Строительные конструкции, несущие и ограждающие конструкции зданий и сооружений.

Классификация и области применения. Разделение строительных конструкций по функциональному назначению на несущие и ограждающие в значительной мере условно. Если такие конструкции, как арки, фермы или рамы, являются только несущими, то панели стен и покрытий, оболочки, своды, складки и т.п. обычно совмещают ограждающие и несущие функции, что отвечает одной из важнейших тенденций развития современных строительных конструкций.В зависимости от расчётной схемы несущие строительные конструкции подразделяют на плоские (например, балки, фермы, рамы) и пространственные (оболочки, своды, купола и т.п.). Пространственные конструкции характеризуются более выгодным (по сравнению с плоскими) распределением усилий и, соответственно, меньшим расходом материалов; однако их изготовление и монтаж во многих случаях оказываются весьма трудоёмкими. Новые типы пространственных конструкций, например структурные конструкции из прокатных профилей на болтовых соединениях, отличаются как экономичностью, так и сравнительной простотой изготовления и монтажа. По виду материала различают следующие основные типы строительных конструкций: бетонные и железобетонные.

Бетонные и железобетонные конструкции - наиболее распространённые (как по объёму, так и по областям применения). Специальные виды бетона и железобетона используют при строительстве сооружений, эксплуатируемых при высоких и низких температурах или в условиях химически агрессивных сред (тепловые агрегаты, здания и сооружения чёрной и цветной металлургии, химической промышленности и др.). Уменьшение массы, снижение стоимости и расхода материалов в железобетонных конструкциях возможны на основе использования высокопрочных бетонов и арматуры, роста производства предварительно напряженных конструкций, расширения областей применения лёгких и ячеистых бетонов.

Стальные конструкции применяются главным образом для каркасов большепролётных зданий и сооружений, для цехов с тяжёлым крановым оборудованием, домен, резервуаров большой ёмкости, мостов, сооружений башенного типа и др. Области применения стальных и железобетонных конструкций в ряде случаев совпадают. Существенное преимущество стальных конструкций (по сравнению с железобетонными) - их меньшая масса.

Требования, предъявляемые к строительным конструкциям. С точки зрения эксплуатационных требований С. К. должны отвечать своему назначению, быть огнестойкими и коррозиеустойчивыми, безопасными, удобными и экономичными в эксплуатации.

Расчёт С. К. Строительные конструкции должны быть рассчитаны на прочность, устойчивость и колебания. При этом учитываются силовые воздействия, которым конструкции подвергаются при эксплуатации (внешние нагрузки, собственный вес), влияние температуры, усадки, смещения опор и т.д., а также усилия, возникающие при транспортировке и монтаже строительных конструкций.

Фундаменты зданий и сооружений - части зданий и сооружений (преимущественно подземные), которые служат для передачи нагрузок от зданий (сооружений) на естественное или искусственное основание.
Стена здания - основная ограждающая конструкция здания. Наряду с ограждающими функциями стены одновременно в той или иной степени выполняют и несущие функции (служат опорами для восприятия вертикальных и горизонтальных нагрузок).

Каркас (франц. carcasse, от итал. carcassa) в технике - остов (скелет) какого-либо изделия, конструктивного элемента, целого здания или сооружения, состоящий из отдельных скрепленных между собой стержней. Каркас выполняется из дерева, металла, железобетона и др. материалов. Он определяет собой прочность, устойчивость, долговечность, форму изделия или сооружения. Прочность и устойчивость обеспечиваются жёстким скреплением стержней в узлах сопряжения или шарнирного соединения и специальными элементами жёсткости, которые придают изделию или сооружению геометрически неизменяемую форму. Увеличение жёсткости каркаса нередко достигается включением в работу оболочки, обшивки или стенок изделия или сооружения.

Перекрытия - горизонтальные несущие и ограждающие конструкции. Они воспринимают вертикальные и горизонтальные силовые воздействия и передают их на несущие стены или каркас. Перекрытия обеспечивают тепло- и звукоизоляцию помещений.

Полы в жилых и общественных зданиях должны удовлетворять требованиям прочности и сопротивляемости износу, достаточной эластичности и бесшумности, удобства уборки. Конструкция пола зависит от назначения и характера помещений, где он устраивается.

Крыша - наружная несущая и ограждающая конструкция здания, которая воспринимает вертикальные (в том числе снеговые) и горизонтальные нагрузки и воздействия. (Ветер - нагрузка)

Лестницы в зданиях служат для вертикальной связи помещений, находящихся на разных уровнях. Расположение, число лестниц в здании и их размеры зависят от принятого архитектурно-планировочного решения, этажности, интенсивности людского потока, а также требований пожарной безопасности.

Окна устраиваются для освещения и проветривания (вентиляции) помещений и состоят из оконных проемов, рам или коробок и заполнения проемов, называемого оконными переплетами.

Вопрос №12. Поведение зданий и сооружений в условиях пожара, их огнестойкость и пожарная опасность

Нагрузки и воздействия которым, подвергается здание в нормальных условиях эксплуатации, учитывают при расчете прочности строительных конструкций. Однако при пожарах возникают дополнительные нагрузки и воздействия, которые во многих случаях приводят к разрушению отдельных конструкций и зданий в целом. К неблагоприятным факторам относится: высокая температура, давление газов и продуктов горения, динамические нагрузки от падающих обломков обрушившихся элементов здания и пролитой воды, резкие колебания температур. Способность конструкции сохранять свои функции (несущие, ограждающие) в условиях пожара сопротивляться воздействию огня называется огнестойкостью строительной конструкции.

Строительные конструкции характеризуются огнестойкостью и пожарной опасностью.

Показателем огнестойкости является предел огнестойкости, пожарную опасность конструкции характеризует класс ее пожарной опасности.

Строительные конструкции зданий, сооружений и строений в зависимости от их способности сопротивляться воздействию пожара и распространению его опасных факторов в условиях стандартных испытаний подразделяются на строительные конструкции со следующими пределами огнестойкости:

Ненормируемый;- не менее 15 мин;- не менее 30 мин;-не менее 45 мин;- не менее 60 мин;-не менее 90 мин;- не менее 120 мин;- не менее 180 мин;- не менее 360 мин.

Предел огнестойкости строительных конструкций устанавливается по времени (в минутах) наступления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструкции, признаков предельных состояний:потери несущей способности (R);потери целостности (Е);потери теплоизолирующей способности (I).

Пределы огнестойкости строительных конструкций и их условные обозначения устанавливают по ГОСТ 30247. При этом предел огнестойкости окон устанавливается только по времени наступления потери целостности (Е).

По пожарной опасности строительные конструкции подразделяются на четыре класса: КО (непожароопасные); К1 (малопожароопасные); К2 (умереннопожароопасные);КЗ (пожароопасные).

Вопрос№ 13. Металлические конструкции и их поведение в условиях пожара, способы повышения огнестойкости конструкций.

Хотя металлические конструкции выполнены из несгораемого материала, фактический предел их огнестойкости в среднем составляет 15 минут. Это объясняется достаточно быстрым снижением прочностных и деформативных характеристик металла при повышенных температурах во время пожара. Интенсивность нагрева МК (металлической конструкции) зависит от ряда факторов, к которым относятся характер нагрева конструкций и способы их защиты. В случае кратковременного действия температуры при реальном пожаре, после воспламенения горючих материалов металл подвергается нагреву более медленно и менее интенсивно, чем нагрев окружающей среды. При действии «стандартного» режима пожара температура окружающей среды не перестает повышаться и тепловая инерция металла, обуславливающая некоторую задержку нагрева, наблюдается только в течение первых минут пожара. Затем температура металла приближается к температуре нагревающей среды. Защита металлического элемента и эффективность этой защиты также влияют на нагрев металла.

При действии на балку высоких температур при пожаре сечение конструкции быстро прогревается до одинаковой температуры. При этом снижается предел текучести и модуль упругости. Обрушение прокатных балок наблюдается в сечении, где действует максимальный изгибающий момент.

Воздействие температуры пожара на ферму приводит к исчерпанию несущей способности ее элементов и узловых соединений этих элементов. Потеря несущей способности в результате снижения прочности металла характерна для растянутых и сжатых элементов поясов и решетки конструкции.

Исчерпание несущей способности стальных колонн, находящихся в условиях пожара, может наступить в результате потери: прочности стержнем конструкции; прочности или устойчивости элементами соединительной решетки, а также узлов крепления этих элементов к ветвям колонны; устойчивости отдельными ветвями на участках между узлами соединительной решетки; общей устойчивости колонны.

Поведение в условиях пожара арок и рам зависит от статической схемы работы конструкции, а также конструкции сечения этих элементов.

Способы повышения огнестойкости:

· облицовка из негорючих материалов(обетонирование, облицовка из кирпича, теплоизолюционных плит, гипсокартонными листами, штукатурка);

· огнезащитные покрытия (невспучивающиеся и вспучивающиеся покрытия);

· подвесные потолки (между конструкцией и потолком создается воздушный зазор, который повышает ее предел огнестойкости).

Предельное состояние металлической конструкции: σ=R n *γ tem

Основы конструктивных решений зданий

По назначению строительные конструкции подразделяют на несущие, ограждающие и совмещенные .

Конструкции несущие – строительные конструкции, воспринимающие нагрузки и воздействия и обеспечивающие надежность, жесткость и устойчивость зданий. Несущие конструкции, образующие остов здания (конструктивную систему) относят к основным: фундаменты, стены, отдельные опоры, перекрытия, покрытия и т.п. остальные несущие конструкции относятся к второстепенным, например, перемычки над проемами, лестницы, блоки шахт лифтов.

Конструкции ограждающие – строительные конструкции, предназначенные для изоляции внутренних объемов в зданиях от внешней среды или между собой с учетом нормативных требований по прочности, теплоизоляции, гидроизоляции, пароизоляции, воздухонепроницаемости, звукоизоляции, светопропусканию и т.д. Основные ограждающие конструкции – ненесущие стены, перегородки, окна, витражи, фонари, двери, ворота.

Конструкции совмещенные – строительные конструкции зданий и сооружений различного назначения, выполняющие несущие и ограждающие функции (стены, перекрытия, покрытия).

По пространственному расположению несущие строительные конструкции здания разделяют на вертикальные и горизонтальные.

Горизонтальные несущие конструкции –покрытия и перекрытия – воспринимают все приходящиеся на них вертикальные нагрузки и поэтажно передают их вертикальным несущим конструкциям (стенам, колоннам и др.), которые, в свою очередь, передают нагрузки основанию здания. Горизонтальные несущие конструкции, как правило, играют в зданиях также роль жестких дисков – горизонтальных диафрагм жесткости, они воспринимают и перераспределяют горизонтальные нагрузки и воздействия (ветровые, сейсмические) между вертикальными несущими конструкциями.

Передача горизонтальных нагрузок с перекрытий на вертикальные конструкции осуществляется по двум основным вариантам: с распределением на все вертикальные несущие элементы или только на отдельные вертикальные элементы жесткости (стены-диафрагмы, решетчатые ветровые связи или стволы жесткости). При этом все остальные опоры работают только на вертикальные нагрузки. Применяют также и промежуточное решение: распределение горизонтальных нагрузок и воздействий в различных пропорциях между элементами жесткости и конструкциями, работающими преимущественно на восприятие вертикальных нагрузок.

Перекрытия-диафрагмы обеспечивают совместность и равенство горизонтальных перемещений вертикальных несущих конструкций при ветровых и сейсмических воздействиях. Такая совместимость и выравнивание достигаются жестким сопряжением горизонтальных несущих конструкций с вертикальными.

Горизонтальные несущие конструкции капитальных гражданских зданий высотой более двух этажей однотипны и представляют собой обычно железобетонный диск – сборный, сборно-монолитный или монолитный.

Строительные конструкции очень разнообразны по своему на­значению и применению. Тем не менее их можно объединить по некоторым признакам общности тех или иных свойств, т.е. про­классифицировать, уточнив при этом некоторые понятия.

Воз­можны различные подходы к классификации конструкций.

Имея в качестве основной конечной цели учебника расчет кон­струкций, целесообразнее всего проклассифицировать их по сле­дующим признакам:

1) по геометрическому признаку конструкции принято разде­лять на массивы, брусья, плиты, оболочки (рис. 1.1) и стержне­вые системы (рис. 1.3):

Рис. 1.1. Классификация конструкций по геометрическому признаку: а) массив; б) брус; в) плита; г) оболочка

Массив -конструкция, в которой все размеры одного поряд­ка, например у фундамента размеры могут бьггь такими: а= 1,8 м; Ъ - 1,2 м; И = 1,5 м. Размеры могут бьггь и другими, но порядок их один - метры;

Брус - элемент, в котором два размера во много раз меньше третьего, т.е. они разного порядка: Ь« /, А « /. Например, у же­лезобетонной балки они могут быть такими: Ь- 20 см, И = 40 см, а /= 600 см, т.е. они моїуг отличаться друг от друга на целый по­рядок (в 10 и более раз).

Брус с ломаной осью принято называть простейшей рамой, а с криволинейной осью - аркой (рис. 1.2, а, б);

Плита - элемент, в котором один размер во много раз мень­ше двух других: И « а, И « /. В качестве примера можно приве­сти ребристую железобетонную плиту (точнее, поле плиты), у ко­торой толщина собственно плиты И может быть 3-4 см, а длина и ширина порядка 150 см. Плита является частным случаем более общего понятия - оболочки, которая в отличие от плиты имеет криволинейное очертание (рис. 1.1, г). Рассмотрение оболочек вы­ходит за рамки нашего курса;

Стержневые системы представляют собой геометрически не­изменяемые системы стержней, соединенных между собой шар­нирно или жестко. К ним относятся строительные фермы (балоч­ные или консольные) (рис. 1.3).

Рис. 1.2. Разновидности брусьев: а) рама; б) арка

Рис. 1.3. Примеры простейших стержневых систем: а) балочная ферма; б) консольная ферма

Размеры во всех примерах приведены в качестве ориентира и не исключают их многообразия. Есть случаи, когда трудно отнес­ти конструкцию к тому или иному виду по этому признаку. В рам­ках данного учебника все конструкции вполне вписываются в приведенную классификацию;

2) с точки зрения статики конструкции делятся на стати­чески определимые и статически неопределимые. К первым от­носятся системы (конструкции), усилия или напряжения в ко­торых могут быть определены только из уравнений статики (уравнений равновесия), ко вторым - такие, для которых од­них уравнений статики недостаточно. В настоящем учебнике преимущественно рассматриваются статически определимые конструкции;

3) по используемым материалам конструкции делятся на сталь­ные, деревянные, железобетонные, бетонные, каменные (кирпичные)",

4) с точки зрения напряженно-деформированного состояния, т.е. возникающих в конструкциях внутренних усилий, напряже­ний и деформаций под действием внешней нагрузки, условно можно поделить их на три группы: простейшие, простые и слож­ные (табл. 1.1). Такое разделение не является общепринятым, но позволяет привести в систему характеристики видов напряжен­но-деформированных состояний конструкций, которые широко распространены в строительной практике и будут рассмотрены в учебнике. В представленной таблице трудно отразить все тон­кости и особенности указанных состояний, но она дает возмож­ность сравнить и оценить их в целом. Подробнее о стадиях на­пряженно-деформированных состояний будет сказано в соответ­ствующих главах.

Введение

Строительными несущими конструкциями промышленных и гражданских зданий и инженерных сооружений называются конструкции, размеры сечений которых определяются расчетом. Это основное их отличие от архитектурных конструкций или частей зданий, размеры сечений которых назначаются согласно архитектурным, теплотехническим или другим специальным требованиям.

Современные строительные конструкции должны удовлетворять следующим требованиям: эксплуатационным, экологическим, техническим, экономическим, производственным, эстетическим и др.

Классификация строительных конструкций

Бетонные и железобетонные конструкции -- наиболее распространённые (как по объёму, так и по областям применения). Для современного строительства особенно характерно применение железобетона в виде сборных конструкций индустриального изготовления, используемых при возведении жилых, общественных и производственных зданий и многих инженерных сооружений. Рациональные области применения монолитного железобетона -- гидротехнические сооружения, дорожные и аэродромные покрытия, фундаменты под промышленное оборудование, резервуары, башни, элеваторы и т.п. Специальные виды бетона и железобетона используют при строительстве сооружений, эксплуатируемых при высоких и низких температурах или в условиях химически агрессивных сред (тепловые агрегаты, здания и сооружения чёрной и цветной металлургии, химической промышленности и др.). Уменьшение массы, снижение стоимости и расхода материалов в железобетонных конструкциях возможны на основе использования высокопрочных бетонов и арматуры, роста производства предварительно напряженных конструкций, расширения областей применения лёгких и ячеистых бетонов.

Стальные конструкции применяются главным образом для каркасов большепролётных зданий и сооружений, для цехов с тяжёлым крановым оборудованием, домен, резервуаров большой ёмкости, мостов, сооружений башенного типа и др. Области применения стальных и железобетонных конструкций в ряде случаев совпадают. При этом выбор типа конструкций производится с учётом соотношения их стоимостей, а также в зависимости от района строительства и местонахождения предприятий строительной индустрии. Существенное преимущество стальных конструкций (по сравнению с железобетонными) -- их меньшая масса. Этим определяется целесообразность их применения в районах с высокой сейсмичностью, труднодоступных областях Крайнего Севера, пустынных и высокогорных районах и т.п. Расширение объёмов применения сталей высокой прочности и экономичных профилей проката, а также создание эффективных пространственных конструкций (в т. ч. из тонколистовой стали) позволят значительно снизить вес зданий и сооружений.

Основная область применения каменных конструкций -- стены и перегородки. Здания из кирпича, природного камня, мелких блоков и т.п. в меньшей степени удовлетворяют требованиям индустриального строительства, чем крупнопанельные. Поэтому их доля в общем объёме строительства постепенно снижается. Однако применение высокопрочного кирпича, армокаменных и т. н. комплексных конструкций (каменных конструкций, усиленных стальной арматурой или железобетонными элементами) позволяет значительно увеличить несущую способность зданий с каменными стенами, а переход от ручной кладки к применению кирпичных и керамических панелей заводского изготовления -- существенно повысить степень индустриализации строительства и снизить трудоёмкость возведения зданий из каменных материалов.

Основное направление в развитии современных деревянных конструкций -- переход к конструкциям из клеёной древесины. Возможность индустриального изготовления и получения конструктивных элементов необходимых размеров посредством склеивания определяет их преимущества по сравнению с деревянными конструкциями др. видов. Несущие и ограждающие клеёные конструкции находят широкое применение в с.-х. строительстве.

В современном строительстве значительное распространение получают новые типы индустриальных конструкций -- асбестоцементные изделия и конструкции, пневматические строительные конструкции, конструкции из лёгких сплавов и с применением пластических масс. Их основные достоинства -- низкая удельная масса и возможность заводского изготовления на механизированных поточных линиях. Лёгкие трёхслойные панели (с обшивками из профилированной стали, алюминия, асбестоцемента и с пластмассовыми утеплителями) начинают применяться в качестве ограждающих конструкций взамен тяжёлых железобетонных и керамзитобетонных панелей.

Разделение строительных конструкций по функциональному назначению на несущие и ограждающие в значительной мере условно. Если такие конструкции, как арки, фермы или рамы, являются только несущими, то панели стен и покрытий, оболочки, своды, складки и т. п. обычно совмещают ограждающие и несущие функции, что отвечает одной из важнейших тенденций развития современных строительных конструкций. В зависимости от расчетной схемы несущие строительные конструкции подразделяют на плоские (например, балки, фермы, рамы) и пространственные (оболочки, своды, купола и т. п.). Пространственные конструкции характеризуются более выгодным (по сравнению с плоскими) распределением усилий и, соответственно, меньшим расходом материалов. Однако их изготовление и монтаж во многих случаях оказываются весьма трудоемкими. Новые типы пространственных конструкций, например структурные конструкции из прокатных профилей на болтовых соединениях, отличаются как экономичностью, так и сравнительной простотой изготовления и монтажа. По виду материала различают следующие основные типы строительных конструкций: бетонные и железобетонные, стальные, каменные, деревянные.

Бетонные и железобетонные конструкции -- наиболее распространенные как по объему, так и по областям применения. Для современного строительства особенно характерно применение железобетона в виде сборных конструкций индустриального изготовления, используемых при возведении жилых, общественных и производственных зданий и многих инженерных сооружений. Рациональные области применения монолитного железобетона: гидротехнические сооружения, дорожные и аэродромные покрытия, фундаменты под промышленное оборудование, резервуары, башни, элеваторы и т.п. Специальные виды бетона и железобетона используют при строительстве сооружений, эксплуатируемых при высоких и низких температурах или в условиях химически агрессивных сред (тепловые агрегаты, здания и сооружения черной и цветной металлургии, химической промышленности и др.). Применение высокопрочных бетонов и арматуры, рост производства предварительно напряженных конструкций, расширение областей использования легких и ячеистых бетонов способствуют уменьшению массы, снижению стоимости и расхода материалов в железобетонных конструкциях.

Стальные конструкции применяются главным образом для каркасов большепролетных зданий и сооружений, для цехов с тяжелым крановым оборудованием, домен, резервуаров большой емкости, мостов, сооружений башенного типа и др. Области использования стальных и железобетонных конструкций в ряде случаев совпадают. При этом выбор типа конструкций производится с учетом соотношения их стоимостей, а также в зависимости от района строительства и местонахождения предприятий строительной индустрии. Существенное преимущество стальных конструкций по сравнению с железобетонными -- их меньшая масса. Этим определяется целесообразность их применения в районах с высокой сейсмичностью, труднодоступных областях Крайнего Севера, пустынных и высокогорных районах. Расширение объемов использования сталей высокой прочности и экономичных профилей проката, а также создание эффективных пространственных конструкций, в том числе из тонколистовой стали, позволят значительно снизить вес зданий и сооружений.

Основная область применения Каменных конструкций -- стены и перегородки. Здания из кирпича, природного камня, мелких блоков и т. п. в меньшей степени удовлетворяют требованиям индустриального строительства, чем крупнопанельные здания. Поэтому их доля в общем объеме строительства постепенно снижается. Однако использование высокопрочного кирпича, армокаменных и комплексных конструкций (каменных конструкций, усиленных стальной арматурой или железобетонными элементами) позволяет значительно увеличить несущую способность зданий с каменными стенами, а переход от ручной кладки к применению кирпичных и керамических панелей заводского изготовления -- существенно повысить степень индустриализации строительства и снизить трудоемкость возведения зданий из каменных материалов.

Основное направление в развитии современных деревянных конструкций -- переход к конструкциям из клееной древесины. Возможность индустриального изготовления и получения конструктивных элементов необходимых размеров посредством склеивания определяет их преимущества по сравнению с деревянными конструкциями других видов. Несущие и ограждающие клееные конструкции находят широкое применение в сельском строительстве.

В современном строительстве значительное распространение получают новые типы индустриальных конструкций -- асбестоцементные изделия и конструкции, пневматические строительные конструкции, Конструкции из легких сплавов и с применением пластических масс. Их основные достоинства -- низкая удельная масса и возможность заводского изготовления на механизированных поточных линиях. Легкие трехслойные панели (с обшивками из профилированной стали, алюминия, асбестоцемента и с пластмассовыми утеплителями) применяют в качестве ограждающих конструкций вместо тяжелых железобетонных и керамзитобетонных панелей.

С точки зрения эксплуатационных требований строительные конструкции должны отвечать своему назначению, быть огнестойкими и коррозиеустойчивыми, безопасными, удобными и экономичными в эксплуатации. Масштабы и темпы массового строительства предъявляют к строительным конструкциям требования индустриальное их изготовления (в заводских условиях), экономичности, удобства транспортировки и быстроты монтажа на строительном объекте. Особое значение имеет снижение трудоемкости как при изготовлении строительных конструкций, так и в процессе возведения зданий и сооружений. Одна из важнейших задач современного строительства -- снижение массы строительных конструкций на основе широкого применения легких эффективных материалов и совершенствования конструктивных решений.

При проектировании того или иного здания (сооружения) оптимальные типы строительных конструкций и материалы для них выбираются в соответствии с конкретными условиями строительства и эксплуатации здания, с учетом необходимости использования местных материалов и сокращения транспортных расходов. При проектировании объектов массового строительства, как правило, применяются типовые строительные конструкции и унифицированные габаритные схемы сооружений.