Цай - Строительные конструкции. Том I. Металлические, каменные, армокаменные и деревянные конструкц

Строительные конструкции. Учебник для техникумов. В 2-х т. Т. I. Металлические, каменные, армокаменные и деревянные конструкции. Под ред. Т. Н. Пая. М., Стройиздат, 1977. 544 с. Авт.: Т. Н. Цай, М. К. Бородич, А. Ф. Богданович и др.

Изложены основные вопросы проектирования и расчета металлических, каменных, армокаменных и деревянных конструкций, а также вопросы проектирования и расчета оснований в фундаментов. Освещены области применения различных конструкций, нагрузки н воздействия, даны примеры проектирования, а также таблицы и графики справочного характера.

Книга предназначена в качестве учебника для учащихся техникумов строительных специальностей.

Табл. 69, рис. 235, список лит.: 30 назв.

© Стройиздат, 1977

Предисловие

В «Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1976—1980 годы», утвержденных XXV съездом КПСС, в десятой пятилетке предусмотрено увеличение капитальных вложений в народное хозяйство на 24—26%. Для выполнения этой задачи необходимо значительно повысить эффективность капитальных вложений, обеспечить наиболее рациональное использование материальных и финансовых ресурсов, выделяемых на строительство, с тем, чтобы получить максимальный прирост продукции на каждый рубль вложенных средств.

При этом надо снизить за пятилетие удельный расход цемента на 5—6%, металлопроката на 5—7%, лесоматериалов на 12—14% и снизить сметную стоимость строительства на 3—5%. Все это требует особенно тщательного подхода к проектированию и выбору эффективных конструкций зданий и сооружений. В решение важных задач строительства призваны внести вклад и техники-строители. Они должны в совершенстве знать основные конструктивные решения промышленных и гражданских зданий и сооружений, физико-механические свойства металла, железобетона, дерева, камня и грунта, четко представлять себе расчетную схему и характер напряженного состояния элементов конструкций при эксплуатационной нагрузке и в процессе монтажа, уметь рассчитывать несложные строительные конструкции.

Курс строительных конструкций разделен на два тома. В первом томе изложены основные вопросы проектирования и расчета металлических, каменных, армокаменных и деревянных конструкций, оснований и фундаментов.

Освещены области применения различных конструкций, нагрузки и воздействия, основные положения по проектированию и расчету элементов конструкций. Предполагается, что учащиеся, приступающие к изучению строительных конструкций, уже знакомы с основными принципами объемно-планировочных решений и конструктивных частей зданий и сооружений.

Для облегчения практического пользования книгой при проектировании в ней помещены таблицы и графики справочного характера; даны примеры расчета, которые помогут учащимся усвоить теоретический материал, а также выполнить курсовые задания и проекты.

Книга соответствует программе курса «Строительные конструкции», утвержденной Управлением руководящих кадров и учебных заведений Монтажстроя СССР, и является учебником для строительных техникумов по специальности «Промышленное и гражданское строительство».

Второй том учебника посвящен проектированию и расчету железобетонных конструкций. Предисловие, введение и I раздел книги написаны д-ром техн. наук Т. Н. Цаем, II раздел — канд. техн. наук доц. М. К. Бородичом, III раздел — канд. техн. наук доц. А. П. Мандриковым, IV раздел — канд. техн. наук доц. А. Ф. Богдановичем, V раздел — проф. Л. М. Пешковским.

Авторы выражают благодарность д-ру техн. наук проф. И. А. Симвулиди и преподавателю Донецкого строительного техникума Е. П. Базилевичу за ценные замечания при рецензировании рукописи.

Введение

В совершенствовании промышленного и жилищно-гражданского строительства большое значение имеют рациональный выбор применяемых строительных конструкций и их совершенствование.

Строительные конструкции разделяют на металлические (преимущественно стальные), каменные, армокаменные, бетонные и железобетонные, конструкции из дерева.

История развития строительных конструкций связана с развитием производительных сил общества. Доля материалов в строительных конструкциях по массе (включая транспортное и энергетическое строительство) характеризуется данными, приведенными в табл. 1 (данные ЦИНИС Госстроя СССР).

Из таблицы видно, что во всех промышленно-развитых странах наибольшее распространение получили бетон, железобетон и кирпич. Каменные конструкции — наиболее древние, поскольку простейшие их виды можно было выполнять примитивными инструментами. В течение многих веков основным строительным материалом был камень. Известно, что еще в каменном веке были сооружения из необработанных естественных камней. Позже дли каменных конструкций применяли естественный камень, кнрнич-сырсц и обожженный кирпич. Многие годы кирпич был основным стеновым материалом.

В 1924 г. был опубликован первый в Советском Союзе научный труд о прочности каменной кладки (В. А. Гастев). В этой работе проанализировано напряженное состояние каменной кладки при сжатии. Большую роль в развитии теории и практики каменного строительства в СССР сыграли работы проф. Л. И. Онищика и результаты исследований, проведенных его учениками.

В 30-х годах нашего столетия разрозненные сведения о прочности и деформативности каменных конструкций были научно обоснованы исследованиями советских ученых и инженеров. Появились новые виды искусственных камней, а также армирование кирпичной кладки, что позволило заметно снизить расход материалов.

Широкое распространение получили облегченные каменные кладки, предложенные Н. С. Поповым, Н. М. Орлянкиным и Р. Н. Поповой, С. А. Власовым.

В 30-х годах строители располагали методами возведения каменной кладки в зимних условиях, что позволило ликвидировать сезонность каменных работ.

Каменные конструкции возводят из имеющихся на местах материалов. Они просты в изготовлении, обладают большой долговечностью и огнестойкостью. Однако возведение каменных конструкций связано со значительными трудовыми затратами. Чтобы сократить их, повысить механизацию кладочных работ и сократить сроки строительства, применяют крупные кирпичные блоки и виброкирпичные панели заводского изготовления.

Деревянные конструкции. Простейшие деревянные конструкции применялись наряду с каменными конструкциями. Техника их выполнения совершенствовалась по мере развития производительных сил. Выдающиеся образцы русского народного зодчества— рубленые крепостные сооружения и церкви — были созданы в XII—XVIII вв. в Москве, Киеве, Новгороде и многих других городах России.

Замечательными образцами деревянных конструкций начала XIX в. могут служить сохранившиеся до настоящего времени треугольные фермы многоригельной системы покрытия Московского манежа пролетом около 50 м, построенные в 1817 г., перекрытия Большого и Малого театров в Москве и др.

В XVIII—XIX вв. деревянные конструкции широко применялись в инженерных сооружениях: плотинах, шлюзах, мостах, а также при строительстве промышленных и общественных зданий.

В России было возведено много деревянных мостов больших пролетов с подкосной, балочной и арочной системами пролетных строений. Выдающийся русский ученый Д. И. Журавский создал оригинальные конструкции деревянных мостов.

В период первых пятилеток и во время Великой Отечественной войны деревянные конструкции применялись повсеместно, а их конструктивные формы интенсивно развивались: были созданы новые типы плоских и пространственных конструкций, а также новые типы соединений.

Достижения советской науки в защите древесины от гниения и возгорания, способствующей долговечности деревянных конструкций, делают их весьма перспективными.

В современных условиях наиболее совершенными деревянными конструкциями являются клееные заводского изготовления. Большую роль в развитии деревянных конструкций сыграли работы советских ученых: Г. Г. Карлсена, Ю. М. Иванова, А. И. Отрешко, В. В. Большакова, А. Б. Губенко, М. Е. Кагана, В. Ф. Иванова и др.

Но, несмотря на относительно высокую прочность, легкую обрабатываемость, малую массу и другие положительные качества деревянных конструкций, их широкое распространение ограничено из-за необходимости экономии древесины — ценного сырья для других отраслей народного хозяйства.

Металлические конструкции. Металл в строительных конструкциях уже с начала XII в. применялся для связей и затяжек в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах и т. п.).

В XVII—XVIII вв. применялись наслонные металлические стропила и пространственные купольные конструкции глав церквей. Стержни конструкции выполняли из кованых брусков и соединяли на замках и скрепах горновой сваркой. Примерами могут служить сохранившиеся до наших дней перекрытие пролетом 18 м над трапезной Троице-Сергиевого монастыря в Загорске, перекрытие старого Кремлевского дворца в Москве, каркас купола колокольни Ивана Великого, каркас купола Казанского собора в Ленинграде пролетом 15 м и др.

В начале XVIII в. появляются чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Чугунные элементы соединяли на замках или болтами. Первой чугунной конструкцией в России считается перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале.

Первый чугунный мост был построен в Англии в 1779 г., а в России (в Петербурге) в 1784 г. Чугунная арка пролетом 30 м применена в перекрытии Александрийского театра в Петербурге. В 1850-х годах в Петербурге был построен Николаевский мост с восемью арочными пролетами от 33 до 47 м, являвшийся самым крупным чугунным мостом мира. В конце прошлого столетия, применялись решетчатые каркасы рамно-арочной конструкции для перекрытия зданий значительных пролетов: покрытия Сенного рынка в Петербурге пролетом 25 м, Варшавского рынка пролетом 16 м, Гатчинского вокзала и др. Наиболее совершенной является рамно-арочная конструкция покрытия дебаркадера Киевского вокзала, построенного по проекту почетного акад. В. Г. Шухова.

Во второй половине XIX в. значительное развитие в нашей стране получило металлическое мостостроение в связи с ростом сети железных дорог.

Основателями русской школы мостостроения являются известные' инженеры и профессора: С. В. Кербедз, Н. А. Белелюбский, Л. Д. Проскуряков, Д. И. Журавский, Н. С. Стрелецкий, Е. О. Патон и др.

В современном строительстве металлические конструкции применяют в сооружениях с большими пролетами и высотами, а также в специальных сооружениях (мачтах, башнях, резервуарах и т. п.), где они оказываются экономически более эффективными, чем конструкции из других материалов.

Простейшие стальные конструкции — балки, колонны, фермы — целесообразны при возведении отдельных объектов нетипового строительства, при устройстве рабочих площадок для обслуживания технологического оборудования, при реконструкции существующих зданий и сооружений. Дальнейшее совершенствование металлических конструкций связано с внедрением сталей повышенной и высокой прочности, легких алюминиевых сплавов, новых типов профилей и методов сварки, предварительного напряжения конструкций.

Железобетонные конструкции начали применять со второй половины XIX в. в связи с развитием промышленности и транспорта. Первые железобетонные конструкции — плиты, балки и колонны — появились в 1860— 1880 гг. почти одновременно в нескольких наиболее развитых странах (Англия, Франция, Германия, США).

В России железобетон применяется с 1886 г. Широкое практическое применение железобетонных конструкций в строительстве приходится на конец XIX и начало XX в.

Созданию первых теоретических основ железобетона и его практическому внедрению способствовали работы ряда ученых: французских — Консидера и Ф. Генебика, немецкого — Е. Мёрша, австрийского — Р. Залигера, русских — Н. А. Белелюбского, И. Г. Малюги, И. С. Подольского, А. Ф. Лолейта, Г. П. Передерия, Я- В. Столярова, М. Я- Штаермана, С. Е. Фрайфельда, А. А. Гвоздева и др.

Первые теории расчета железобетона базировались на законах сопротивления материалов; бетон рассматривали как упругий материал, подчиняющийся закону Гука. Первые технические условия на железобетонные сооружения издаются в 1904—1908 гг. в Германии, Франции и России. Однако объемы применения железобетона в дореволюционной России были крайне невелики.

В советский период железобетонные конструкции вначале применялись в гидротехническом и промышленном, а затем и в гражданском строительстве. Благодаря работам советских ученых в 1925—1932 гг. были спроектированы и построены уникальные для того времени сооружения — Центральный телеграф и дом «Известий» в Москве, Дом промышленности в Харькове, Дом Советов в Ленинграде, много крупных промышленных объектов и гидротехнических сооружений.

В 1928 г. появились пространственные конструкции, с этого же времени внедряется сборный железобетон. В 30-х годах идея предварительного напряжения железобетона, высказанная еще в конце прошлого века, приобрела практическое значение благодаря работам известного французского инж. Э. Фрейсине. Огромный размах строительства после Великой Отечественной войны потребовал внедрении индустриальных методой возведении здании и сооружений с применением сборных элементов заводского изготовления. Была создана новая отрасль народного хозяйства — промышленность сборного железобетона, ставшая индустриальной базой современного капитального строительства. С тех пор она непрерывно развивается. Так, в 1954 г. сборных железобетонных конструкций и изделий было изготовлено 3,1 млн. м3, в 1973 г.—102 млн. м3, в 1974 г.— 108 млн. м3, в 1975 г.— 114 млн. м3.

В настоящее время железобетонные конструкции занимают ведущее место в строительстве. Основания и фундаменты. Теоретической основой для правильного подхода к проектированию оснований и фундаментов является старейшая инженерная наука — механика грунтов, начало которой положено в 1773 г. первой теоретической работой Ш. О. Кулона о боковом давлении грунта засыпки на подпорную стенку.

В России в 1835—1840 гг. теоретические основы науки об основаниях и фундаментах были опубликованы путейским инженером М. С. Волковым. В 1869 г. петербургский профессор В. М. Карлович опубликовал первый в мировой технической литературе курс «Основания и фундаменты».

Проф. В. И. Курдюмовым опубликован ряд работ по исследованию сопротивлений естественных оснований, где указывались особые пути науки о сопротивлении грунтов оснований, отличных от обычных строительных конструкций.

Большой вклад в разработку теории устойчивости сыпучих песчаных грунтов внес русский инженер Г. Е. Паукер.

В 1910 г. были опубликованы исследования по устойчивости грунтов проф. С. И. Белзецкого. Большой научный вклад в исследование механики грунтов и фундаментостроения внесли отечественные ученые: Н. М. Герсеванов, Н. А. Цитович, Н. П. Пузыревский, Ю. М. Абелев, М. И. Горбунов-Посадов, В. Г. Березанцев, Г. К- Клейн, И. П. Прокофьев, И. А. Симвулиди, В. А. Флорин, К- Е. Егоров и многие другие.

В 1942 г. вышел труд члена-корреспондента АН СССР проф. В. В. Соколовского «Статика сыпучей среды», в котором впервые решены многие вопросы устойчивости грунтов методами теории предельного равновесия. За последние годы советскими учеными даны общие решения плоской и пространственной задач механики грунтов.

За рубежом механику грунтов исследовали К. Терцаги, Ф. Шлейхер, Л. Прандтль, Г. Рейсснер, Како, Г. Крей, Кейль, А. Казагранде и др.

На основе теоретических и экспериментальных исследований в СССР разработаны нормы проектирования естественных оснований и фундаментов промышленных и гражданских зданий и сооружений.

Успехи механики грунтов способствовали разработке методов расчета напряженного состояния и осадок оснований сооружений. Для проектирования рациональной конструкции фундамента надфундаментные конструкции здания, фундаменты и грунтовое основание рассматривают как единую пространственную систему.