Розенблюмас А. М. - Каменные конструкции

ПРЕДИСЛОВИЕ

В книге излагается курс каменных конструкций специальности «Промышленное и гражданское строительство» строительных вузов. Основной материал книги дан в первых двух ее частях.

Изложение теории расчета и основ проектирования каменных конструкций, составляющее I часть книги, дано применительно к конструкциям любого назначения. Расчет сечений продольно армированных элементов излагается в обобщенной форме. Соответствующие формулы и таблицы приспособлены для расчета сечений из любых каменных материалов (в том числе комплексных и железобетонных сечений). Приводится и несложный расчет таких сечений без таблиц.

Материалы II части книги относятся лишь к зданиям или их частям. Не излагаются (как не включенные в программу книги) сведения о сейсмостойкости зданий, строительстве над горными выработками и конструкциях специального назначения (заводских трубах, башнях, подпорных стенках и т. п.).

Дополнительные и пояснительные тексты обозначены в первых двух частях петитом. Для удобства пользования книгой все примеры расчета и проектирования выделены в отдельную часть — III, а данные для расчета и проектирования (таблицы) — в IV.

Материалы книги изложены в соответствии с данными «Строительных норм и правил» 1962 г. (СНиП—62) и в соответствии с указанием ГОСТ 9867—61 о предпочтительном применении Международной системы единиц (СИ).

При переводе единиц сил, выраженных в килограммах—сила (кГ), в значения, выраженные в ньютонах (и), введено допущение: 1 н = 0,1 кГ (вместо 0,102 кГ). В связи с этим числовые значения сопротивлений материалов, выраженные в книге в меганьютонах на квадратный метр (Мн/м²); ровно в десять, раз меньше их значений, выраженных в СНиП—62 в килограммах— сила на квадратный сантиметр (кГ/см²).

Кратные составные единицы СИ образованы присоединением соответствующей приставки (по ГОСТ 7663—55) к числителю. Присоединение приставок к единицам, стоящим в знаменателе, не допущено.

Единицы силы выражены в килоньютонах (1 кН=100 кГ).

Для понятия «вес» как силы принят термин «сила тяжести» (она, как и другие силы, выражается в килоньютонах). Расход материалов выражен в килограммах (кг) по массе или в кубических метрах (м3) по объему.

Примеры носят комплексный характер: в них рассматриваются конструктивные элементы одного здания или разные случаи нагружения и предельного состояния одного элемента. Такое изложение позволяет выявить реальность и взаимосвязь принятых решений, & также сократить задания и подготовительные расчеты (определение геометрических и прочностных характеристик и т. п.). Читателю не составит труда найти в этих примерах и решения по отдельным интересующим его вопросам.

Автор выражает глубокую благодарность доценту, кандидату техн. наук В. В. Бочкареву (Горьковский инженерно-строительный институт), профессору П. Л. Еременбку (Одесский инженерно-строительный институт), кандидату техн. наук А. И. Рабиновичу (ЦНИИСК), доценту, кандидату техн. наук К. В. Шмурнову (Московский инженерно-строительный институт) за полезные советы и замечания по рукописи книги.

А. М. Розенблюмас

Каунас, июнь 1963 г.

ЧАСТЬ I

Теория расчета и основы проектирования элементов каменных конструкций

ВВЕДЕНИЕ

Глава I

КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Каменные сооружения возводятся людьми в течение многих тысячелетий. Несмотря на это, до недавнего прошлого не существовало достаточно разработанных методов их расчета и проектирования. Современные методы определения усилий в каменных конструкциях от внешних воздействий стали применяться лишь во второй половине прошлого столетия. Подбор сечений конструкций до тридцатых годов текущего столетия производился либо по грубым эмпирическим формулам, либо по правилам сопротивления упругих материалов без учета пластических свойств кладки. Громоздкость конструкций с такими сечениями особенно бросалась в глаза при сравнении с железобетонными конструкциями, получившими с начала XX столетия широкое распространение.

Развитие теории каменных сооружений началось с уточнения расчета усилий от внешних воздействий. Многие русские ученые и инженеры в прошлом веке и в начале настоящего провели выдающиеся исследования по расчетам каменных сводов (проф. Л. Д. Проскуряков, проф. И. П. Прокофьев), мостов и устоев (акад. Е. О. Патон, акад. Г. П. Передерни), подпорных стен (проф. Ф. С. Ясинский) и др.

В дальнейшем стали уделять значительное внимание исследованиям материалов и свойств кладки и способов возведения ее. Большие экспериментальные исследования в этой области были проведены советскими учеными. Их работы стимулировались потребностями строительства в СССР, получившего, начиная с периода реконструкции промышленности, широкий размах. Ряд крупных экспериментальных работ в области каменных конструкций был выполнен еще до основания (в 1930 г.) лаборатории каменных конструкций Центрального научно-исследовательского института промышленных сооружений (ЦНИПС). Инж. И. И. Ильин (Мосстрой) доказал на опытах, что прочность кладки в весьма большой степени зависит от прочности раствора в ее швах; проф. Н. Н. Аистов исследовал зависимость прочности кладки от толщины швов, проф. В. А. Гастев показал, что в сжатой кладке кирпич работает в основном на изгиб, а не на сжатие, и т. д.

Работы советских ученых уже в ту пору выявили тесную взаимосвязь между прочностью кладки и качеством шва. Между тем за рубежом в то время не придавали значения этому обстоятельству. Заграничные специалисты считали, что для обеспечения достаточной прочности кладки требуется лишь достаточно большой запас против разрушения камней, из которых она сложена. Например, немецкие нормы для кладки из кирпича прочностью 15,0 Мн/м² допускали, независимо от прочности ее раствора, сжимающие напряжения в 1,4 Мн/м², показывая при этом, что коэффициент запаса составляет 15,0:1,4 = 11. Между тем, как выявили советские исследования, действительный запас прочности в кладке в этом случае составляет, в зависимости от качества раствора, от 3 до 1,5.

Большую роль в развитии теории и практики каменного строительства сыграли исследования, осуществленные в ЦНИПСе С. А. Семенцовым, А. А. Шишкиным, И. Т. Котовым, В. А. Камейко, Н. И. Кравченя и другими учеными под руководством проф. Л. И. Онищика. В книге [7], написанной последним в 1939 г. на основании этих исследований, изложены основы современных представлений о работе каменных конструкций. Свою актуальность книга в значительной части сохраняет еще и по настоящее время. Исследования проф. Л. И. Онищика и его сотрудников выявили работу неармированной и армированной кладки разнообразных систем из различных камней и растворов при центральном и внецентренном сжатии, смятии, срезе, растяжении, изгибе, показали совместную работу стен и столбов зданий, работу рандбалок и т. д.

Одновременно в СССР проводились и другие крупные исследования. Проф. Н. А. Попов разработал теорию прочности растворов, которая была дополнена в дальнейшем проф. В. П. Некрасовым. Последний предложил также несколько видов армокаменных конструкций, в том числе кладку с поперечным сетчатым армированием. Проф. А. А. Гвоздев доказал возможность применения неармированных рядовых перемычек. Проф. П. Л. Пастернак разработал теорию комплексных конструкций, кладки, работающей совместно с железобетоном. По предложению канд. техн. наук А. И. Рабиновича были внедрены в практику весьма экономичные тонкостенные каменные своды двоякой кри-визны для пролетов до 24 м. Под руководством проф. П. Л. Еременока были осуществлены исследования строительных свойств известняков — ракушечников, способствовавшие широкому применению этой распространенной на юге СССР легкой породы в строительстве.

Доктора техн. наук. В. Н. Сизов, С. А. Миронов, А. А. Шишкин, кандидаты техн. наук И. Г. Совалов, М. В. Челбаев и другие советские ученые провели исследования по вопросам строительства в зимних условиях и разработали так называемый метод замораживания. Их работы в большой мере способствовали устранению сезонности в строительстве.

Проф. Л. И. Онищик, инженеры Н. С. Попов, Н. М. Орлянкин, Р. Н. Попова, архитектор С. А. Власов, каменщики-новаторы П. С. Орлов, С. С. Максименко и др. внесли ряд ценных предложений по усовершенствованию систем перевязки кладки и улучшению конструкций облегченных стен.

После Великой Отечественной войны широко начали применять в нашем строительстве эффективные пустотелые, пористые камни, что позволило в значительной мере уменьшить толщину стен и силу тяжести здания. Несмотря на усовершенствования, введенные в процесс возведения кладки из штучного кирпича или штучных мелких камней, эта кладка не отвечает необходимости сокращения сроков строительства. Процессы возведения такой кладки не поддаются механизации в достаточной мере. Требуются значительные затраты ручного труда на месте постройки, кроме того, объем мокрых процессов получается большой, что особенно нежелательно при работах в зимних условиях.

Требованиям индустриального строительства в большей мере отвечает кладка из крупных блоков. Впервые кладка из крупных шлакобетонных блоков в СССР применена в 1927 г. в Москве (под руководством инженеров Г. Б. Красина и Е. В. Костырко) на постройке нескольких многоэтажных зданий. Значительное развитие крупноблочное строительство в СССР получило после Великой Отечественной войны и особенно в настоящее время. Наряду с крупными блоками из легких, ячеистых и тяжелых бетонов, а также с автоклавными, получаемыми из силикатной массы, по предложению инженера В. С. Ребрикова применяются блоки, складываемые на заводах из кирпича всевозможных видов с последующей доставкой на площадку.

Следует отметить, что крупные кирпичные блоки широко применяются в массовом строительстве Чехословакии. В последние годы в нашей стране начали изготовлять виброкирпичные блоки, .имеющие по сравнению с невибрируемыми примерно вдвое большую прочность.

Значительным вкладом в дело изучения работы кладки из крупных блоков и легких эффективных материалов с облицовками и без них является ряд исследовательских работ, выполненных в ЦНИПСе и затем ЦНИЙСКе (Центральном научно-исследовательском институте строительных конструкций) проф. Л. И. Онищиком, кандидатом техн. наук С. А. Семенцовым, доктором техн. наук С. В. Поляковым, кандидатом техн. наук А. С. Дмитриевым и другими учеными и инженерами.

В докладе ЦК КПСС XXII съезду указывалось, что за 20 лет жилой фонд потребуется увеличить примерно втрое. Среднегодовой объем жилищного строительства возрастет примерно со 135 млн. кв. метров общей площади жилищ в 1961—1965 гг. до 400 млн. кв. метров в 1976 — 1980 гг.

«Огромные масштабы капитального строительства, — сказано в Программе КПСС, — требуют быстрого развития и технического совершенствования строительной индустрии и промышленности строительных материалов до уровня, обеспечивающего потребности народного хозяйства, максимального сокращения сроков, снижения стоимости и улучшения качества строительства путем его последовательной индустриализации, быстрейшего завершения перехода на возведение полносборных зданий и сооружений по типовым проектам из крупноразмерных конструкций и элементов промышленного производства».

В свете этих указаний большую важность приобретает внедряемое у нас строительство из крупных (размерами на комнату) тонкостенных вибрированных кирпичных панелей, предложенных НИИ строительной физики и ограждающих конструкций. Значительным вкладом в освоение такого строительства являются исследовательские работы, проведенные проф. Г. Ф. Кузнецовым, кандидатами техн. наук С. А. Семенцовым, Н. В. Морозовым, П. Ф. Сыпчуком.

Из виброкирпичных панелей возводят внутренние несущие и внешние утепленные стены жилых зданий. Панели изготовляют на кирпичных заводах с применением вибрации, благодаря чему они приобретают высокую прочность и становятся вполне транспортабельными.

Применение виброкирпичных панелей отвечает принципам индустриализации строительства, позволяет в 2 раза и более уменьшить расход кирпича, значительно снизить силу тяжести зданий, уменьшить затраты труда на площадке, ускорить сроки возведения зданий и снизить стоимость 1 кв. м жилой площади не менее чем на 10% по сравнению с наиболее экономичными типами обычных домов из кирпича.

В результате большого труда советских исследователей в СССР в 1935 г. впервые в мире были изданы специальные нормы по проектированию каменных конструкций. В 1943 г. появились «Указания по проектированию каменных конструкций в условиях военного времени». В них впервые в применении к каменным конструкциям был отражен метод расчета конструкций по разрушающим нагрузкам, созданный трудами советских ученых. В дальнейшем был развит унифицированный для всех строительных конструкций метод расчета по предельным состояниям. Этот метод вошел в «Строительные нормы и правила» (СНиП), изданные в 1954 г. и, соответственно, — в нормы проектирования каменных конструкций НиТУ —120—55. В 1962 г. вошли в действие новые СНиП, в которых метод предельных состояний нашел еще более глубокое и всестороннее отражение.

Создание наиболее совершенного метода расчета конструкций, проведение всесторонней исследовательской работы в области каменных конструкций и широкое их применение обеспечили нашей стране приоритет в решении очень многих вопросов теории и практики каменного строительства. Его уровень в СССР превышает уровень строительства каменных сооружений в наиболее развитых странах. Благодаря применению усовершенствованных подъемных механизмов в нашей стране теперь в кратчайшие сроки воздвигаются крупнейшие каменные сооружения из сборных стандартных элементов заводского изготовления. Применение крупных блоков и виброкирпичных панелей, обладающих большой степенью заводской готовности, осуществляется во все возрастающих масштабах.

Глава 2

МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

Задачи проектирования конструкций зданий В свете задач, поставленных перед советскими строителями Программой КПСС, проектирование каменных конструкций следует вести рационально и экономично, применяя местные материалы и вводя индустриальные методы изготовления и возведения конструкций. Следует стремиться к уменьшению силы тяжести зданий и применять для их возведения крупноразмерные элементы (блоки, панели), что позволит сократить сроки строительства и затраты ручного труда.

Проектирование несущих конструкций зданий можно разделить на следующие этапы:

1. Распределение конструкций в проекте здания, назначение их форм и размеров.

2. Расчет нагрузок и усилий (моментов, сил) для каждой принятой статической схемы.

3. Расчет конструктивных элементов по найденным усилиям.

4. Изображение элементов и деталей конструкций на чертежах.

Распределять в здании конструкции и их системы необходимо так, чтобы они наиболее экономично обеспечивали достаточную прочность и жесткость каждой части и всего здания в целом. Конструктивное решение должно быть согласовано с архитектурно-планировочным решением здания и с требованиями технологических процессов, предусматриваемых в данном здании. Оно должно также соответствовать положениям Единой модульной системы, поскольку такое соответствие позволяет наиболее полно использовать в строительстве зданий стандартные индустриальные изделия и сокращать объем работ на месте строительства.

Усилия в конструкциях определяются по законам строительной механики. В настоящей книге определение их дано лишь для отдельных случаев, особо характерных для каменного строительства.

В основном здесь рассматриваются расчет каменных элементов, подбор и проверка сечений по найденным усилиям; по этим данным можно конкретно и детально изобразить конструкции на чертеже.

Каменные элементы рассчитывают по усилиям не только для выявления их характеристик, — размеров сечений, армирования, материалов и т. п., обеспечивающих наиболее экономично прочность конструкции, но в необходимых случаях и для выявления способности элементов противостоять чрезмерным деформациям или раскрытию трещин.

Расчет сечений можно проводить двояким путем. Можно задаться всеми величинами сечения: размерами, качеством материалов и т. п., затем определить его несущую способность и сопоставить ее с усилием. Это — проверка сечения.

Но можно задаться и не всеми его величинами, а недостающие величины определить из условия соответствия несущей способности сечения усилию. Это — подбор сечения. При расчете элементов на прочность сечения обычно подбирают, т. е. по усилиям определяют их величины, так как до начала расчета они частично неизвестны. Можно расчет на прочность вести и путем проверки сечений: задавшись всеми недостающими величинами, определять несущую способность сечений и сравнивать ее с усилиями.

При расчете элементов по деформациям и трещиностойкости сечения обычно проверяют, так как все их величины в данной стадии расчета уже известны из предшествующего расчета по прочности.

Сущность методов расчета по допускаемым напряжениям и по разрушающим нагрузкам.

Расчет каменных конструкций по допускаемым напряжениям применялся в нашей стране до 1943 г. В некоторых зарубежных странах он применяется до сих пор. С помощью такого расчета показывают, что напряжения в конструкции от эксплуатационных нагрузок не превышают так называемых допускаемых напряжений, составляющих часть предельного сопротивления материала.

Определяя напряжения в кладке от эксплуатационных нагрузок, принимают, что нормальные напряжения в ее сечениях распределяются по линейному закону. Сопротивление кладки растяжению при расчете по прочности не учитывают. К расчету применяют законы сопротивления вполне упругих материалов.

Предпосылки такого метода весьма неточны, так как эпюры напряжений в сечениях кладки нельзя рассматривать как линейные (см. главу 9). Кроме того, отношение предельного сопротивления материала к его допускаемому напряжению не отражает запаса прочности в конструкции, так как с увеличением усилия изменяется не только величина напряжений в сечениях кладки, но и картина их распределения по сечению. Вследствие этого не выявляется фактический запас прочности в конструкциях.

При расчете по допускаемым напряжениям достаточная прочность кладки получается обеспеченной. Но неправильное отражение в нем запаса прочности часто ведет к тому, что запас этот оказывается непомерно большим, а кладка — громоздкой и неэкономичной.

В связи с недостатками описанного метода в СССР было сделано много предложений по изменению метода расчета конструкций. В 1932 г. проф. А. Ф. Лолейт предложил теорию для определения наименьших величин усилий, вызывающих разрушение железобетонных элементов. Эта теория была экспериментально проверена научными работниками ЦНИПСа под руководством проф. А. А. Гвоздева и развита ими в метод расчета по разрушающим нагрузкам. В 1938 г. этот метод был впервые введен, как обязательный при расчетах, в советские нормы проектирования железобетонных конструкций. В проектировании каменных конструкций он был принят в 1943 г. и затем в более совершенном виде в нормы проектирования каменных и армокаменных конструкций 1949 г. (Н-7-49).

В расчетах по методу разрушающих нагрузок конкретно выявляются запасы прочности в конструкции, так как определяются усилия, при которых начинается разрушение элемента, образование или раскрытие в нем трещин, потеря им устойчивости при опрокидывании или скольжении. Иными словами, данный метод исходит из выявления несущей способности сечений по отношению к указанным воздействиям.

Несущую способность сечения Np по прочности и NT по трещиностойкости определяют путем рассмотрения сечений в стадии разрушения и трещинообразования: принимается, что в этих стадиях напряжения в сечениях достигают соответственно нормативных (по Н-7-49) пределов прочности материалов при сжатии и при растяжении. Теория определения разрушающих усилий основана на результатах испытаний конструктивных элементов до разрушения или образования трещин и этим отличается от теории сопротивления упругих материалов.

Устойчивость конструкции определяют обычными способами строительной механики как для конструкции, находящейся под воздействием собственной силы тяжести и других постоянных грузов, обусловливающих эту устойчивость.