Сетков В.И., Сербин Е.П. - Строительные конструкции. Расчет и проектирование

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

В.И. СЕТКОВ, Е.П. СЕРБИН

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Расчет и проектирование

УЧЕБНИК

Второе издание

Допущено Государственным комитетом Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу в качестве учебника для студентов средних специальных учебных заведений, обучающихся по специальности 2902 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений»

Москва

ИНФРА-М

2005

Сетков В.И., Сербии Е.П.

Строительные конструкции: Учебник. — 2-е изд., доп. и испр. — М.: ИНФРА-М, 2005. — 448 с. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 5-16-002406-9

В учебнике излагаются основы проектирования и расчета наиболее простых и широко распространенных в строительной практике несущих конструкций.

Издание рассчитано на студентов и преподавателей строительных колледжей и техникумов, а также других средних профессиональных учебных заведений, ведущих подготовку специалистов по строительным специальностям, и прежде всего по специальности «Строительство зданий и сооружений» (спец. 2902) со всеми ее специализациями базового уровня. Может представлять интерес для студентов высшей школы, где дисциплина «Строительные конструкции» имеется в учебных планах, но не является профилирующей. Может быть полезным для техников-строителей, занимающихся производственной деятельностью или проектным делом в области нового строительства или реконструкции в жилищно-коммунальном комплексе, и особенно в малом бизнесе.

УДК 624.0(07)

ББК38.5я723

ISBN 5-16-002406-9

© В.И. Сетков, Е.П. Сербин, 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предпосылки для написания такого учебника следующие. Во-первых, учебники по строительным конструкциям для средних специальных заведений не издавались уже более 10 лет. За это время изменились требования строительных норм и правил, во многом другими стали и сами конструкции и применяющиеся для них материалы. Во-вторых, за последние годы объем учебного курса «Строительные конструкции» в техникумах и колледжах значительно сократился, из учебных планов исключен курсовой проект. В Государственном образовательном стандарте СПО заложены новые подходы к объему и глубине изложения учебного материала по этой дисциплине.

По мнению авторов, настоящий учебник во многом отличается от существующих как по содержанию, так и по построению.

Действующие учебники по строительным конструкциям для средних профессиональных учебных заведений строительного направления написаны по аналогии с вузовскими учебниками, где традиционно выделяется пять частей в зависимости от используемых материалов: металлические конструкции, железобетонные и бетонные конструкции, деревянные и конструкции из пластмасс, каменные и армокаменные конструкции и, наконец, несколько обособленно — основания и фундаменты. Ранее издававшиеся учебники для техникумов и колледжей в основном копируют аналогичные учебники для высшей школы, которые, как правило, представляют отдельные книги по каждому из перечисленных материалов и написаны разными авторами или авторскими коллективами — специалистами в той или иной области, что оправдано для студентов университетов и академий.

В предлагаемом учебнике авторами сделана попытка рассмотреть строительные конструкции в первую очередь не в зависимости от материала, а в зависимости от статической схемы работы: сжатые, изгибаемые, стержневые и т.д. Здесь сначала указывается на общие для всех конструкций подходы к расчету на базе теории сопротивления материалов, а затем уже материал рассматривается как частное проявление тех или иных свойств конструкций.

Более того, авторы поставили в качестве основной цели объединить учебный материал в одной книге, что вполне оправдано и имеет ряд преимуществ. С одной стороны, из учебника исключены некоторые теоретические подходы и расчеты сложных инженерных сооружений, которые были заимствованы из вузовских учебников и являлись «избыточной» информацией при изучении базового курса студентами среднего специального учебного заведения. С другой стороны, исключено дублирование тех или иных сведений (например, темы «Нагрузки и воздействия», «Расчет по предельным состояниям» и др.), которые в прежних изданиях повторяются в каждой из книг.

Таким образом, предлагаемый учебник ориентирован на конкретного адресата — будущего техника-строителя базового уровня.

ВВЕДЕНИЕ

«Строительные конструкции» как учебная дисциплина специального цикла в соответствии с Государственным образовательным стандартом среднего профессионального образования в качестве основной своей цели имеет обучение студентов указанного уровня основам расчета и проектирования конструкций, оснований и фундаментов, с которыми наиболее часто приходится иметь дело в строительной практике.

Учебник адресован техникам-строителям базового уровня, поэтому речь пойдет о наиболее простых и в то же время широко распространенных строительных конструкциях, используемых в зданиях и сооружениях.

Дисциплина «Строительные конструкции», как и другие, опирается на данные многих учебных дисциплин, но теснее всего связана с такими, как «Техническая механика», «Строительные материалы» и «Архитектура зданий».

«Техническая механика», и прежде всего «Сопротивление материалов» как ее часть, является элементарной теорией о прочности, она ближе всего к «Строительным конструкциям» с точки зрения главной цели — выполнения расчета для обеспечения надежной работы отдельных конструкций и сооружений в целом.

Основное же отличие заключается в том, что в «Сопротивлении материалов» рассматриваются абсолютно упругие и однородные материалы, а в «Строительных конструкциях» — и неоднородные (например, железобетон), и необязательно абсолютно упругие (бетон, кирпич).

«Строительные материалы» как учебная дисциплина рассматривает физико-механические свойства материалов с помощью лабораторных и других испытаний. «Строительные конструкции», прежде всего, интересуют прочностные характеристики строительных мате- риалов и базирующиеся на этой основе расчетные формулы.

«Архитектура зданий» занимается основами архитектурно-строительного проектирования, конструктивными элементами зданий и способами их соединений, не вникая глубоко в вопросы обеспечения их прочности, которые являются главной задачей дисциплины «Строительные конструкции».

Строительные конструкции также тесно связаны с такими дисциплинами как «Экономика» и «Технология строительного производства». Первая решает вопросы экономичности и целесообразности при проектировании конструкций, а вторая — удобства их изготовления, монтажа и транспортирования.

Современные расчеты немыслимы без использования ЭВМ, особенно при выполнении расчетов сложных конструкций и сооружений. Выполнение расчетов простейших конструкций «вручную» в учебных целях необходимо для развития инженерного мышления, осознанной и обоснованной оценки их надежности в работе. По ряду причин авторы не приводят в этой книге расчетов с помощью ЭВМ.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Классификация строительных конструкций

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)

• массив — конструкция, в которой все размеры одного порядка, например у фундамента размеры могут быть такими: а = 1,8 м; b = 1,2 м; h = 1,5 м. Размеры могут быть и другими, но порядок их один — метры;

• брус — элемент, в котором два размера во много раз меньше третьего, т.е. они разного порядка: b« I, h « l. Например, у железобетонной балки они могут быть такими: b= 20 см, h = 40 см, а l = 600 см, т.е. они могут 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, я, б);

• плита — элемент, в котором один размер во много раз меньше двух других: Л«я,Л«/. В качестве примера можно привести ребристую железобетонную плиту (точнее, поле плиты), у которой толщина собственно плиты h 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).

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.

1.2. Материалы для строительных конструкций и рекомендации по их применению

Строительная практика имеет дело с большой номенклатурой строительных материалов, как конструкционных, так и теплоизоляционных и отделочных. Как уже говорилось выше, наиболее распространены в качестве конструкционных материалов, т.е. применяются для несущих конструкций, сталь, железобетон, древесина и кирпич (камень). Не останавливаясь на особенностях работы различных материалов под нагрузкой и влияния на них условий эксплуатации, на различии их химического состава, структуры и т.п., дадим некоторые рекомендации по их использованию.

Материалы для проектируемых конструкций принимаются с учетом рекомендаций строительных норм и правил (СНиП). Строительные нормы и правила, по которым производится расчет строительных конструкций, состоят из нескольких глав в соответствии с рассматриваемым материалом:

• СНиП И-23-81* «Стальные конструкции»;

• СНиП П-24-74 «Алюминиевые конструкции»;

• СНиП П-25-80 «Деревянные конструкции»;

• СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции»;

• СНиП П-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции».

Выбор материалов для несущих конструкций зависит от многих условий: капитальности, долговечности, экономичности и т.д. При этом нет необходимости каждый раз выполнять сравнения вариантов и экономические обоснования, потому что в строительной практике за определенными видами конструкций давно закрепились соответствующие материалы. Более того, некоторые материалы не только нецелесообразно, но и невозможно использовать для ряда конструкций. Например, сталь, железобетон, древесину можно использовать для сжатых и изгибаемых конструкций (колонны и балки), а камень (кирпич) широко используется для столбов, но практически не используется в качестве изгибаемых конструкций. Далеко не все материалы можно применять для растянутых элементов и т.д.

Изучением физико-механических свойств, химического состава строительных материалов, их поведением в лабораторных и естественных условиях занимается ряд дисциплин. Поэтому многие сведения о строительных материалах, которые рассматриваются в других учебных предметах, здесь опущены, но сделан упор на вопросах обеспечения надежности материалов и конструкций при их работе под нагрузкой.

Сталь широко используется для строительства большепролетных и высотных зданий и сооружений (L > 24 м, Н> 10 м), а также при тяжелых и подвижных нагрузках в промышленных цехах, где трудно найти ей замену. Она имеет широкое распространение и в небольших зданиях, особенно в тех случаях, когда ставится цель уменьшить вес конструкций или подчеркнуть их архитектурную выразительность.

В металлических конструкциях применяются: прокатная сталь — более 95%, отливки из стали и серого чугуна — менее 1%, алюминиевые сплавы — менее 5%. Исходя из этого в учебнике будут рассмотрены главным образом конструкции, выполняемые из стальных прокатных профилей. Сортамент прокатной стали весьма обширен, поэтому ограничимся рассмотрением сечений, состоящих из стальных равнополочных уголков, двутавровых балок (обычных и широкополочных), швеллеров.

Существующие строительные нормы «Стальные конструкции» предусматривают применение тринадцати сталей — от С235 до С590. В рамках нашего курса мы будем иметь дело со сталями, наиболее распространенными в простых инженерных сооружениях: С235, С245, С275, С345.

Железобетон, в особенности сборный, в отечественной строительной практике имеет широкое распространение, применяется наравне со сталью, за исключением тех областей, где его использование нецелесообразно или невозможно.

Исходными материалами для железобетона являются бетон и арматура. Действующие строительные нормы «Бетонные и железобетонные конструкции» разрешают применение девятнадцати классов бетона, семи классов стержневой арматуры и пяти — проволочной. Для обычных, ненапрягаемых железобетонных конструкций наиболее часто используются бетоны В15, В20, В25, ВЗО; стержневая арматура А-III, А-И, A-I; проволочная арматура Вр-1.

Кирпич (камень) имеет преимущества перед другими материалами потому, что является одновременно несущим, теплоизоляционным и отделочным материалом и в то же время удовлетворяет требованиям пожарной безопасности, капитальности и простоты возведения.

Строительные нормы «Каменные и армокаменные конструкции» рекомендуют применение девятнадцати марок кирпича, бетонных и природных камней марок от 4 до 1000 и восьми марок раствора — от 4 до 200. В большинстве зданий и сооружений используются марки кирпича 50, 75, 100, 125, и раствора — 50, 75, 100.

Древесина является одним из древнейших строительных материалов, имеет ряд ценных свойств: простота заготовки и обработки, высокие теплотехнические свойства, высокая стойкость к большинству видов химической агрессии, возможность склеивания маломерных досок и фанеры. Древесина и изделия из нее имеют сравнительно высокие прочностные показатели при небольшом весе.

Строительные нормы «Деревянные конструкции» предусматривают применение самых разных пород древесины в качестве несущих конструкций и их частей (береза, акация, сосна, лиственница и др.). В условиях нашей страны чаще всего для этих целей применяют сосну, ель, лиственницу.