые патенты на изготовление изделий из железобетона были получены Монье в 1867—1870 гг. С этого времени железобетон находит применение в строительных конструкциях. Значительную роль в создании новых для того времени видов рациональных железобетонных конструкций сыграл французский инженер Ф. Геннебик. В 1892 г. он предложил железобетонные ребристые перекрытия и ряд других строительных конструкций.

В последней четверти XIXв. Появилась идея «свежеприготовленной бетонной смеси» - товарного бетона. В 1872 г. британский инженер Диконс высказал мысль, что «несомненно, большим преимуществом должна рассматриваться доставка бетонной сме-

си Рис. 20 – Первый советский серийный автобетоносмеситель СССМ-738/С-49на шас-

сиЯГ-6 или раствора непосредственно на стройплощадку». Считается, что первыми воплотили эту идею в жизнь немцы.

Гамбургский архитектор Магенс начал интенсивные поиски подходящих способов внеплощадочного заводского изготовления и транспортирования свежеприготовленной и удобоукладываемой бетонной смеси в требуемом количестве и с нужными характеристи-

США перед Первой мировой войной. Растущий выпуск специального транспорта, поставляемого новой и быстро развивающейся автомобильной промышленностью, сыграл позитивную роль в развитии отрасли производства товарного бетона. В Европе товарный бетон стали выпускать в 1926г. Тогда же в США, а в начале 30-хгодов – в Великобритании появился первый автобетоносмеситель.

Использование бетона и железобетона для строительства началось только во второй половине XIX в., после получения и организации промышленного выпуска портландце-

мента, ставшего основным вяжущим веществом для бетонных и железобетонных конструкций. Вначале бетон использовался для возведения монолитных конструкций и сооружений. Применялись жесткие и :рлоподвижные бетонные смеси, уплотнявшиеся трамбованием. С появлением железобетона, :рмиированного каркасами, связанными из стальных стержней, начинают применять более подвижные и даже литые бетонные смеси, чтобы обеспечить их надлежащее распределение и уплотнение в бетонируемой конструкции. Однако применение подобных смесей затрудняло получение бетона высокой прочности, требовало повышенного расхода цемента. Поэтому большим достижением явилось появление в 30-хгодах способа уплотнения бетонной смеси вибрированием, что позволило обеспечить хорошее уплотнение малоподвижных и жестких бетонных смесей, снизить расход цемента в бетоне, повысить его прочность и долговечность. В эти же годы был предложен способ предварительного напряжения арматуры в бетоне, способствовавший снижению расхода арматуры в железобетонных конструкциях, повышению их долговечности и трещиностойкости.

ВРоссии железобетон стали применять с 1886 г. для перекрытий по металлическим балкам.

Широкое распространение железобетон получил в России после проведенных проф. Н.А. Белелюбским (1891 г.) испытаний железобетонных плит, труб, сводов, мостов и других конструкций. С 1899 г. железобетон применяется при строительстве железнодорожных сооружений, шоссейных дорог, в промышленном и гражданском строительстве. В 1896 г. в Нижнем Новгороде построен пешеходный мост пролетом свыше 40 м. В 1904 г. в Николаеве сооружен первый в мире железобетонный маяк. В это же время проф. А.Ф. Лолейт построил в Москве железобетонные междуэтажные безбалочные перекрытия и другие крупные железобетонные конструкции.

Железобетонные конструкции применялись при сооружении Волховской, ГЭС, Свирьгэс, Днепрогэса, Куйбышевской, Братской, Красноярской и других гидроэлектростанций. Сложные железобетонные конструкции нашли применение при строительстве каналов Москва — Волга, Волга — Дон, и др.

Теория расчета сечений элементов железобетонных конструкций создавалась одновременно с появлением железобетона.

В1886 г. инженер М. Кенен показал, что арматуру следует располагать в тех частях конструкции, где имеются растягивающие усилия; он же предложил метод расчета железобетонных плит. Ф. Геннебик первым применил отогнутую арматуру для восприятия поперечных сил.

По предложению проф. Н.А. Белелюбского, эпюра напряжений в сечениях изгибаемых элементов железобетонных конструкций при работе на прочность была принята по закону треугольника в сжатой зоне без учета работы бетона в растянутой зоне,

спередачей всех растягивающих усилий на арматуру.

Усилия в железобетонных конструкциях в то время определяли исходя из их работы в упругой стадии по методам строительной механики, сечения подбирали по допускаемым напряжениям.

В1912году был издан капитальный труд Н.А. Житкевича «Бетон и бетонные работы». В начале века появляются много работ по технологии бетона и за рубежом. Из них наиболее важными были работы Р. Фере (Франция), О. Графа (Германия), И. Боломе (Швейцария), Д. Абрамса (США).

В1932 г. проф. А.Ф. Лолейт обосновал целесообразность отказа от расчета сечений элементов железобетонных конструкций по допускаемым напряжениям и необходимость перехода к расчету их по разрушающим усилиям. В 1955 г. в нашей стране был введен еще более прогрессивный метод расчета по предельным состояниям.

Развитию и внедрению расчета сечений по методам предельных состояний посвящены труды отечественных ученых — профессоров Н.С. Стрелецкого, А.А. Гвоздева, В.М. Келдыша, К.В. Сахновского, О.Я. Берга, В.И. Мурашева и др.

Прочность сечений элементов по предельным состояниям рассчитывают с учетом образования пластических деформаций в железобетоне, тогда как усилия в конструкции

определяют в предположении ее упругой работы. Эта неувязка в расчете усилий в статически неопределимых системах и в расчете прочности их сечений устраняется при определении усилий с учетом их перераспределения вследствие пластических деформаций.

На базе теории пластичности и теории расчета железобетонных конструкций по стадии разрушения проф. А. А. Гвоздевым был теоретически и экспериментально обоснован расчет по методу предельного равновесия.

Расчет статически неопределимых железобетонных конструкций по методу предельного равновесия посвящены работы многих других ученых: К.С. Завриева, А.Р. Ржаницына, С.С. Давыдова, A.M. Овечкина и др.

Появление высокопрочных сталей и бетонов выдвинуло вновь в 1925—1930 гг. ранее предложенную Э. Фрейсине идею применения предварительно напряженных железобетонных конструкций, имеющих ряд преимуществ перед обычными железобетонными (повышенная трещиностойкость и жесткость, экономичность, меньшие габариты и вес и пр.).

До этого времени использование предварительного напряжения не дало положительных результатов из-за больших потерь напряжений в арматуре.при невысоком ее натяжении.

Применение предварительно напряженных железобетонных конструкций, особенно с появлением высокопрочных сталей и бетонов, позволило перекрывать большие пролеты зданий и сооружений. Из предварительно напряженного железобетона сооружаются мосты, оболочки, купола, резервуары и другие конструкции.

В нашей стране большую роль в развитии предварительно напряженных железобетонных конструкций сыграли профессора В.В. Михайлов, П.Л. Пастернак, С.А. Дмитриев, Г.И. Бердичевский, Н.В. Никитин и др., а за рубежом — Э. Фрейсине, Т. Лин, И. Гийон, Ф. Леонгард, Б. Гервик и др.

Большое значение в дальнейшем развитии общей теории железобетона имеют труды академиков Российской академии архитектуры и строительных наук В.М. Бондаренко, Н.И. Карпенко, а также других современных ученых.

МОНОЛИТНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО

В нашей стране долгие годы предпочтение отдавалось сборным панельным домам. Хотя в 30-годы, в период конструктивизма, уже был приобретен определенный опыт монолитного строительства. Но широкое распространение оно получило лишь в последние

10 лет.

Преимущества монолитного строительства. Среди них в первую очередь нужно отметить несущественность показателя шага конструкций.

В сборном строительстве все конструкции имеют размеры, кратные определенному модулю. И технология изготовления конструкций на заводе не позволяет быстро изменить форму оснастки. Именно поэтому архитекторы и проектировщики были привязаны к определенным типовым размерам и ограничены в принятии проектных решений.

Увеличение шага конструкций по сравнению с крупнопанельным строительством с 12 до 15-16м, а зачастую и до 20 м стало причиной появления совершенно новых планировочных решений квартир. Кроме того, при увеличении ширины здания удается не только сэкономить материалы, но и на 2030% снизить расход тепла на обогрев монолитного дома. И это при одинаковых теплотехнических качествах ограждающих конструкций.

Монолитное здание практически не имеет швов, что тоже повышает показатели его тепло- и звуконепроницаемости. В сочетании с использованием эффективных утеплителей это позволяет улучшить режим эксплуатации дома в зимнее время, снизить массу и объем ограждающих конструкций (толщина стен и перекрытий существенно уменьшается). В результате монолитные здания оказываются на 15-20%легче кирпичных. Вместе с тем за счет облегчения конструкций уменьшается материалоемкость фундаментов и удешевляется их устройство.