Строительные конструкции. Металлические конструкции, основания и фундаменты
.pdf
Е . Ю . Давыдов, М.И. Никитенко, Л . Д . Шайтаров
СТРОИТЕЛЬНЫЕ
КОНСТРУКЦИИ.
Металлические конструкции, основания и фундаменты
Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для учащихся строительных специальностей учреждений, обеспечивающих получение
среднего специального образования
Минск УП «Технопринт»
2005
У ДК 6 2 1 0 1 ( 0 7 3 ) Б Б К 38.3*7
Д13
Рецензенты:
Цикловая комиссия конструкционных дисциплин Могилевского строительного колледжа;
Зав. кафедрой «Строительные конструкции, основания и фундаменты» Белорусского государственного университета транспорта, доктор технических наук, профессор И.А. Кудрявцев.
Давыдов Е . Ю .
Строительные конструкции. Металлические конструкцииоснования и фундаменты: Учебное пособие/Е.Ю. Давыдов, М.И. Никитенко, Л. Д. Шайтаров. — Ми.: УП «Технопринт», 2005. — 330 с.
ISBN 9 8 5 - 4 6 4 - 6 0 0 - 9
В учебном пособии изложены вопросы конструирования и расчета наиболее распространенных видов металлических конструкций, оснований и фундаментов. Все основные разделы снабжены примерами использования теоретического материала для практических расчетов.
Учебное пособие предназначено для учащихся средних специальных учреждений и студентов высших учебных заведении строительного профиля в начальной стадии изучения металлических конструкций, оснований и фундаментов. I—VIII главы написаны Е.Ю. Давыдовым, IX — М.И. Никитенко, X—XI —М.И. Никитенко и Л Д . Шайтаровым.
|
УДК |
624.04(075) |
|
ББК |
38.5я7 |
ISBN 985-464-600-9 |
© Давыдов Е.Ю., Никитенко М.И., |
|
|
Шайтаров Л Д , 2005. |
|
|
© Оформление УП "Технопринт", 2005. |
|
ВВЕДЕНИЕ
История использования металлических конструкций насчитывает около двух тысячелетий — по дошедшей до нас информации металлические конструкции использовались уже в древней Греции при строительстве культовых сооружений (432 год до н. э.). Первые металлические конструкции изготавливались из так называемого кричного железа, которое из-за несовершенного метода получения имело пористую и неоднородную структуру и в связи с этим — низкую прочность и высокую деформативность.
В начальный период развития металлические конструкции изготавливались в виде балок, стоек, затяжек, распоров, каркасов куполов («корзинок»). Соединения элементов осуществлялись на проушинах,
замках и горновой сварке. |
|
С XVIII до середины X I X |
веков металличес- |
кие конструкции изготавливались |
преимущественно |
из чугуна. Используя хорошие литейные свойства чугуна, а также высокую корозийную стойкость, строители Западной Европы и Российской Империи изготавливали из него, прежде всего, пролетные строения мостов. Первый чугунный мост был изготовлен в Англии в 1779 году, а в России в 1784 году. Тогда же с использованием металлоконструкций были воздвигнуты известнейшие общественные объекты: театр французской комедии (1786 г.), Александрий-
3
ский театр (1830 г.), Зимний дворец (1837 г.) и др. Существенно усложнились конструктивные формы: появились арочные конструкции и шпренгельные балки. Для металлических деталей использовались уже уголки и швеллеры, изготавливаемые гнутьем разогретых полос. С 1830 года для соединений металлических конструкций стали применяться заклепки.
Третий период — середина X I X и начало X X веков — характеризуется бурным развитием металлических конструкций. В это время появились эффективные способы выплавки стали, которая и становится доминирующим металлом в строительстве. Другим фактором, обусловившим резкое увеличение объемов изготовления металлоконструкций, явилось изобретение в 1881 году в России электросварки. На этот период приходится появление новых конструктивных форм: плоских стержневых конструкций (ферм), рамно-арочных систем, стержневых башен, листовых висячих покрытий, стальных резервуаров. Тогда же был освоен прокат стали -появились уголки, швеллеры, двутавры.
Множество замечательных сооружений было построено в этот период: павильоны парижских выставок (1867, 1878, 1889 г.), где пролеты достигли 115 м, Эйфелева башня (1889 г.), павильоны ярмарки в Нижнем Новгороде (1896 г.), дебаркадер Киевского вокзала (1913 г.), ажурные стержневые башни Шухова в Москве и т. д. В это же время было возведено первое производственное здание со стальным каркасом ( С Ш А ) и множество стальных железнодорожных мостов.
Четвертый период — вторая половина X X века характеризуется применением, кроме обычных, легированных сталей и сплавов алюминия. Были разработаны предварительно напряженные металлоконструкции, вантовые покрытия, пространственные стержневые конструкции (структуры), тонколистовые металлические оболочки покрытий зданий и сооружений, трансформируемые конструкции. Были усовершенствованы сечения профилей, появились профили с параллельными гранями полок и профили (в основном, из сплава алюминия), изготавливаемые методом прессования. Основным видом соединения осталась сварка. Кроме того, получили распространение соединения на обычных и на высокопрочных болтах, стали применяться клеевые соединения и соединения на дюбелях. Значительным событием явилась
4
разработка и внедрение нового метода расчета конструкции по предельным состояниям.
Среди уникальных сооружений X X века с использованием металлических конструкций можно назвать, прежде всего, олимпийские объекты в Торонто, Мюнхене и Москве, среди которых следует выделить крытый стадион размером в плане 224x183 м и велотрек размером 168x138 м в Москве, мост пролетом 1420 м в Англии, стальные каркасы небоскребов
вС Ш А и Малайзии и на Тайване, башня высотой 370 м в Киеве, мачта высотой 646 м в Польше. В Беларуси к таким объектам можно отнести здание Дворца спорта, Выставочный павильон, крытый спортивный манеж
вМинске.
Основания и фундаменты ведут свою летопись со времени появления первых строительных объектов. Вначале сооружения строились непосредственно на поверхности земли, затем с увеличением массы и габаритов сооружаемых объектов возникла необходимость опирания их на более плотные грунты, расположенные ниже поверхности земли, что повлекло за собой появление фундаментов.
Наиболее древним конструктивным решением являются свайные фундаменты. Еще в каменном веке древние строители использовали деревянные сваи для возведения отдельных жилищ и целых поселений. В Индии и Египте за несколько тысячелетий до нашей эры строились объекты на свайных фундаментах, в VII в. до нашей эры в Риме был построен свайный мост через р. Тибр.
В дальнейшем свайные фундаменты, наряду с ленточными и столбчатыми, нашли самое широкое распространение как в прошлом, так и в современном строительстве. В 1845 г. появились паровые машины для забивки свай, что позволило увеличить длину (до 40 м) и диаметр (до 50 см) забиваемых свай.
С середины X I X века, наряду с деревянными сваями, стали применяться железобетонные и стальные сваи. В 1899 г. в России появились набивные сваи — бетон укладывали в заранее пробуренные скважины.
Другой разновидностью древних фундаментов являются опускные колодцы — их применение было зафиксировано еще в Древнем Египте. Опускные колодцы нашли свое дальнейшее применение, прежде всего, в мостостроении. Также применительно к строительству мостов были раз-
работаны в 1841 году кессонные фундаменты, которые позволили закладывать фундаменты на глубину до 35 м от уровня воды.
Одновременно с развитием фундаментов совершенствовались методы геологических исследований, способы укрепления грунтов и методы расчета. В настоящее время расчет оснований и фундаментов ведется по методу предельных состояний, с учетом совместной работы основания и расположенного на нем сооружения. На базе теоретических и экспериментальных исследований разработаны нормативные документы по проектированию оснований и фундаментов промышленных и гражданских зданий и сооружений.
б
Раздел I. ОСНОВЫ РАСЧЕТА СТРОИТЕЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
Глава I. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
РАСЧЕТА
1.1. Требования, предъявляемые к строительным конструкциям, и основные принципы их проектирования.
Строительные конструкции, используемые для возведения зданий и сооружений, должны обеспечивать требуемые условия эксплуатации и, прежде всего, воспринимать нагрузки, обусловленные технологическим процессом и средой эксплуатации. Поэтому строительные конструкции должны обладать определенной несущей способностью и необходимой жесткостью, которые должны сохранять свои значения с достаточной степенью надежности в течение определенного временного периода.
Все узлы и детали конструкций должны быть доступны для осмотра, ремонта и возобновления антикоррозийного покрытия. Конструкции не должны иметь щелей и пазух, где могут скапливаться пыль и нлага, являющиеся источниками коррозийного поражения
Строительные конструкции должны не только обеспечивать функциональное назначение здания или
7
сооружения, но и соответствовать архитектурным требованиям. Суммарная стоимость строительных конструкций должна быть мини-
мальной. При этом требовании минимизация стоимости не должна достигаться в ущерб надежности этих конструкций.
Строительные конструкции должны быть транспортабельными. С этой целью большеразмерные конструкции необходимо членить на отправочные марки в соответствии с транспортными габаритами и грузоподъемностью транспортных средств.
При проектировании должны быть обеспечены все перечисленные выше требования.
Проектирование строительных конструкций следует выполнять с уче-
том:
—режима работы оборудования, вида и интенсивности нагрузок;
—степени агрессивности среды эксплуатации;
—температуры эксплуатации.
Кроме того, при проектировании строительных конструкций должны быть учтены нагрузки, возникающие при изготовлении, транспортировке и монтаже конструкций.
Снижение стоимости конструкций достигается за счет уменьшения расхода материалов и снижения трудозатрат при изготовлении и монтаже. В большинстве случаев уменьшение расхода материала влечет за собой увеличение стоимости изготовления или монтажа. Исходя из этого, экономическая задача должна решаться либо с помощью вариантного проектирования, либо методами оптимизации с учетом всех факторов, определяющих стоимость конструкций.
Экономия металла достигается посредством применения высокоэффективных конструктивных форм, использования высокопрочных металлов и рационального распределения материала по сечению элементов. Также этому способствует совмещение несущих и ограждающих функций и концентрация материала (увеличение массы конструктивного элемента за счет уменьшения их количества).
Снижение стоимости изготовления достигается преимущественно за счет индустриализации и типизации конструктивных форм. Индустриализация в данном случае — это перенос наибольшего количества операций
8
по изготовлению конструкций в заводские условия, что позволяет использовать высокопроизводительное оборудование и обеспечить высокое качество работ.
Снижению трудоемкости изготовления способствует упрощение конструктивных форм, уменьшение количества сборочных деталей и объема сварочных работ, обеспечение возможности механизированной резки, обработки и сварки деталей.
Другим условием снижения стоимости изготовления является типизация, которая обеспечивает большую повторяемость технологических операций и позволяет использовать однотипное оборудование для изготовления различных конструктивных форм. Отрицательной стороной типизации является уменьшение количества типоразмеров конструктивных элементов, что влечет за собой увеличение расхода материалов. Поэтому степень типизации должна определяться с учетом обоих факторов: трудоемкости и материалоемкости. При этом следует учитывать, что степень типизации напрямую зависит от уровня развития технологии изготовления строительных конструкций и, следовательно, является изменяющимся фактором.
Стоимость монтажа строительных конструкций снижается за счет уменьшения количества отправочных марок, простоты оформления узлов сопряжений и возможностью блочного монтажа конструкций.
1.2. Основы метода расчета по предельным состояниям
Целью расчета строительных конструкций является определение геометрических параметров конструкций, обеспечивающих заданные условия их эксплуатации в течение определенного периода времени при минимальном расходе материалов, трудозатратах и при достаточной степени надежности. Расчет строительных конструкций производится методом предельных состояний. Под понятием «предельное состояние» подразумевается состояние конструкции, когда она перестает удовлетворять предъявленным к ней требованиям. Для строительных конструкций различают две группы предельных состояний: 1 — потеря несущей способности (конструкция разрушается или теряет устойчивость); 2 — появление недопустимых по
9