2.2 Конспект лекционных занятий

Тема занятия 1. Вводная лекция по дисциплине.

Классификация строительных конструкции в зависимости от применяемых материалов.

К строительным (иногда называется инженерным) относятся те несущие конструкции промышленных и гражданских зданий и инженерных сооружений, размеры сечений которых определяется расчетом. Этим строительные конструкции отличаются от архитектурных конструкций (частей здания), размеры сечений которых назначаются из архитектурных, теплотехнических или других специальных требований.

Строительные конструкции разделяют на металлические, каменные, бетонные и железобетонные, конструкции из дерева и пластмасс.

История развития строительных конструкций.

История развития строительных конструкции связана с развитием производственных сил общества.

Каменные конструкции – наиболее древние конструкции. В течение многих веков основным строительным материалом был камень. Позже стали применять естественный камень, кирпич-сырец, обожженный кирпич.

Большую роль в развитии теории и практики каменного строительства сыграли работы советских ученых, были получены разносторонние сведения о прочности и деформативности, появились новые виды искусственных камней, а также армирование кирпичной кладки и комплексные конструкции (усиленные железобетоном).

Широкое распространение получили облегченные каменные кладки, предложенные Н.С.Поповым, Н.М. Орлянкиным, С.А.Власовым и т.д.

В современном строительстве кирпич в основном применяется в качестве стеновых материалов, их целесообразно применять при нестандартном строительстве, для возведения нетиповых частей зданий.

Деревянные конструкции. Простейшие деревянные конструкции применялись наряду с каменными конструкциями. Техника их выполнения совершенствовались по мере развития производственных сил.

Деревянные конструкции широко применялись в инженерных сооружениях: плотинах, шлюзах, мостах, а также при строительстве промышленных зданий.

В развитие деревянных конструкции большой вклад внесли русские ученые Д.И. Журавский, В.Г.Шухов, советские ученые Г.Г. Карлсен, Ю.М.Иванов, А.Б.Губенко, В.В.Большаков и т.д.

В современных условиях наиболее совершенными деревянными конструкциями являются клееные конструкции заводского изготовления. В районах, где древесина является местным материалом, деревянные конструкции успешно применяется для строительства жилых, сельскохозяйственных зданий, а также инвентарных подвижных и сборно-разборных зданий.

В современном строительстве получили широкое распространение пластмассовые, пневматические и пленочно-каркасные конструкции. Для их изготовления используются стеклопластики, органическое стекло, синтетические клеи, пленки, воздухонепроницаемые ткани и др. Применение этих конструкций дает возможность возводить оболочки, складки, купола, вантовые конструкции больших пролетов.

Металлические конструкции. Металл впервые был применен в ХII веке в качестве затяжек и скреп в каменных сводах, арках и т.д. Обыкновенное железо разогревали и отковывали в виде полос, затем сваривали кузнечным способом.

В XYIII веке появились чугунные конструкции. Чугунные элементы соединяли на замках или болтами. Позже стали применяться чугунно-железные фермы, в которых верхний пояс и сжатые элементы делались из чугуна, нижний пояс и растянутые элементы – из железа, стали развиваться рамно-арочная конструкция, металлические мостостроение в связи с ростом сети железных дорог.

Основателями русской школы мостостроения являются выдающиеся ученые: Н.А. Белелюбский, Л.Д. Проскурянов, Д.И. Журавский, В.Г. Шухов, Н.С. Стрелецкий и др.

В современном строительстве металлическую конструкцию применяют в сооружениях с большими пролетами и высотами, а также в специальных сооружениях (мачта, башня, резервуары), где они оказываются экономически более эффективными, чем конструкции из других материалов.

Простейшие стальные конструкции- балки, колонны, фермы- целесообразны при возведении отдельных объектов нетипового строительства, при устройстве рабочих площадок для обслуживания технологического оборудования, при реконструкции существующих зданий и сооружений.

Дальнейшие совершенствование металлических конструкции связано с внедрением сталей повышенной и высокой прочности, легких алюминиевых сплавов, новых типов профилей и методов сварки, предварительного напряжения конструкций.

Железобетонные конструкции. Их начали применять со второй половины XIX века в связи с развитием промышленности и транспорта. Первые железобетонные конструкции- плиты, балки, колонны - появились почти одновременно в несколько развитых странах (Англия, Франция, Германия, США). В России железобетон применяется с 1886 года.

Благодаря работу проф. Белелюбского Н.А. железобетон получил широкое распространение в строительстве железнодорожных сооружений, шоссейных дорог, в промышленным и гражданском строительстве.

Развитию и внедрению расчета сечений по методу предельных состояний посвящены труды советских ученых- Н.С.Стрелецкого, А.А.Гвоздева, В.М.Келдыша, К.В. Сахновского и др.

В современных условиях сборный и монолитный железобетон с ненапрягаемой и предварительно напряженной арматурой является основным материалом капитального строительства. Применение железобетона для строительства дает возможность экономить сталь, являющуюся наиболее дефицитным материалом.

Расчет конструкций по предельным состояниям.

Строительную конструкцию рассчитывают для того, чтобы обеспечить безопасность, надежность и долговечность их эксплуатации под нагрузкой. Задача расчета - определение усилии от действующих нагрузок, подбор поперечного сечения, требуемое количество арматуры (в железобетонных элементах), размеры соединительных и закладных деталей (в металлических конструкциях) и других данных.

Строительную конструкцию рассчитывают по методу предельных состояний. Под предельным понимают такое состояние конструкции, после достижения которого ее дальнейшая эксплуатация невозможно.

В расчетах конструкций учитывают 2 группы предельных состояний:

первая группа - по потери несущей способности или непригодности к эксплуатации;

вторая группа – по непригодности к нормальной эксплуатации, то есть эксплуатация, осуществляемая в соответствии с предусмотренными в нормах или заданиях на проектирование технологическими и бытовыми условиями.

К предельным состоянием 1-ой группы относятся: общая потеря устойчивости формы; потеря устойчивости положения; хрупкое, вязкое, усталостное разрушение; разрушение под совместным воздействием силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды; резонансные колебания и т.д.

К предельным состоянием 2-ой группы относятся состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций и оснований или снижающие долговечность их вследствие появления недопустимых перемещений, колебаний и т.д.

Появление трещин и их раскрытие проверяют только в железобетонных и каменных конструкциях. В металлических и деревянных конструкциях недопустимо появление любых трещин, они со временем развиваются и приводят к разрушению конструкций.

Классификация нагрузок и воздействий.

Основное назначение несущих строительных конструкций - восприятие действующих на них эксплуатационных нагрузок.

По времени продолжительности действия нагрузки делят на постоянные и временные. В свою очередь, временные нагрузки делят на длительные, кратковременные и особые.

К постоянным нагрузкам относятся: масса несущих и ограждающих конструкций; масса и давление грунтов; воздействие предварительного напряжения конструкций.

К длительным нагрузкам относятся: масса стационарного оборудования; масса жидкостей, давление газов, заполняющих оборудования; нагрузки на перекрытия складских помещений; температурные воздействие и т.д.

К кратковременным нагрузкам относятся: нагрузка от подъемно-подвижного транспорта; масса людей; нагрузки, возникающие при перевозке и монтаже конструкций; снеговые и ветровые нагрузки.

К особым нагрузкам относятся: сейсмические и взрывные воздействия, нагрузки вызываемые с резким нарушением технологического процесса.

Установленные нормами наибольшее значения нагрузок, которые могут действовать на конструкцию при ее нормальной эксплуатации, называют нормативными. Фактическая нагрузка, которые действуют на конструкцию, обладают определенной изменчивостью и может отличаться от нормативной в большую или меньшую сторону. Это отклонение учитываются коэффициентом надежности по нагрузке . Расчетная нагрузка определяется как: .

Расчет конструкции производится на расчетные нагрузки. При расчете по первой группе предельных состояний принимают: для постоянных нагрузок =1,1…1,3; для временных =1,2…1,6; при расчете на устойчивость положения . Расчет конструкции по второй группе предельных состояний производят на расчетные нагрузки =1, т.е. расчетную нагрузку принимают равным нормативным значениям.

Здания и сооружения подвергаются одновременную действию различных нагрузок, поэтому их расчет производится на сочетание нагрузок. В зависимости от состава учитываемых нагрузок различают следующие сочетания:

основные сочетание, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок;

особые сочетание, состоящие из постоянных, длительных, возможных кратковременных и одной из особых нагрузок.

Вероятность одновременного появления наибольших нагрузок или усилий учитываются коэффициентами сочетания и .

Нормативные и расчетные сопротивления материалов.

Установленные нормами предельные значения напряжений в материале называют его нормативным сопротивлением (МПа). Нормативное сопротивление является основной характеристикой сопротивления материалов силовым воздействиям. Возможное отклонение сопротивлений материалов в неблагоприятную сторону от нормативных значений учитывают коэффициентами безопасности по материалу . Расчетным сопротивлением материала называется сопротивление, принимаемое при расчетах конструкций и получаемое делением нормативного сопротивления на коэффициент безопасности по материалу , т.е. . Значения нормативных и расчетных сопротивлении для разных материалов приводятся в нормативных документах.

При расчете строительных конструкций в необходимых случаях расчетные сопротивления материалов берется с учетом коэффициента условий работы и коэффициента надежности . Коэффициент условий работы учитывают влияние: температуры, влажности, агрессивности среды, длительность воздействия, многократности повтора нагрузок и др. Коэффициент введет в расчет при недостаточной изученности действительной работы и предельных состоянии отдельных видов конструкций и оснований. Численные значения этих коэффициентов приводятся в нормативных документах.

Структура расчетных формул строительных конструкций.

При расчете конструкции по 1-ой группе предельных состоянии условия прочности элемента записывают в общем виде неравенством:

где - усилие в сечении ;

- расчетная несущая способность сечения, являющаяся функцией геометрических размеров и упругопластических свойств сечения , нормативных сопротивлений материалов , коэффициента безопасности по материалу , коэффициента условий работы , коэффициента надежности .

Если условие соблюдается, то считается, что прочность конструкции обеспечена.

Расчет конструкций по предельным состоянием 2-ой группы должен гарантировать сохранение эксплуатационных качеств конструкций с учетом изменчивости прочностных и деформативных свойств материалов. Деформации рассчитывают по нормативным нагрузкам (при =1), по этим расчетом требуется, что прогибы от нормативной нагрузки не превышали предельных значений прогибов , установленных нормами для данного конструктивного элемента, т.е. .

Основная литература: 2[4-13], 4[151-163].

Контрольные вопросы:

1. Каковы основные требования, предъявляемые к строительным конструкциям?

2. Сущность метода расчета строительных конструкций?

3. Что должен обеспечивать расчет конструкций по предельным состоянием первой группы?

4. Что должен обеспечивать расчет конструкций по предельным состоянием второй группы?

5. Как классифицируют нагрузки, действующие на конструкции?

6. Как определяют величины нормативных и расчетных нагрузок?

7. Как записывается основная формула метода предельных состояний для предельных состояний первой и второй групп?

8. Какими величинами, и по каким требованиям ограничиваются прогибы конструкций?

Железобетонные конструкции.

Тема занятия 2. Физико-механические свойства бетона и арматуры.

Сущность железобетона. Бетон, как показывают опыты, хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже растяжению, поэтому включение стальной арматуры в растянутую зону элементов существенно повышает их несущую способность. Например, прочность железобетонной балки по сравнению бетонной (неармированной) балкой возрастают в 15-20 раз. Сталь имеет высокие сопротивление не только растяжению, но и сжатию и включение ее в бетон в виде арматуры сжатого элемента заметно повышает его несущую способность.

Совместная работа бетона и арматуры. Совместное сопротивление бетона и стальной арматуры внешним нагрузкам обусловливаются выгодным сочетанием физико-механических свойств этих материалов, а именно:

при твердении бетона между ним и стальной арматурой возникают значительные силы сцепления, вследствие чего в железобетонных элементах оба материала деформируется под нагрузкой совместно;

плотный бетон защищает включенную в нем стальную арматуру от коррозии, а также предохраняет ее от непосредственного действия огня;

сталь и бетон обладают близкими по значению коэффициентами линейного расширения, поэтому при изменениях температуры в пределах до 100⁰ С в обоих материалах возникают несущественные начальные напряжения и скольжения арматуры не наблюдается.

Железобетону присуще образование трещин в бетоне в растянутых зонах конструкций даже при эксплуатационных нагрузках небольшой интенсивности. Раскрытие этих трещин во многих случаях невелико и не мешает нормальной эксплуатации конструкций. Однако в определенных условиях необходимо предотвратить образование таких трещин или ограничить ширину их раскрытия. Для этого до приложения нагрузки бетон растянутых зон подвергают предварительному интенсивному обжатию посредством растяжения рабочей арматуры. Такой железобетон называют предварительно напряженным.

Достоинства и недостатки железобетона.

К основным преимуществом железобетона относятся: огнестойкость, долговечность, высокая механическая прочность, хорошая сопротивляемость сейсмическим и другим динамическим воздействиям, малые эксплуатационные расходы, хорошая сопротивляемость атмосферным воздействиям, возможность использования местных материалов. Недостатки железобетона: большая плотность, высокая тепло- и звукопроводность, трудоемкость переделок и усилений; необходимость выдержки до приобретения прочности, появление трещин вследствие усадки и силовых воздействий.

Области применения и способы возведения железобетонных конструкций.

Железобетон применяют в самых разнообразных отраслях строительства: промышленное, гражданское и сельскохозяйственное строительства; транспортное, энергетическое и гидромелиоративное строительство, а также горная промышленность.

По способу возведения различают: железобетонные конструкции сборные, изготовляемые преимущественно на заводах и затем монтируемые на строительных площадках; монолитные, полностью возводимые на месте строительства; сборно-монолитные, в которых рационально сочетается использование сборных железобетонных элементов заводского изготовления и монолитных частей конструкций. В последние время монолитный бетон с каждым годом получает все большее признание и производства конструкций и сооружений из такого бетона в значительной степени индустриализовано.

Бетон для железобетонных конструкции.

Классификация бетонов. Бетон для железобетонных конструкций должен обладать необходимой прочностью, хорошим сцеплением с арматурой, достаточной плотностью для защиты арматуры от коррозии. В зависимости от назначения сооружения бетон также должен удовлетворять специальным требованиям: морозостойкости, жаростойкости при длительном воздействии высоких температур, коррозионной стойкости при агрессивном воздействии среды, водонепроницаемости и др.

Бетоны классифицируют по следующим признакам: основному назначению - конструкционные, специальные; по виду вяжущего – цементные, силикатные, шлаковые и т.д.; по виду заполнителей – плотные, пористые, на специальных заполнителях; по структуре – плотные, поризованные, ячеистые, крупнопористые.

Структура бетона. Прочность и деформативность бетона в значительной степени зависят от его структуры. Как известно из курса строительных материалов, бетон является весьма неоднородным. Он представляет собой капиллярно-пористый материал, в котором нарушена сплошность и присутствует все три фазы- твердая, жидкая и газообразная. Структуру бетона можно представить в виде пространственной решетки из цементного камня, состоящего из геля и кристаллических сростков, заполненных зернами песка и щебня, пронизанной большим количеством микропор и капилляров, содержащих химически несвязанную воду, водяные пары и воздух.

Неоднородность и дефективность бетона носит случайный характер. Поэтому механические свойства бетона целесообразно оценивать с точки зрения вероятностного подхода и описания его напряженно-деформированного состояния.

В сжатом неоднородном теле нагрузка создает сложное напряженное состояние. Напряжение концентрируется на более жестких частицах. В этом случае происходит концентрация напряжений в местах, ослабленных пустотами и порами. Из теории упругости известно, что вокруг отверстий в материале, подвергнутом сжатию, возникают не только напряжения сжатия, но и напряжения растяжения, действующие по площадкам, параллельным сжимающей силе.

Растягивающие напряжения, суммируясь, достигают значительных величин, вызывая разрушение сжимаемого образца вследствие разрыва бетона в поперечном направлении.

Прочность бетона: кубиковая и призменная прочность.

Кубиковой прочностью бетона называют временное сопротивление сжатию бетонных кубов. При осевом сжатии кубы разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Силы трения, возникающие по опертым граням, оказывают ощутимое влияние на кубиковую прочность вследствие того, что они препятствуют развитию свободных поперечных деформаций. Влияние сил трения по мере удаления от этих граней уменьшается, поэтому после разрушения куб приобретает форму четырех усеченных пирамид. Если устранить влияние сил трения (смазкой контактных поверхностей), трещины разрыва становятся вертикальными, параллельными действию сжимающей силы и сопротивление куба значительно уменьшится. Согласно стандарту, кубы испытывают без смазки поверхностей, вследствие чего их прочность зависит от размеров кубов. Так, если прочность куба с ребром 15 см принять за , то кубы с ребром 10 см покажут прочность 1,12 , а с ребром 20 см- 0,93 .

Кубиковая прочность непосредственно в расчетах не используется, а служат только для контроля качества бетона.

Призменной прочностью называют временное сопротивление сжатию бетонных призм. Она является основной расчетной характеристикой прочности бетона сжатых элементов. Призменная прочность меньше кубиковой. Опыты показывают, что с увеличением высоты призмы влияние сил трения на прочность уменьшается и при отношении оно практически становится равным нулю, а значение становится постоянным и равным примерно 0,75 .

Прочность бетона на растяжение.

Прочность бетона на растяжение зависит от прочности цементного камня. При растяжении прочность бетона в 10-20 раз меньше прочности на сжатие. Связь между временным сопротивлением бетона на сжатие и растяжение может быть выражена формулами:

.

Опытным путем определяют испытаниями на разрыв образцов в виде восмерок, на раскалывание цилиндрических образцов или на изгиб бетонных балок.

Прочность бетона на срез.

В реальных конструкциях срез в чистом виде не встречается. Прочность бетона на срез в 1,5-2 раза больше, чем его прочность на растяжение. Объясняется это сопротивлением зерен крупного заполнителя срезывающим усилиям.

Значения временного сопротивления не нормируется, однако при необходимости оно может быть определено по эмпирической формуле:

.

Деформативность бетона.

При проектировании железобетонных конструкций помимо прочностных свойств необходимо учитывать и деформативные. Деформации бетона бывают двух видов. Объёмные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки, изменения температуры и влажности и силовые, развивающиеся вдоль направления действия сил. В свою очередь силовые деформации подразделяются на три вида: при однократном кратковременном нагружении; длительном нагружении многократно-повторном действии нагрузки. Объёмные деформации. Различают деформации от изменения температуры и усадки бетона. Повышение или понижение температуры вызывает изменение объёма бетона. Деформации усадки и набухания. Свойство бетона уменьшаться в объёме при твердении в сухой среде называют усадкой, а при твердении во влажной среде бетон увеличивается в объёме – происходит набухание. Деформация усадки связана с потерей воды на испарение и на гидратацию цемента. Усадка тем больше, чем больше содержание в бетоне цемента, воды и чем ниже влажность окружающей среды. Деформация бетона при набухании значительно меньше, чем при усадке. Из-за неравномерного высыхания внутренние слои бетона препятствуют свободной усадке поверхностных слоёв, в результате чего поверхностные слои оказываются растянутыми, что может привести к возникновению усадочных трещин.

Силовые деформации. 1. Деформации при однократном кратковременном нагружении. При непрерывном нагружении испытываемого образца зависимость может быть представлена в виде плавной кривой (Рис 2.1.). Полная деформация бетона равна сумме деформаций, состоящей из упругой части и пластической т.е. . Упругие деформации бетона соответствуют мгновенной скорости нагружения образца, деформации неупругие развиваются во времени. При растяжении бетонного образца также возникает деформация складывающаяся из упругой и пластической деформации. При разгрузке в образце возникают остаточные деформации, которые со временем уменьшаются. Это явление называется упругим последствием. 2. Деформации при длительном действии нагрузки. При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона увеличиваются. Наибольшая интенсивность нарастания неупругих деформаций наблюдается в первые 3 – 4 месяца и может продолжаться несколько лет (Рис. 1.1.). На диаграмме рис.1.1. участок 0–1 характеризует деформации, возникающие при загружении; участок 1 – 2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном напряжении. Свойство бетона увеличивать неупругие деформации при длительном действии постоянной нагрузки называют ползучестью бетона. Различают ползучесть линейную и нелинейную. Линейная ползучесть имеет место при малых напряжениях и связана с перераспределением напряжений с гелевой составляющей цементного камня на заполнители. При в бетоне возникают микротрещины, линейная зависимость нарушается и наступает нелинейная ползучесть. С течением времени процесс перераспределения напряжений затухает и деформации ползучести прекращаются. Деформация ползучести увеличивается с уменьшением влажности среды, увеличением водоцементного отношения и количества цемента. Загруженный в раннем возрасте бетон обладает большей ползучестью, чем старый. С повышением прочности бетона и прочности заполнителей ползучесть уменьшается. Бетоны на пористых заполнителях обладают большей ползучестью, чем тяжёлые бетоны.

Рис. 2.1. Диаграмма зависимости  при сжатии и растяжении бетона