Строительные материалы в конструкциях зданий и сооружений

К конструкционным относятся такие материалы, которые имеют высокие прочностные характеристики, коэффициент размягчения, модуль упругости, технологичность в работе. К такимматериалам относят металлы (сталь, чугун, алюминий), бетон и железобетон, древесину, конструкционные пластмассы и ещё некоторыекомпозиции.

Металлические конструкции из стали применяют во всех видах зданий и инженерных сооружений, особенно при больших пролётах, большой высоте, нагрузках, при условии выполнения антикоррозионных требований.

 

7.1 Алюминиевые изделия

Имеют ограниченное применение в несущих конструкциях из-за недостаточной устойчивости под нагрузкой в связи с меньшим модулем упругости, существенным снижением прочности при повышенной температуре (уже выше 100ºС) и высоким тепловым расширением. Но зато они обладают большей коррозионной стойкостью, особенно модифицированные магнием и марганцем, холодостойки, не дают искры при ударе. Из этого металла производят панели наружных стен и покрытий, подвесные потолки, сборно-разборные и листовые конструкции. Используют алюминиевые изделия в большепролётных покрытиях только при строительстве цехов с агрессивной средой. В этом случае увеличивают размеры сечений конструктивных элементов, чтобы обеспечить необходимую жёсткость и устойчивость конструкций. Эти качества улучшаются при создании пространственных, в том числе стержневых висячих конструкций, гнутых элементов и гофрированных листов, выполняющих одновременно с ограждающими и силовые функции. Обладая высокими пластическими свойствами, алюминиевые заготовки легко штампуются, поддаются гофрированию, прессованию, используются в различных листовых и панельно-каркасных конструкциях. Стеновые и кровельные панели состоят из двух тонких гладких или профилированных листов, между которыми приклеивается утеплитель эпоксидным или каучуковым клеем. Толщина листов обшивки – 1-2,5 мм. Особенно эффективны ограждения производственных зданий из гладких преднапряженных алюминиевых листов с утеплителем из вспененного пенополиуретана и даже вспененного состава на основе битума. Сборно-разборные алюминиевые конструкции применяют для строительства производственных, жилых и общественных зданий в труднодоступных районах (рис.13). Масса зданий уменьшается в 20 раз, срок строительства – в 4 раза.

Рис. 13 – Направляющие профили

 

Изготавливают из алюминиевых сплавов ёмкости и резервуары для хранения агрессивных веществ: нефтепродуктов, кислот, сжиженных газов и др. Для транспортировки этих продуктов делают трубы напорные и безнапорные диаметром от 50 до 200 мм. При прокладке трубопровода в грунте его защищают от коррозии битумно-резиновой или полимерной мастикой.

Соединяют элементы алюминиевых конструкций аргонодуговой или электроконтактной сваркой, а также холодной клёпкой; на оцинкованных и кадмированных болтах, винтах, прокладках и на клею в болтовых соединениях, замках и защёлках.

 

7.2 Для стальных конструкций

 

Используют весь сортамент стали: листовую, профильную, трубы, профили разного назначения (оконные, дверные переплёты, крановые рельсы, оцинкованный профильный настил, стальные канаты, высокопрочная проволока для предварительно напряжённых конструкций и др.).

В зависимости от назначения и условий эксплуатации металлоконструкций применяют различные группы сталей, учитывающие их хладостойкость и коррозионную стойкость.

 

Рис. 14 – Строительство цеха из металлоконструкций

 

Основными конструктивными формами и назначением стальных конструкций являются: промышленные здания, каркасы и большепролётные покрытия общественных зданий, мосты и эстакады, башни и мачты, витражи, оконные и дверные заполнения. Рис. 14,15,16.

 

Рис. 15 – Виды металлических конструкций

 

В заводских условиях изготавливают фрагменты колонн, подкрановых и мостовых балок, ферм, прогонов, арок, цилиндрических и шатровых покрытий и других конструкций, которые затем укрупняются и монтируются на строительной площадке.

Рис. 16 – Эйфелева башня из металлоконструкций

 

7.3 Железобетонные конструкции

 

Изготавливают с обычной и предварительно напряжённой арматурой. Арматуру изготавливают в арматурно-сварочных цехах или на заводе в виде укрупнённых элементов – сварных сеток и блоков каркасов. Армирование осуществляют отдельными стержнями, сетками, пространственными каркасами, проволокой. Стержневую арматуру изготавливают гладкой (А-I) или периодического профиля (А-II, А-III, А-IV, А-V).

Предварительно напряжённые железобетонные конструкции более эффективны, чем обычные. В них полнее используется несущая способность арматуры и бетона, поэтому можно снизить массу изделия за счёт толщины или сечения изделия. Более того, предварительное обжатие бетона препятствует образованию трещин в растянутой зоне.

 

Рис. 17 – Железобетонные изделия

 

Железобетонные конструкции подразделяют на сборные (рис. 17) и монолитные. Сборными называют конструкции, изготовленные в специализированных цехах на заводах ЖБИ, транспортируемые в готовом виде на стройплощадку. Монолитными называют конструкции, бетонируемые на месте строительства.

На заводах ЖБИ и на стройплощадке для изготовления бетонной смеси должно быть специальное оборудование: точные дозаторы (по массе) для компонентов бетонной смеси, бетоносмесительные установки (гравитационные или с принудительным перемешиванием). Если бетонная смесь привезена на стройплощадку готовой, то на неё должен быть паспорт, в котором указана марка бетона (класс) и консистенция смеси (осадка конуса или жёсткость). Если бетонную смесь готовят на стройплощадке, то её консистенция должна соответствовать способу формования и подачи смеси к месту укладки.

Подача смеси на стройплощадке может осуществляться с помощью крана и бадьи, по трубам, лоткам, самосвалом, транспортёром и шлангом с помощью насосной техники. В условиях завода укладывает бетонную смесь в форму стационарный бетоноукладчик.

Смесь должна заполнить форму, быть однородной по всему сечению изделия и уплотнена.

Основным способом уплотнения бетонной смеси является вибрирование. Для каждой консистенции бетонной смеси есть своя оптимальная интенсивность вибрирования, которая достигается правильным сочетанием амплитуды, частоты колебаний и продолжительностью воздействия. На заводах вибраторы стационарные (вибростол), хотя иногда применяют и переносные. На стройплощадке – переносные.

При уплотнении жёстких бетонных смесей виброукладку дополняют нагрузкой. При наличии прессующего давления хорошо укладываются и формуются профилированные изделия коробчатого сечения или виброштампуют, например, лестничные марши. Для однотипных плоских изделий применяют вибропрокат; центробежный способ формования - для изготовления железобетонных труб, опор, полых колонн (рис. 18). Вибровакуумирование позволяет получить более плотную поверхность за счёт отсасывания из уложенной бетонной смеси 10-20% воды затворения с помощью вакуум-щитов, где создаётся разрежение. Этот способ уплотнения применяют для тонкослойных, тонкостенных изделий.

 

Рис. 18 – Изделия, полученные разными способами формования

 

После формования изделия должны твердеть, лучше всего – в нормальных условиях. На это потребуется, как минимум, неделя, поэтому твердение бетона интенсифицируют: ускоряют процессы гидратации вяжущего с помощью повышения температуры. Широко применяют методы тепловой обработки бетона с помощью паропрогрева в пропарочных камерах в условиях завода. На стройплощадке используют электроразогрев бетонной смеси с последующим утеплением в холодное время года – этот метод называют методом «термоса». Используют лучистую энергию, но этот метод эффективен для тонкостенных изделий. Применяют и химические добавки – ускорители твердения.

На заводах формуют сборные конструкции: фундаментные плиты, стены подвалов, панели наружных и внутренних стен, элементы каркаса и покрытий, междуэтажные перекрытия, перемычки, лестничные марши и др. Рис. 19.

 

Рис. 19 – Железобетонные конструкции для перекрытий

 

Монолитные конструкции возводят из тяжёлого и лёгкого бетонов. Стены жилых зданий – из лёгкого бетона, Несущие конструкции – из тяжёлого бетона, в особых случаях – из жаростойкого или кислотоупорного.

Бетонирование монолитных конструкций производят непрерывно или с перерывами, т. е. участками или блоками. Непрерывно необходимо бетонировать предварительно напряжённые конструкции, фундаменты, воспринимающие динамические нагрузки от оборудования. А такие массивные сооружения как: плотины, шлюзы, массивные фундаменты бетонируют блоками, разрезают рабочими швами для предупреждения температурных и усадочных напряжений.

Уход за бетоном начинают сразу после укладки и до достижения проектной прочности. Поверхность должна быть защищена от высыхания. В сухую погоду поддерживают высокую влажность, устраивают поливы водой, делают даже бортики для слоя воды на поверхности бетона до достижения 70% проектной прочности. В последнее время применяют плёнкообразующие составы, препятствующие испарению воды; укрывают изделия плёнками.

 

7.4 Деревянные конструкции

Строительный материал - древесина используется с глубокой древности. Высокий коэффициент конструктивного качества, прочность при растяжении и сжатии, водонепроницаемость, стойкость в агрессивных средах, декоративность и технологичность, возобновляемость ресурсов обеспечили деревянным конструкциям и изделиям достойное место среди современных строительных материалов. Склеивание древесины из бездефектных частей в специальные заготовки современными полимерными клеями даёт возможность получить композиционные материалы с прочностью, превышающей прочностные показатели рядовой древесины в 1,5-2 раза. Использование отходов деревообработки ещё более повышает экономическую эффективность древесины.

Ещё в ХII-ХIII веках на Руси были построены из древесины храмы, дворцы, мосты, крепости. В ХVII веке распространились брусчатые конструкции. Из такой конструкции в ХVIII веке была сооружена колокольня высотой 118 м в Петропавловской крепости. Кулибиным предложены интересные решения строительства мостов до 300 метров длины из древесных конструкций.

Изобретение клееной фанеры по своему значению сопоставимо с применением листового проката из металла. В конце ХIХ века стали конструировать разнообразные формы пространственных дощато-гвоздевых конструкций типа оболочек.

Для изготовления строительных конструкций используют лесоматериалы, композиционные материалы и модифицированную древесину. По способу механической обработки лесоматериалы разделяют на круглые, пиленые, лущеные, фрезерованные, измельчённые.

К композиционным относятся листовые, плитные, получаемые с помощью связующего – это фанера, столярные плиты, древесно-стружечные плиты, древесно-слоистые пластики, фибролиты, ксилолиты и др.

К модифицированной древесине относятся – прессованная, пластифицированная аммиаком.

Клееные конструкции бывают несущими и ограждающими. Склеивание осуществляется в заводских условиях. Толщина клеевого шва после модифицирования синтетическими клеями и запрессовки обеспечивает максимальную прочность изделию при слое 0,1-0,2 мм.

Наилучшими клеями для древесины являются: резорциновые, фенольные, карбамидные и поливинилацетатные полимеры. Под влиянием температуры и отвердителя клей отверждается, растворитель удаляется, изделие принимает заданную форму. Разработаны технологические линии по производству клееной древесины.

 

Рис. 20 – Монтаж дома из деревянных конструкций

 

Несущими конструкциями являются: балки, арки, рамы, фермы, панели, а также пространственные оболочки, купола, своды. Плоские клееные конструкции способны перекрывать значительные по размерам пролёты – до 100 метров.

Ограждающими конструкциями являются: панели для стен и покрытий. Для панелей длиной 3-6 метров устраивают продольные рёбра из клееной древесины, гнутые фанерные швеллеры. Трёхслойные панели для стен можно отнести к клееным, так как обшивка их делается из фанеры, ДСП или ДВП с утеплителем в середине (пенопласт). Для усиления несущей способности панели делают на деревянном каркасе. Бывают обшивки из плоских асбестоцементных листов. Ограждающие и несущие конструкции могут быть из бруса или брёвен. Рис. 20.

Своды и купола по конструктивному исполнению подразделяются на сплошные тонкостенные; ребристые, опирающиеся на арки; кружально-сетчатые, собираемые из стандартных косяков. Цилиндрические своды могут быть распорными, опирающимися на продольные стены или по контуру, или безраспорными, опирающимися на торцевые стены, столбы и диафрагмы. Пересечением цилиндрических сводов образуются крестовые своды безраспорных конструкций, опирающиеся преимущественно на колонны, и сомкнутые своды– квадратные или шестиугольные в плане, опирающиеся по периметру.

На специализированных заводах выпускают брусковые, каркасно-щитовые и каркасно-обшивные сборные дома. Наружные стены облицовывают обрезными досками, асбестоцементными плитками и др. Пространство между каркасом ограждений заполняют утеплителем.

Деревянные конструкции хорошо противостоят агрессивным воздействиям, их применяют в таких сооружениях, где другие материалы быстро выходят из строя (градирни, вентиляционные башни, транспортные галереи, склады для минеральных удобрений, помещения для производства серной кислоты, свинца и др.). В определённых условиях деревянные конструкции экономичнее металлических или железобетонных по стоимости, по капитальным вложениям, по приведённым затратам.

 

7.5 Полимерные конструкции

 

Полимерные материалы не обладают высоким модулем упругости, высокой твёрдостью и прочностью. Они могут быть использованы для производства композиций, где армирующие компоненты будут выполнять функции силовых, а полимер – связующих материалов, а также для защиты от вредных воздействий. Так были получены конструкционные материалы с полимерной матрицей: полимербетоны и бетонополимеры.

Полимербетоны изготавливают на полимерных связующих с минеральными или органическими заполнителями. В качестве связующего используют термореактивные смолы (эпоксидные, полиэфирные, фурановые) и карбамидные. Наполнителями могут быть кварцевый песок, щебень из прочных горных пород или отходы деревообработки. Армируют полимербетоны (в зависимости от назначения) стальной, стеклопластиковой арматурой, либо волокнами (стальными, стеклянными, полимерными) по всему объёму – называют фибробетонами. Используют такие материалы в несущих коррозиестойких конструкциях промышленных зданий: колонны высотой до 14,5 м, эстакады под электролизные ванны, фундаменты под технологическое оборудование, коллекторные кольца, балки покрытий, блоки стен подвалов, подкрановые фундаменты, плиты для пола и футеровок, трубы и др.

Бетонополимеры характеризуются такими же свойствами, только этот композиционный материал изготовлен по другой технологии – с помощью пропитки. Полимер в жидком состоянии заполняет капиллярную систему бетона и структура становится плотной водонепроницаемой. Прочность такого бетона зависит от глубины пропитки.

Пространственные конструкции – трёхслойные панели состоят из лёгкого утеплителя (звуко- и виброгасителя), оклеенного с обеих сторон жёсткими обшивками (стеклопластиком, асбестоцементом, тонколистовым алюминием и др.). Их разделяют по назначению: для стен (вертикальные ограждения), покрытий и подвесных перекрытий, а также утеплённые и неутеплённые изделия. Монтируют по несущим конструкциям, стыки панелей уплотняют прокладками из пороизола, гернита, пенополиуретана, воспринимающими температурные деформации панелей без нарушения герметичности стыка.

Конструкции, состоящие из слоёв разных материалов и работающие монолитно, называют комбинированными. В них материал обшивки один, в середине утеплитель – другой. К примеру, состав двухслойных труб: металлопластик или эмалевый слой внутри керамической трубы.

 

Рис. 21 – Воздухоопорная конструкция

 

Пневматические конструкции изготавливают из мягких плёночных материалов. Какие конструкции можно сделать из гибких материалов? Принципиально новые – воздухоопорные. Рис. 21. Пневматическими называются конструкции с мягкими оболочками, форма и несущая способность которых, обеспечивается избыточным давлением нагнетаемого в них воздуха. Такие конструкции изготавливают из армированных и неармированных полимерных плёнок, пропитанных полимером тканей. Конструкции делают воздухоопорными, пневмокаркасными и комбинированными. Все они выполняют ограждающие функции и сохраняют заданную форму только с помощью нагнетаемого под давлением до 1,0 кПа воздуха. Это цилиндрические своды, просторные палатки, помещения для спортивных тренировок, мобильных госпиталей, туристские базы и т. д.

Пневмокаркасные конструкции отличаются тем, что воздух нагнетается в каркасы, остальные поверхности конструкции могут быть тканевой оболочкой. Материалом оболочек могут быть армированные полимерные плёнки, сетки или ткани, пропитанные поливинилхлоридом, полихлорпреном, этилпропиленовым или полиуретановым каучуком и др. Материалы должны быть воздухонепроницаемыми, теплостойкими, морозостойкими, прочными, эластичными и лёгкими. Конструкции легко собираются, при необходимости складываются и транспортируются, поэтому их называют мобильными.

Другим типом конструкций из пластмасс являются оболочки. Оболочки – наиболее эффективные покрытия для пролётов любой формы и длины, совмещающие несущие и ограждающие функции. Это тонкостенные пространственные элементы в одной плоскости, одинарной или двоякой кривизны, опирающиеся как по контуру, так и в отдельных точках. Их изготавливают из стеклопластиков на алюминиевых, стальных профилях или клееных брусьях из древесины. Подобные конструкции покрывают вокзальные перроны, галереи в аэропортах, выставочные залы, спортивные арены, оранжереи и др.

 

Библиографический список

 

1. Под общей редакцией В. Г. Микульского «Строительные материалы». Изд-во. М.: 2002, 530 с.

2. Л. Г. Мельниченко, Б. П. Сахаров, Н. А. Сидоров «Технология силикатов». Изд-во «Высш. школа» М.: 1969, 360 с.

3. С. Н. Колесов, И. С. Колесов «Материаловедение и технология конструкционных материалов» Изд-во «Высш. школа» М.: 2007.

4. В. Н. Пантилеенко, Л. А. Ерохина «Конспект лекций по курсу «Материаловедение» и «ТКМ» Уч. Пособие, Ухта, 2008, 130 с.

5. В. Н. Пантилеенко, Л. А. Ерохина, Е. М. Веряскина «Строительное материаловедение» Учебное пособие, Ухта, 2009, 165 с.

 

 

Учебное издание

Владимир Николаевич Пантилеенко

Лариса Алексеевна Ерохина