Общие сведения об инженерных конструкциях

Инженерными конструкциями называют конструкции сооружений, размеры которых определены расчетом на прочность, устойчивость, выносливость, трещиностойкость и по деформациям. Они предназначены для восприятия разнообразных нагрузок и воздействий. Инженерные конструкции отличаются от архитектурных конструкций, размеры сечений которых назначены по архитектурным, технологическим и другим специальным требованиям. Инженерные конструкции изготавливают из металла: стали и алюминия, бетона, железобетона, дерева, пластмасс и тканей.

Дисциплина "Инженерные конструкции" главным образом базируются на выводах строительной механики, являясь ее прямым продолжением и конкретизации в определенных материалах - металле, древесине, бетоне, камне, пластмассах и соответствии с этим она традиционно разветвляется на три главных направления: металлические конструкции, конструкции из дерева и пластмасс, бетонные и железобетонные конструкции.

Инженерные конструкции могут различаться и по другим признакам:

· по назначению: на несущие, ограждающие и совмещенные;

· по форме: на плоские (балки, фермы, арки, рамы) и пространственные (купола, оболочки и др.), при этом они могут быть безраспорными или распорными, сплошными (сплошностенчатыми) или решетчатыми (сквозными, сетчатыми) (табл. 1.1.);

· по способу изготовления: на индустриальные (заводского изготовления) и построечного типа (изготовляемые непосредственно на стройплощадке).

Несущими называют конструкции, воспринимающие нагрузки и воздействия, обеспечивающие прочность, жесткость и устойчивость здания и сооружения. К ним относятся оконные и дверные перемычки в каменных зданиях, плиты перекрытий и покрытий, колонны, балки, рамы, арки, фермы и т.д.

Ограждающими называют конструкции, изолирующие внутренние объемы зданий внешней среды или разделяющие их между собой. К ним относят: перегородки, самонесущие внутренние и наружные стены, окна, двери, ворота. Некоторые конструкции совмещают одновременно несущие и ограждающие функции, например, простенки каменного заполнения несущих стен и др.

Плоские конструкции отличаются от пространственных тем, что основные несущие элементы лежат в одной плоскости и внешние силы приложены именно в этой плоскости.

В пространственных конструкциях усилия от внешних сил передаются в трехмерном пространстве.

Инженерные конструкции зданий и сооружений подвержены различным внешним воздействиям. К ним относят: нагрузки от собственной массы, нагрузки при транспортировке, изготовлении и монтаже, от ветра, снега, технологического оборудования людей и т.д. Кроме того, конструкции подвержены температурным, сейсмическим воздействиям, воздействиям от осадок фундаментов и др.

При воздействии всех перечисленных факторов конструкции должны обеспечить прочность, жесткость и устойчивость здания или сооружения в целом. В железобетонных конструкциях, кроме того, должна быть обеспечена соответствующая трещиностойкость.

Под прочностью понимают способность конструкций воспринимать нагрузки и воздействия, не разрушаясь.

Жесткость - это способность конструкций или сооружения в целом сопротивляться деформациям, т.е. изменению формы и размеров под действием нагрузок.

Трещиностойкость - способность железобетонных конструкций сопротивляться появлению или раскрытию в них трещин при действии нагрузок. Конструкции рассчитывают для того, чтобы обеспечить безопасные и нормальные условия их эксплуатации при наиболее экономичных размерах. Этого можно добиться только при соблюдении требований, предъявляемых к ним.

Требования, предъявляемые к конструкциям, могут быть сведены к пяти основным видам - технические, технологические, эксплуатационные, эстетические и экономические.

Технические требования характеризуются прочностью, жесткостью и устойчивостью конструкций за весь период их возведения и эксплуатации.

Технологические требования - простота изготовления.

Эксплуатационные требования - надежность, удобство и простота в эксплуатации конструкций.

Архитектурные и эстетические требования определяют сочетание внешнего вида здания или сооружения, его конструктивных элементов с функциональным назначением и с внешней средой.

Экономические требования определяют минимум затрат на возведение и эксплуатацию конструкций.

Выбор конструкций и материалов должен производиться на основе анализа, технико-экономической целесообразности применения проектных решений в конкретных условиях строительства.

1.2. Историческая справка. Вклад отечественных инженеров и ученых в теорию и практику инженерных конструкций

Древесина - естественный старейший строительный материал. Первые конструкции и сооружения были выполнены из дерева: дома, мосты, оборонительные сооружения, корабли и т.д. Но как о произведениях инженерного искусства можно начинать с древнеримских мостов. Пролеты достигали 40 м. Проекты мостов были выполнены и опережали свое время. В XIX веке: предложен арочный мост пролетом 300 м через Неву И. П. Кулибина (1761 балочный мост пролетом 100 м через Рейн (1756-1758). Построен шпиль колокольни церкви Св.Петра в Риге высотой 130 м был возведен в 1666 г. Р. Бинденшу).

В ХVIII веке в России строят первые сооружения из дерева: башня Адмиралтейства (1738) высотой 72 м, шпиль колокольни Петропавловского собора (1703-1710) высотой 118 м. Все сооружения выполнены без предварительных расчетов, т.е. интуитивно, и можно поражаться мастерству «самоучек». До середины ХIХ века дерево было практически единственным универсальным материалом массового применения для перекрытий больших пролетов. Однако дерево постепенно стало уступать главенствующую роль железу (чугуну и стали) и к началу XX века было почти полностью вытеснено из сферы инженерных конструкций.

" Второе рождение " деревянных конструкций пришлось на 20 -е годы прошлого столетия, в связи с острым дефицитом металла. В этот период были построены 100 метровые тонкостенные и ребристые своды-оболочки и градирни на гвоздевых соединениях (своды Шухова-Брода, гиперболические шуховские башни, купола цирков, железнодорожные мосты пролетов до 43 м. и другие).

В послевоенные годы древесина как строительный материал во второй раз за свою историю было вытеснена железобетоном и сталью, так как конструкции из этих материалов удовлетворяли требованиям индустриализации, тогда как деревянные конструкции все еще оставались на уровне построечного способа изготовления. В этот период в среде архитекторов и инженеров укоренилось отрицательное в целом отношение к древесине как к конструкционному материалу. Отмечались его недостатки: непригодность для заводского изготовления, малая прочность, недолговечность, пожарная опасность.

Современные средства защиты древесины от гниения (антисептики), и возгорания (антипирины) позволяют гарантировать сохранность древесины от гниения до 30 лет. Применение клееных пакетов позволяет древесине приобрести новые качества. В ряде случаев клееные деревянные конструкции оказываются более экономичными, чем железобетонные или стальные.

Металл (а именно железо) - первый искусственный материал в строительстве и архитектуре.

Первые конструкции из металла появились еще до нашей эры. Так, в IV веке до н.э. были найдены колонны в Индии, в 125 г.. до н.э. в Риме был обнаружен Пантеон с куполом диаметром 43 м.

В эпоху Возрождения металлические конструкции применяются в виде поддерживающих каркасов и других элементов, выполненных из кованых брусков. В ХVII веке кованые бруски сваривались кузнечной сваркой или соединялись на клиньях. В этот период появляются теоретические исследования в области сопротивления материалов, формулируется закон Гука (1678 г.), закон механики Ньютона (1687 г.).

В ХVIII веке более всего применяются конструкции из чугуна. Россия выходит на первое место по производству чугуна. Первые чугунные конструкции перекрытий появились на Урале (перекрытие крыльца Невьянской башни). Разрабатываются проекты чугунных мостов, совершенствуется методика расчета конструкций, закладываются основы теории кручения и механики сооружения. В 1720 году Вариньон формулирует теорию 3-х моментов, в 1744 г. Эйлер разрабатывает теорию продольного изгиба.

В конце XVIII в. создается метод пудлингового получения железа, этот период можно считать началом применения металлических (железных) конструкций в зданиях и сооружениях.

В начале XIX веке в Англии были применены зетовые профили, позднее осуществили прокат двутавровых: балок. В России в 40х годах XIX века был освоен прокат профильного и листового металла. Во 2-й половине XIX века чугунные конструкции достигли совершенства: создано такое крупное сооружение, как арочный мост из чугунных двутавровых балок через реку Неву в Петербурге (автор С.В. Кербедз), который эксплуатировался до 40-х годов XX столетия. Важнейшим событием этого периода стало возведение Бруклинского моста пролетом 488 м.

В 1856 г. открыт бессемеровский, в 1864 г. - мартеновский и в 1878 г. томасовский способы производства стали. Чугун уступает место новому материалу более технологичному и надежному в эксплуатации. Наступает переломный этап в развитии металлоконструкций.

Появление нового материала - стали стимулировало развитие методов расчета конструкций. Работы Л. Навье, Э. Винклера, О.Мора, Д.И. Журавского, Ф.С.Ясинского, Н.А. Белелюбского, В.Г.Шухова и многих других позволили создать стройную методику расчета. Этот период следует считать началом возникновения науки о металлических конструкциях.

Неоценим вклад в развитие металлоконструкций В.Г.Шухова (1853-1939). Ему принадлежит приоритет создания совершенно новых конструктивных форм покрытий (рис.1.1): сетчатых двоякой кривизны (1898), висячих (1896), сводов с веерообразным расположением затяжек в торговых рядах в Москве (1893). Знаменитые гиперболические шуховские башни использовались как маяки, водонапорные башни (радиобашня высотой 148 м в Москве на Шаболовке).

Основателем советской отечественной школы металлических конструкций считается Н.С. Стрелецкий (1885-1967). Он разработал основные критерии оценки их прочности и надежности, получившие выражение в создании методики расчета по предельным состояниям.

В настоящее время построены уникальные сооружения: Останкинская башня в Москве высотой 535 м, мосты в Японии пролетом 2500 м, высотные здания высотой 620 м в Канаде и др.

Большую роль в создании многих прогрессивных зданий и сооружений сыграли наши соотечественники: Е.О.Патон, Н.С.Стрелецкий,, Н.Д. Жудин, С.А. Ильясевич, Г,Д. Попов, В.М. Вахуркин и др.

Железобетон - сравнительно новый строительный материал. Первые простейшие конструктивные элементы из железобетона в виде плит, балок, колонн, сводов начинают применяться в строительстве с 60-х годов XIX в. сначала во Франции, а затем - в Германии. В 80-х годах отмечено применение

 

Рис. 1.1. Конструкции В.Г.Шухова

а - башня маяка в Николаеве;.

б - круглый диаметром 68 м павильон висячей конструкции на Нижегородской выставке (1896);

в - прямоугольный 30x79 м висячей конструкции на Нижегородской выставке (1896).

 

Рис. 1.2. Конструкции В.Г.Шухова.

г - овальный 51x98 м павильон висячей конструкции на Нижегородской выставке (1896); д - висячее покрытие шлам бассейна в Еманжелинске;

е - сетчатая оболочка двоякой кривизны; ж - деревянный дощатый свод (Нижний Новгород, 1896);

1,2,3 – деревянные элементы покрытия, 4 – металлические тяжи.

первых железобетонных конструкций в России. В 1904 г. в Николаеве был построен 1-й в мире железобетонный 36 метровый маяк. В 1909 г. проф. А.Ф. Лолейт применил изобретенное им безбалочное железобетонное перекрытие.

Теоретические основы железобетона разрабатывали во Франции А. Консидер к Ф. Геннебик, в Германии – М. Кенен и Э. Мерш. Развитию железобетона в России способствовали публичные испытания проф. Н.А. Белелюбского в Петербурге (1891) и инж. А.С. Кудашева в Киеве (1898-1899).

Применение железобетона в больших объемах в СССР было связано с гидротехническим строительством: Волховская ГЭС (1921-1926), Днепрогэс (1927-1932) и др. Послевоенный период отличается широким внедрением сборного железобетона. Предварительно напряженный сборный железобетон впервые в мире появился в СССР.

В 1925-1932 г.г. советские ученые В.М. Келдыш, АФ. Лолейт, А.А. Гвоздев, П.Л. Пастернак и др. разработали экспериментальные методы общего расчета статически неопределимых стержневых систем (арок и рам), что позволило спроектировать и построить много уникальных: зданий из железобетона.

Железобетон стал основой капитального строительства, он успешно применяется в массовом гражданском, промышленном и сельскохозяйственном строительстве, в мостостроении, в гидротехническом строительстве и в др. областях.