Г. М. Иванов, Р.И. Вейц - Статика сооружений

Г. М. Иванов, Р.И. Вейц.
И-20 Статика сооружений. Учебник для техникумов. Изд. 3-е, доп. и перераб. Под ред. д-ра техн. наук проф. А. Р. Ржаницына. Л., Стройиздат (Ленингр. отд-ние), 1974.
224 с. с ил.
в учебнике изложены основы статики сооружений. Рассматриваются схемы сооружений их классификация и разновидности основных инженерных конструкций.
Книга переработала в соответствии с программой предмета «Статика сооружений»
Для строительных техникумов и является учебником для учащихся техникумов по специальности «Промышленное и гражданское строительство».
© Стройиздат. Ленинградское отделение, 1974

ВВЕДЕНИЕ
Существуют разнообразные инженерные сооружения и конструкции, отличающиеся своим назначением, формой, размерами и материалами, из которых они возведены.
Сооружения подразделяются на промышленные, жилищно-гражданские, сельскохозяйственные, транспортные, гидротехнические и др. В каждом из таких сооружений при воздействии внешних сил должна быть гарантирована прочность, устойчивость, жесткость, надежность и долговечность. Кроме того, сооружения, должны быть максимально экономичными.
Сооружения, возводимые из таких материалов, как камень и бетон, могут иметь значительную толщину и большой собственный вес. Такие сооружения называются массивными. Примеры их показаны на рис. 1,а, б. Другие сооружения и конструкции, так называемые тонкостенные, имеют два размера, значительные по величине (длина и ширина), и малый третий размер (толщина). К ним относятся плиты (рис. 2, а), оболочки (рис. 2, б), трубы (рис. 2, в), резервуары (рис. 2, г) и т. д. Следующим видом являются стержневые конструкции, состоящие из стержней, размеры поперечного сечения которых малы по сравнению с их длиной. Примерами таких конструкций являются балки, колонны, фермы (рис. 3, а, б), рамы каркасного здания (рис. 4) и т. д. Все сооружения фактически имеют три измерения (длину, ширину и высоту) и поэтому являются пространственными.
Однако в большинстве случаев характер действующих на них нагрузок позволяет расчленить их на п л о с к и е системы, т. е. такие системы, в которых все основные перемещения происходят в одной плоскости.
Так, например, покрытие здания по фермам представляет собой пространственную систему, несущую вертикальную нагрузку, которая слагается из веса крыши, снега и собственного веса ферм.
Эта система может быть составлена из отдельных плоских ферм, каждая из которых будет воспринимать нагрузку от сил, действующих в ее плоскости (рис. 5). Массивные сооружения (подпорные стены, своды) часто можно свести к плоской системе, выделяя двумя параллельными плоскостями слой, толщина которого принимается равной 1, причем нагрузки предполагаются действующими в плоскостях, параллельных этому слою (рис. 6).
Однако есть сооружения, которые не могут быть разложены на плоские системы. К ним относятся, например, конструкции, представленные на рис. 7, в которых плоскости ферм не совпадают с плоскостью действия вертикальных сил. Такие сооружения рассматриваются как пространственные. Цель расчета сооружения на прочность, устойчивость и жесткость состоит в том, чтобы обеспечить надежность сооружения и сочетать ее с экономичностью, подобрать минимальные размеры сечений и соединений элементов конструкции.
Отдельные стержни или брусья в виде балок, столбов, колон и и т. ,п., являющиеся конструктивными элементами конструкций в целом образуют сложное сооружение, которое может состоять из ряда более простых конструкций.
Расчетной схемой конструкции или сооружения называется упрощенная система, позволяющая достаточно точно и просто рассчитать эту конструкцию или сооружение. Обычными упрощениями здесь являются замена реальных элементов тонкими стержнями, возможность не учитывать ряд конструктивных деталей и т. д.
Расчетная схема сооружения может быть различной. На рис. 8, а показано сооружение, состоящее из балки АВ и стоек АС и BD, соединенных между собой так, что трение между балкой и стойками можно не учитывать; при этом балка и стойка работают раздельно.
Вследствие этого расчет всей системы сооружения распадается на отдельные расчеты стержней — балок и стоек, конечно, с учетом давления балки на стойки.
В другом случае, показанном на рис. 8, б, горизонтальный и вертикальные элементы жестко соединены в узлах А и В. Здесь внешняя сила, приложенная к любому элементу, вовлекает в работу все сооружение. В этом случае имеем одну, но более сложную систему — рамную.
Расчет любой системы сооружения ведется двумя последовательными этапами. На первом этапе расчета рассматриваются вопросы, связанные с воздействием внешних сил на сооружение, и определяются внутренние усилия во всех отдельных элементах, на которые может быть расчленено данное сооружение. На втором этапе расчета определяются размеры каждого элемента конструкции из условия обеспечения прочности, устойчивости и жесткости по формулам сопротивления материалов. Статика сооружений исследует лишь воздействие внешних сил на сооружения, т. е. рассматривает вопросы первого этапа расчета.
При проектировании сооружений расчет должен обеспечить их прочность, устойчивость, жесткость, а также экономичность. Расчет на прочность и устойчивость гарантирует безопасность эксплуатации сооружения. Расчет на жесткость ограничивает деформацию в таких пределах, которые не препятствуют нормальным условиям эксплуатации сооружения. Экономичность сооружения определяется наименьшими затратами на материалы, изготовление и возведение сооружения.
Наука о принципах и методах расчета сооружений в целом называется строительной механикой или теорией сооружений. Исследования строительной механики основаны на законах и выводах теоретической механики, сопротивления материалов, теории упругости и теории пластичности. Строительная механика изучает статические и динамические воздействия сил на сооружения.
Статика сооружений является частью строительной механики, так как она изучает те же вопросы, что и строительная механика, но исследования статики сооружении ограничиваются статическим воздействием сил на сооружения, в отличие от воздействия динамической нагрузки, т. е. нагрузки внезапной, ударной или периодической (пульсирующей).
Статика сооружений изучает только неподвижные и геометрически неизменяемые сооружения. Нужно, однако, иметь в виду, что под воздействием внешних сил все реальные твердые тела изменяют свою форму—деформируются, и, следовательно, должно деформироваться и сооружение. Под неподвижностью и геометрической неизменяемостью сооружений здесь надо понимать недопустимость сколько-нибудь значительных механических перемещений элементов сооружения, столь характерных, например, для машин и механизмов, где движение составляет основную характеристику и основное назначение конструкции.
В статике сооружений большое значение имеет принцип независимости действия сил, с помощью которого решается подавляющее большинство задач.
Усилия и деформации, возникающие в сооружении от действия внешних сил, являются эффектом (или результатом) этого действия.
Принцип независимости действия сил состоит в следующем: эффект, вызываемый в сооружении какой-либо системой сил Q1, Q2, . . . , Qn, равен сумме эффектов, вызываемых каждой силой в отдельности.
Это дает возможность дальнейшего упрощения расчетов путем применения единичных грузов.
Уже отмечалось, что в сооружениях при действии на них внешних сил неизбежно возникновение упругих деформаций, вызывающих некоторые смещения точек приложения сил. Принцип независимости действия сил применим лишь в тех случаях, когда под действием приложенных сил форма сооружения изменяется настолько незначительно, что этим изменением в пределах требуемой точности расчета можно пренебречь. При этих условиях точки приложения и направления внешних сил и внутренних усилий считаются неизменными.
В отдельных случаях принцип независимости действия сил неприменим к реальным сооружениям. С этими исключениями можно познакомиться в более полных курсах строительной механики.
Статика сооружений является частью общей науки о прочности, жесткости и устойчивости сооружений, называемой строительной механикой. В статике сооружений, как подчеркивается самим названием, рассматривается расчет сооружений и конструкций под действием статических нагрузок, но во многих случаях при расчете инженерных сооружений приходится учитывать, изменение деформаций во времени, т. е. динамику, так что название «статика сооружений» считается устаревшим.
Еще в XVIП в. исследователи изучали обыкновенную однопролетную балку, но к середине XIX в. в связи с начавшейся постройкой железных дорог появилась необходимость сооружения мостов больших пролетов, вокзальных зданий, водонапорных башен и других крупных сооружений. Это поставило на очередь вопросы и о разработке теории расчетов стержневых систем. С начала XX в.
в связи с широким внедрением железобетона исследователи начали глубоко изучать вопросы расчета статически неопределимых систем — неразрезных балок и рам. К 30-м гг. XX в. строительной практикой был выдвинут вопрос о расчете различного вида тонкостенных оболочек для покрытия зданий больших пролетов.
Выдающуюся роль в развитии строительной механики сыграли исследования ряда ученых XIX в. (Лагранжа, Максвелла, Мора и др.) в вопросах теории расчета разнообразных стержневых систем, положившие начало развитию современных методов расчета статически неопределимых систем.
Русские инженеры и ученые в области изучения многих вопросов строительной механики всегда занимали ведущие позиции. Среди них можно назвать таких выдающихся исследователей, как Д. И. Журавский, Ф. И. Ясинский, И. Г. Бубнов, Б. Г. Галеркин и др.
Грандиозный размах капитального строительства в нашей стране, начиная с первых пятилеток, поставил перед строительной механикой ряд новых проблем и явился стимулом ее развития Наряду с вопросами прочности, жесткости и устойчивости актуальными стали вопросы технико-экономического характера при проектировании сооружений и выборе оптимальных размеров конструкций. В связи с более глубоким изучением свойств строительных материалов стали критически пересматриваться многие положения и методы строительной механики.
Так, за сравнительно короткий период советскими исследователями и учеными был отвергнут метод расчета строительных конструкций по допускаемым напряжениям, который хотя и обеспечивал прочность, жесткость и устойчивость сооружений, но с излишними и неоправданными запасами прочности, т. е. находился, в противоречии с технико-экономическими требованиями. Этот метод был заменен расчетом инженерных сооружений и конструкций по методу предельных состояний.
Предельным называется состояние, при котором конструкция перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям, т. е. теряет способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получает недопустимые деформации или местные повреждения (трещины и др.). Основной задачей строительной механики на современном этапе является создание и совершенствование методов расчета на основе исследования деформаций и прочностных свойств конструкций на разных стадиях их работы под нагрузкой.
Опыты показывают, что от начала нагружения до разрушения конструкции и ее элементов в их сечениях имеют место несколько качественно различных стадий напряженно-деформированного состояния. Объясняется это свойством реальных материалов (тел) необратимо деформироваться под действием достаточно больших внешних нагрузок не разрушаясь, что носит название пластичности. Изучение таких явлений, как пластичность и ползучесть (изменение деформаций во времени при постоянной нагрузке), открыло новые страницы в строительной механике и позволило по-иному понять и оценить работу многих конструкций под нагрузкой.
На современном этапе развития строительная механика широко пользуется математическими методами и вычислительной техникой с использованием новейших электронно-вычислительных машин, что открывает неограниченные возможности для безошибочного выбора и сравнения многих вариантов решения между собой с наименьшей затратой времени, т. е. вплотную подойти к вопросу оптимального проектирования.
Выдающаяся роль в разработке новых направлений в строительной механике и новых методов расчета принадлежит советским ученым, среди которых следует выделить А. Ф. Лолейта, В. 3. Власова, А. А. Гвоздева, А. А, Ильюшина, Н. С. Стрелецкого.
...