Основы архитектуры и строительных конструкций

Введение
Архитектура — это искусство проектирования и строительства зданий, сооружений и их комплексов, то есть искусство создания материальноорганизованной среды. Как область строительной деятельности человека, архитектура отражает уровень научно-технического развития общества, а как область искусства, архитектура в художественных образах отражает определенное идейное содержание.
Все здания классифицируются по:
1) функции (жилые, общественные, промышленные, сельскохозяйственные;
2) жилые и общественные здания образуют группу гражданских зданий);
3) этажности малоэтажные, средней этажности, многоэтажные, повышенной этажности, высотные;
4) по материалу стен каменные и кирпичные, деревянные, бетонные и железобетонные и;
5) по огнестойкости 5 степеней по огнестойкости основных конструкций:
1 группа — все конструкции несгораемые,
5 группа — все сгopаемые;
6) по долговечности сроку службы конструкции:
1 степень — 100 лет,
2 степень — 50 лет,
3 степень — 20 лет,
4 степень — не нормируется.
Строительно-архитектурные конструкции могут занимать второстепенное положение в архитектуре здания, обеспечивая лишь его прочность, жесткость и устойчивость, а могут выступать и как главный фактор создания художественно-эстетического облика здания.
1 Архитектура гражданских зданий
1.1 Классификация зданий
В зависимости от значимости и назначения, все здания и сооружения подразделяются на 4 класса:
1 класс — здания и сооружения с повышенными требованиями (крупные или уникальные здания или сооружения);
2 класс — здания и сооружения со средними требованиями (здания массового строительства);
3 класс — здания и сооружения с пониженными требованиями (малоэтажные здания);
4 класс — здания и сооружения с минимальными требованиями временные здания и сооружения.
Кроме зданий существуют так называемые сооружения или инженерные сооружения.
К ним относятся: мосты, путепроводы, дымовые трубы, мачты, градирни, опоры ЛЭП, вышки, силосные башни, бункера.
Основными требованиями к зданиям являются: функциональная, техническая и экономическая целесообразность, архитектурно-художественная выразительность, высокие эксплуатационные качества.
Основным направлением развития современного строительства является индустриализация. Индустриализация строительства основывается на комплексной механизации, унификации и типизации. Унификация — это отбор, анализ и приведение к единообразию объемно-планировочных и конструктивных элементов здания. Типизация — это отбор для многократного применения наиболее совершенных объемно-планировочных и конструктивных решений зданий.
Основой унификации является единая модульная система с модулем М100 мм. Наряду с этим основным единым модулем существуют также дробные и укрупненные модули. Объемно-планировочный элемент здания — это часть объема здания с размерами, равными шагу и пролету несущих конструкций, а также высоте этажа. В соответствии различают номинальные модульные, конструктивные и фактические размеры.
Жилые здания классифицируются по:
назначению: жилые дома, общежития, гостиницы;
объемно-планировочной структуре: односекционные или башенные, многосекционные, коридорные, галерейные, блокированные, индивидуальные, с комбинированной структурой.
Общественные здания различают по: функциональному назначению, градостроительной роли, этажности, вместимости, конструктивному решению, а также делятся на специализированные и универсальные. Специализированные общественные здания служат:
для нужд образования, здравоохранения;
для отдыха, физкультуры и спорта;
для НИИ и проектно-конструкторских организаций;
для зрелищных мероприятий;
для учреждений торговли и общественного питания;
транспорта.
К универсальным общественным зданиям относятся зрелищноспортивные здания и здания киноконцертных залов так называемые многофункциональные здания.
Планировочные решения общественных зданий отражают различные функциональные процессы, происходящие в них. Существует несколько основных планировочных схем: коридорная, анфиладная, зальная и комбинированная.
В отличие от жилых зданий, общественные здания имеют ряд особенностей: разнообразие функций, сосредоточение большого количества людей, широкий диапазон требований к физико-техническим параметрам среды и .
Особенностями проектирования общественных зданий являются: применение укрупненных конструктивно-планировочных модулей; особые требования к путям эвакуации, звуковому режиму, состоянию воздушной среды, освещенности, зрительному восприятию и видимости; а также требования к эстетике архитектурного решения.
Конструкции любого здания разрабатываются на основе принятой конструктивной системы. Конструктивная система здания — это совокупность взаимосвязанных несущих конструкций, обеспечивающих его прочность, жесткость и устойчивость.
Несущие конструкции — это взаимосвязанные вертикальные и горизонтальные элементы, воспринимающие нагрузки, действующие на здание и нагрузки, возникающие в здании.
1.2 Фундаменты
Основанием называется массив грунта, расположенный под фундаментом и воспринимающий нагрузку от здания или сооружения. Основания могут быть естественными или искусственными, т.е. такими, которые требуют искусственного упрочнения—трамбования, цементизации, битуминизации.
Если естественное основание не удовлетворяет условиям эксплуатации, то его закрепляют, делая, таким образом, из естественного основания искусственное, либо заменяют.
Закрепление естественного грунта осуществляется путем нагнетания в грунт различных веществ в жидко-пластичном состоянии цементного или цементно-песчаного раствора, силикатных растворов, битума.
Такое закрепление называется цементизацией, силикатизацией или битуминизацией. Такие составы химически или механически связывают частицы грунта.
Уплотнение грунта происходит также различными механическими методами: поверхностным трамбованием с предварительным замачиванием, глубинной вибрацией или свайным упрочнением. При замене грунта удаляется слабый слой и заменяется более прочным насыпным грунтом. Требования к основаниям заключаются в требованиях к их несущей способности, устойчивости к грунтовым водам, неподвижности, неподверженности пучению.
Грунты, используемые для оснований, включают в себя: глинистые грунты, песчаные грунты, крупнообломочные и скальные грунты. Глубина заложения фундамента зависит от типа грунтов, нагрузок на фундамент, глубины промерзания грунта, наличия подвала, уровня грунтовых вод.
Фундамент служит для передачи нагрузок от здания на основание. Фундамент обычно состоит из вертикального элемента стены или столба с нижней уширенной частью, называемой подушкой.
Материалом для фундамента служат кирпич, бетон, бут, бутобетон, железобетон, дерево и сталь. Основные силовые и несиловые воздействия на фундамент следующие: вес здания, боковое давление грунта, сила пучения, вибрация, температура грунта, грунтовая влага, агрессивные воздействия, температура помещения, влажность воздуха в помещении, упругий отпор грунта.
Основные типы фундаментов:
столбчатые под несущие стены;
отдельно стоящие под колонны или столбы (изолированные);
ленточные мелкого заложения;
ленточные глубокого заложения;
свайные;
сплошные.
Защита фундаментов от грунтовой влаги, грунтовых вод и атмосферных осадков осуществляется: отделкой цоколя, отмосткой, горизонтальной и вертикальной гидроизоляцией тяжелый бетон, пережженный кирпич, мятая жирная глина, обмазочная и обклеечная гидроизоляция.
Тяжелый бетон применяется в конструкции пола подвала, отделка цоколя осуществляется влагостойкими и влагонепроницаемыми материалами.
Рулонная гидроизоляция закладывается горизонтально между цоколем и стеной. Обмазочная гидроизоляция мятая глина или пережженный кирпич, защищает внешнюю сторону фундаментной стенки.
1.3 Стены
Каменный несущий остов гражданских зданий представляет собой классическую стеновую систему.
Основным элементом каменного остова зданий являются стены. Толщина стен определяется либо по ее несущей способности, либо по теплотехническому расчету.
Принимается большее значение толщины.
Для усиления стен часто применяется:
армирование;
проемы в каменных стенах перекрывают перемычками или арками;
у поверхностей земли устраиваются цоколи;
стены завершают карнизами или парапетами.
Мелкоразмерные каменные стены возводятся из естественных или искусственных материалов.
Размеры наиболее традиционного мелкоразмерного изделия для стен — кирпича равны 250х120х65.
Толщина стен из кирпича измеряется в половинах длины кирпича или в миллиметрах (с учетом толщины растворных швов 10 мм): 0,5 кирпича (120 мм); 1 кирпич (250 мм); 1,5 кирпича (380 мм); 2 кирпича (510 мм).
Кладка бывает как сплошная (рис. 14), так и облегченная или многослойная с включением внутренних утепляющих слоев.
Перемычки в основном бывают: брусовые из сборного железобетона, рядовые армоцементные, металлические из прокатных профилей.
Крупные блоки — это сборные стеновые элементы, изготовленные из бетона, камня и имеющие форму параллелепипеда.
Эти блоки — самоустойчивые элементы, высота, ширина и толщина которых совместимы между собой.
Блоки бывают простеночными, цокольными, перемычечными, подоконными.
Прочность и устойчивость стен обеспечивается перевязкой блоков, связью с внутренними стенами и элементами перекрытий через закладные детали.
Внутренние блоки имеют толщину 200 и 300 мм и выполняются из тяжелого бетона. Наружные имеют толщину 300, 400, 500, 600 мм и выполняются из легкого бетона. Основные перевязки и типы разрезок крупноблочных стен представлен.
Стеновые панели — это крупные жесткие плоские элементы с шириной или высотой, значительно превышающей их толщину. Стеновые панели изготовляют из различных видов бетона, а по конструкции они бывают однослойными, двухслойными и трехслойными.
Разрезка наружных стен в панельных бескаркасных зданиях, как правило, однорядная горизонтальная, но может быть вертикальной и более сложной. Толщина панелей 200-250-300-350-400 мм.
Наружные стены в каркасных зданиях бывают навесными и самонесущими, передающими собственный вес на элементы каркаса и их разрезка в основном горизонтальная ленточная.
При самонесущих панельных стенах их элементы крепятся к колоннам каркаса гибкими связями, обеспечивающими устойчивость панелей; при панелях они опираются на ригели каркаса, консольные выступы панелей перекрытия или на опорные столики, приваренные к колоннам.
1.4 Каркасные здания
Каркасное здание — это здание, в котором основой несущего остова является каркас, состоящий из системы фундаментов, колонн, ригелей, плит перекрытий и элементов жесткости — связей, диафрагм или ядер жесткости.
Основными строительными материалами для устройства каркасов являются сборный или монолитный железобетон для зданий массового строительства, сталь для уникальных, высотных или крупных промышленных зданий и дерево для малоэтажных гражданских зданий.
По характеру работы каркасы подразделяются на три разновидности: рамную, связевую и рамно-связевую.
Рамная схема — это элементы каркаса, жестко соединенные в конструктивных узлах в устойчивую и жесткую пространственную схему, воспринимающую вертикальные и горизонтальные усилия.
Связевая схема — это схема, при которой горизонтальные усилия воспринимаются жесткими перекрытиями, диафрагмами и ядрами жесткости. Вертикальные усилия воспринимаются колоннами и фундаментами. Соединения вертикальных и горизонтальных элементов при этом принимается условно шарнирными.
Рамно-связевая схема представляет собой комбинацию рамных и связевых схем. При этом в одном направлении жесткость обеспечивается вертикальными элементами жесткости диафрагмами или связями, а в другом — самой рамой. Для гражданских зданий применяют в основном сборный железобетонный каркас.
Для рамного каркаса применяют разрезку на Г-, Т-, Н-, П-образные плоские элементы. Для связевого каркаса применяются прямолинейные элементы. Фундаменты под колонны каркасных зданий устраиваются, как правило, из сборных железобетонных блоков стаканного типа. Сборные железобетонные колонны каркасных зданий выполняются обычно сечением 300х300 и 400х400 мм с одной или несколькими консолями, а также с вынесенными консолями. По высоте колонны изготавливаются на один или два этажа.
Ригели, воспринимающие нагрузку от междуэтажных перекрытий и передающие ее на колонны, в зависимости от перекрываемого пролета и расположения в здании, назначаются различных сечений: прямоугольного, таврового, в виде обратного тавра. В случае опирания плит перекрытий на боковые полки ригелей экономится высота этажа и здания в целом.
Перекрытия каркасных зданий выполняются из сплошных, пустотных или ребристых железобетонных панелей. При этом часть плит играет роль связей или распорок, которые укладывают по осям колонн. Рядовые панели укладывают между связевыми панелями.
Вертикальные диафрагмы жесткости проектируют на всю высотуздания, начиная от фундамента. Элементы диафрагм имеют поэтажную разрезку и представляют собой глухие железобетонные стенки с полками поверху для опирания плит перекрытия.
С колоннами диафрагмы соединяются сваркой закладных деталей, а стыки замоноличиваются. Наружные стеновые панели могут опираться на ригели каркаса в случае продольного их расположения, на крайнюю панель перекрытия или непосредственно на колонну.
1.5 Покрытия и кровли
Для защиты от атмосферных осадков, от потерь тепла или перегрева, здания ограждаются сверху покрытиями крышами.
Основными видами покрытий являются чердачные и совмещенные покрытия. Чердачное покрытие состоит из чердачного перекрытия над последним этажом и собственно конструкции крыши, между которыми находится чердак.
Совмещенное покрытие обычно плоское образуется при совмещении конструкции крышис чердачным перекрытием.
Покрытие крыша имеет 2 основных элемента: несущую конструкцию и ограждающую конструкцию кровлю. Скатные чердачные крыши устраиваются над зданиями небольшой ширины и малой этажности. Чердачные скатные крыши выполняют в виде связанных между собой наклонных плоскостей скатов.
Уклон скатов зависит от материала кровли и от климатических условий. Основными геометрическими формами скатных крыш являются двускатная щипцовая крыша, четырехскатная вальмовая крыша, мансардная крыша.
Несущие конструкции чердачных покрытий разделяются на наклонные и висячие стропила. Наклонные стропила применяются для небольших пролетов и представляют собой балочную или стоечно-балочную конструкцию. Висячие стропила применяются для больших пролетов и представляют собой простейший тип ферм.
Для скатных крыш применяют различные кровельные материалы. Наиболее типичными являются:
кровли из рулонных материалов рубероид, толь;
кровли из плоских мелкоразмерных асбоцементных листов шифера;
кровли из волнистых крупноразмерных асбоцементных листов;
черепичные кровли;
стальные кровли;
кровли из мелкоразмерных рубероидных плиток;
кровли их естественного шифера сланца;
кровли из деревянной дранки и гонта.
Для отвода воды с крыш ее скаты делаются наклонными. По величине угла наклона ската к горизонтали различают крутые крыши, пологие крыши и плоские крыши.
Для многоэтажных гражданских зданий крыши устраиваются в основном малоуклонные, но могут и как скатные с внутренней или наружной системой водостока. В массовом гражданском строительстве применяются конструкции крыш следующих основных типов:
чердачные с холодным или теплым чердаком;
бесчердачные раздельной конструкции;
бесчердачные совмещенной конструкции невентилируемые.
Традиционный состав малоуклонных крыш построечного изготовления:
гравий светлых тонов, втопленный в битумную мастику, или бронированный рубероид;
гидроизоляционный рулонный ковер из нескольких слоев рубероида;
цементная стяжка (может быть по уклону);
плитный или насыпной утеплитель;
пароизоляция (рубероид, толь, обмазка горячим битумом);
железобетонная плита.
Чердак в многоэтажных гражданских зданиях обычно используется как технический этаж для установки инженерного оборудования, лифтового хозяйства [3].
2 Строительные конструкции
2.1 Общие сведения о строительных конструкций
Все строительные материалы и изделия являются основой для изготовления строительных конструкций. Свойства строительных материалов определяют свойства строительных конструкций, поэтому строительные конструкции создавались и совершенствовались по мере того, как внедрялись в строительную практику новые материалы.
Одновременно с этим новые конструкции появлялись тогда, когда появлялась необходимость в новых типах зданий или в увеличении размеров существующих типов зданий. Поэтому можно утверждать, что развитие строительства и архитектуры в значительной степени зависит от развития строительных конструкций. К строительным конструкциям относятся конструкции зданий и сооружений, образующие их остов и воспринимающие все действующие на них нагрузки.
По виду материала строительные конструкции подразделяются на металлические, железобетонные, каменные, деревянные конструкции и конструкции с применением пластмасс.
К строительным конструкциям предъявляются требования, которым они должны удовлетворять на всех стадиях своего существования: в процессе изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации. Кроме главного требования — обеспечения прочности, жесткости и устойчивости конструкций, основными являются также экономические и функционально-эксплуатационные требования.
Экономичность конструкций зависит от расхода и стоимости материалов, стоимости изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатационных расходов. Функционально-эксплуатационные требования сводятся к тому, чтобы конструкция удовлетворяла своему назначению, была удобна и безопасна в эксплуатации и требовала бы наименьших затрат для поддержания ее в рабочем состоянии. Строительные конструкции подразделяются не только по материалу.
Все конструктивные элементы и части зданий и сооружений можно подразделить на несколько групп: горизонтальные и вертикальные, плоские и линейные, плоскостные и пространственные конструкции:
стены — плоские вертикальные конструкции;
столбы, стойки и колонны — вертикальные линейные (точечные) конструкции;
балки и фермы перекрытий и покрытий — горизонтальные линейные конструкции.
К ним относятся также арки и рамы. Балки и фермы относятся к безраспорным конструкциям, т.е. передающим на опоры стены и колонны только вертикальную нагрузку. Рамы, арки и своды являются распорными конструкциями, передающими на опоры не только вертикальную нагрузку, но и возникающие в конструкции распорные усилия так называемый распор [5].
Плоскостные и пространственные конструкции по большей части относятся к покрытиям зданий. К плоскостным относятся покрытия с линейными конструкциями — балками, фермами, арками, рамами.
Разнообразные типы пространственных конструкций в основном могут быть сведены к оболочкам, сводам — оболочкам, куполам, складчатым конструкциям, перекрестно-стержневым системам, висячим и тентовым конструкциям. Плоскостные конструкции состоят из элементов, каждый из которых работает в своей отдельной вертикальной плоскости. Пространственные конструкции «работают» пространственно, поэтому они более эффективны. Необходимо также проследить и проанализировать, как изменялись строительные конструкции во времени и какую роль в этих изменениях играли строительные материалы. Дерево, камень и кирпич. Известные с древности материалы позволяли строить в основном небольшие здания с несложными конструкциями. Камень и необожженный кирпич использовались для стен, дерево часто необработанное, в виде бревен — для конструкций крыш, а в лесистых районах — и для стен.
Позже для балок покрытий и стоек стала применяться примитивно-обработанная древесина в виде брусьев. Уже тогда было замечено, что деревянные элементы хорошо сопротивляются изгибу и успешно могут быть использованы для перекрытия «пролетов» — расстояний между опорами. При увеличении размеров зданий пролеты также увеличивались и для перекрытия их требовались уже другие конструкции, так как балки при этом становились слишком массивными. Такими конструкциями стали сначала стропила, а затем и фермы из дерева.
Стропила — незамкнутые решетчатые конструкции представляют собой наклонные балки с поддерживающей их системой подкосов и стоек. Ферма — это замкнутая решетчатая конструкция, имеющая главную отличительную особенность — нижний пояс или затяжку.
Фермы — это сложные и многодельные конструкции, способные перекрывать здания большой ширины и не требующие дополнительных внутренних опор. Балки и фермы, выполненные в виде единой конструкции со стойками, соединенными между собой жесткими узлами, образовывали так называемые «портальные рамы», которые имели значительно большую несущую способность и жесткость, чем составляющие их отдельные элементы [6].
Рамы и балки криволинейного очертания назывались «арками». Когда появились строительные растворы и каменную кладку стали вести с их применением, камень стал использоваться не только для конструкций стен, но и для перекрытий и покрытий. Начали сооружаться каменные арки, на основе которых возводились своды и купола значительных размеров. Это позволило не только увеличить размеры зданий, но и придать им величественный и монументальный вид.
С появлением обожженного кирпича, которым во многих случаях заменяли, камень, стены, столбы, своды и купола, выполненные из кирпича на растворе и с перевязкой швов, стали более прочными и менее массивными. Бетон, сталь и железобетон. Бетон первое время применялся в основном как материал заполнения в конструкциях из камня и кирпича. До появления стали, а затем и железобетона бетон в строительстве в основном играл второстепенную роль и использовался лишь в конструкциях, работавших на сжатие — в фундаментах, стенах, столбах, арках, куполах и как заполняющий материал.
Появление стали вызвало как усовершенствование уже известных конструкций, так и появление новых. Из металла начали возводить крупные многоэтажные здания с каркасной конструктивной системой. Появились металлические колонны, балки, фермы, рамы и арки. Своды и купола, возводимые с применением металлического каркаса, стали еще более внушительными. Появилось много новых металлических инженерных сооружений и принципиально новый тип гражданских зданий повышенной этажности, которые стали называть небоскребами.
Сталь применяли в прошлом и применяют сейчас для большепролетных конструкций и при этом постоянно разрабатываются новые конструктивные решения. К наиболее эффективным относятся висячие вантовые конструкции и перекрестно-стержневые пространственные системы структуры.
Железобетон способствовал обогащению конструктивных форм, но его использование не привело к появлению новых типов строительных конструкций, за исключением стеновых панелей и плит перекрытий. Этот материал с успехом заменяет практически все другие конструкционные материалы.
Все, что раньше возводилось только из дерева, камня или кирпича, сегодня может быть выполнено из монолитного или сборного железобетона. Конечно, это не означает, что традиционные строительные материалы исчезли из современной строительной практики. Дерево применяется в малоэтажном жилищном строительстве при каркасных или стеновых конструктивных системах зданий и для отделочных работ, а также для несущих конструкций в ряде зальных общественных зданий. Камень продолжает применяться в малоэтажных гражданских зданиях при их стеновой конструктивной системе, но главным образом его в настоящее время используют для отделки.
Кирпич также нашел широкое применение в современном строительстве. Однако он уже используется не только для традиционных построек со стеновой конструктивной системой. Развитие каркасных зданий сделало возможным применение кирпича для стен и в стоечнобалочной конструктивной системе, когда кирпичные стены, опираясь на горизонтальные элементы каркаса, не являются несущими и выполняют только ограждающие функции.
К строительным конструкциям относятся конструкции, воспринимающие действующие на них нагрузки и обеспечивающие прочность, жесткость, устойчивость зданий и сооружений. Размеры сечений таких конструкций определяются расчетом по несущей способности, деформации или трещиностойкости.
В настоящее время в качестве основного метода расчета принят метод расчета строительных конструкций по «предельным состояниям». Предельным называется такое состояние конструкции, когда она перестает сопротивляться внешним нагрузкам или же когда в ней возникают недопустимые перемещения или местные повреждения. В этом методе используются следующие коэффициенты: по нагрузкам, по прочности материалов и по условиям работы конструкций. Это приближает расчетные предпосылки к действительным предельным состояниям работы конструкции.
2.1 Металлические конструкции
Сталь является основным материалом металлических конструкций. Она обладает высокой прочностью, пластична, хорошо сваривается и сопротивляется динамическим воздействиям.
Для легких конструкций используют алюминиевые сплавы или холоднокатаную сталь. Свойства стали зависят от нее химического свойства и технологии изготовления.
Для строительных конструкций применяют малоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,22 %. Повышение прочности стали без снижения ее пластичности достигается введением легирующих добавок — марганца, кремния, меди, никеля, хрома легированные стали, или ее термическим упрочнением.
Болты, изготовленные штамповкой прокатных прутков, называются болтами нормальной точности, или «черными» болтами, а выточенные по диаметру отверстия — болтами повышенной точности, или «чистыми» болтами. Отверстия для заклепок и болтов могут быть продавлены или высверлены. Заклепки и «черные» болты ставят в продавленные отверстия, а «чистые» болты — в просверленные [8].
По линии сопряжения соединяемых элементов заклепки и болты работают на срез, а по боковым поверхностям — на смятие. Эффективным методом соединения металлоконструкций является соединение на высокопрочных болтах; при этом соединяемые элементы работают и за счет трения между ними.
Стальные конструкции рассчитываются:
1) по несущей способности на прочность, устойчивость и выносливость;
2) по деформациям на жесткость.
Стальные балки выполняют в основном из прокатных двутавров и швеллеров, которые обладают высокой прочностью и жесткостью. При больших пролетах балки делают составными в виде двутавров из стальных листов. По статической расчетной схеме балки могут быть разрезными однопролетными, неразрезными многопролетными и консольными. Система балок, составляющая несущую конструкцию перекрытия или покрытия, называется «балочной клеткой». Балки, передающие нагрузки на опоры, называются главными, а балки, опирающиеся на них и поддерживающие ограждающую конструкцию перекрытия, называются второстепенными. Настил по балкам может быть из монолитного или сборного железобетона или из стальных листов.
Расчет прочности балки состоит в определении краевых нормальных напряжений в сечении, где действует максимальный изгибающий момент от расчетных нагрузок.
Эти напряжения не должны превышать расчетного сопротивления R. Ферма — это сквозная решетчатая конструкция, которая применяется в качестве несущего элемента покрытия здания. Фермы в основном бывают полигональные, треугольные, с параллельными поясами и сегментные. В геометрической схеме фермы каждый стержень изображается одной линией, проходящей через центр тяжести его сечения [7].
Оси всех стержней, сходящихся в узле, пересекаются в одной точке. Соединение стержней во всех узлах принимается шарнирное, поэтому от нагрузок, приложенных в узлах, все элементы испытывают только осевые усилия-сжатия или растяжения.
В фермах верхний пояс сжат, а нижний — растянут. Стальные колонны могут быть сплошными из листов, прокатных профилей или сквозными состоящими из отдельных ветвей, соединенных между собой планками или решеткой.
В верхней части колонны имеют «оголовок» для опирания балок или ферм, а внизу — уширенную часть базу для опирания на фундамент. Внецентренно-сжатые колонны испытывают совместное воздействие продольной силы N и изгибающего момента М.
По конструктивному решению эти колонны бывают сплошными и сквозными. По высоте сечения колонны бывают с постоянной и с переменной высотой ступенчатые.
Внецентренно-сжатые колонны рассчитывают на прочность и устойчивость. В колоннах раздельного типа одна стойка проходит на всю высоту здания, поддерживая несущую конструкцию покрытия, а другая идет до подкрановой балки, поддерживая ее, имеет меньшую высоту. Такие конструкции колонны характерны для промышленных зданий.
2.3 Сведения о железобетоне
Железобетон состоит из бетона и стальной арматуры, которые работают совместно. Бетон обладает высоким сопротивлением сжатию и низким сопротивлением растяжению. Стальная арматура обладает высоким сопротивлением, как на сжатие, так и на растяжение.
Эти качества материалов используются в железобетоне совместно. В изгибаемых элементах высокое сопротивление бетона сжатию используется в сжатой зоне, а высокое сопротивление арматуры растяжению — в растянутой зоне, где бетон слабо сопротивляется растяжению и в нем образуются трещины. В изгибаемых элементах укладывают относительно небольшое количество арматуры, но эта арматура во много раз повышает несущую способность изгибаемого элемента например, балки.
Арматуру применяют также и в сжатых элементах. В результате эти элементы приобретают более высокую несущую способность например, колонны.
Затвердевший бетон имеет довольно хорошее сцепление со стальной арматурой. В результате этого оба материала деформируются совместно. Железобетон обладает большой долговечностью, высокой огнестойкостью, хорошей сопротивляемостью атмосферным воздействиям, статическим и динамическим нагрузкам, слабой проницаемостью влаги, газов и радиации. По способу изготовления железобетонные конструкции бывают сборные, монолитные, и сборно-монолитные. Бетон представляет собой неоднородный материал, который состоит из крупного заполнителя щебня или гравия, мелкого заполнителя песка, цемента и воды.
Сопротивление сжатию — важная характеристика механических свойств бетона. Оно зависит от прочности цементного камня, качества заполнителя и плотности бетона. Сопротивление бетона сжатию оценивается классом бетона, т.е. временным сопротивлением сжатию бетонного куба с ребром 150 мм. СНиП установлены классы бетона на сжатие от В-10 до В-60 с градацией через 5 классов и диапазоном прочности от 7,5 мПа для бетона класса В-10, до 43,0 мПа для бетона класса В-60.
Прочность бетона определяется испытанием на сжатие контрольных образцов. Разрушение сжатого образца происходит вследствие поперечного расширения образца, вызывающего образование трещин. Прочность бетона при осевом растяжении составляет 1/10—1/15 прочности.
При изгибе прочность бетона на растяжение на 70% выше его прочности при осевом растяжении, которая, однако, также является крайне незначительной. Кроме классов бетона существуют и марки бетона по водонепроницаемости, по морозостойкости, по плотности.
Бетон — неупругий материал и с течением времени деформации в нем увеличиваются при той же нагрузке, т.е. имеет место процесс «ползучести бетона». Ползучесть бетона — это самопроизвольное возрастание деформаций при постоянном длительном напряжении. Ползучесть бетона обусловлена природой цементного камня: она тем выше, чем больше количество цемента и начальное содержание воды [10].
Арматура в железобетоне предназначается в основном для восприятия растягивающих усилий в изгибаемых и растянутых элементах и для усиления сжатых элементов. Ее количество определяется расчетом. Эта арматура называется рабочей. Для обеспечения восприятия монтажных и других неэксплуатационных нагрузок применяют монтажную арматуру. Рабочую и конструктивную арматуру объединяют в арматурные изделия: сварные или вязаные каркасы или арматурные сетки. Кроме этого существует также конструктивная арматура, которая используется, в частности, для повышения трещиностойкости железобетона в виде так называемых хомутов.
Стальная арматура подразделяется на горячекатаную, стержневую и холоднокатаную проволочную. Стержневая арматура в зависимости от характера поверхности бывает гладкой и периодического профиля.
Стержневая арматура подразделяется на классы от А-240 до А-1000 в зависимости от ее механических свойств, с нормативными сопротивлением растяжению от 240 до 1000 мПа соответственно. Стержневая арматура имеет диаметр от 6 до 40 мм, проволочная — диаметр от 3 до 15 мм. Соединение стержней арматуры по длине осуществляют сваркой или путем их «перепуска» без сварки. Арматура и бетон в железобетоне оказывают положительное влияние друг на друга, как при силовых, так и при несиловых воздействиях. Бетон надежно предохраняет арматуру от коррозии и от огня. Активное взаимодействие бетона и арматуры обеспечивается высоким сцеплением их по поверхности контакта. B изгибаемых элементах, до образования трещин в бетоне, арматура и бетон работают и деформируются совместно. После образования трещин в бетоне растянутой зоны все усилия в этой зоне передаются на арматуру.
Арматура также воспринимает усилия, возникающие при усадке или ползучести бетона. При проектировании железобетонных элементов необходимо соблюдать правила конструирования, установленные нормами. Следует иметь ввиду, что большинство повреждений и аварий железобетонных конструкций происходит не от ошибок в расчетах, а из-за нарушения правил конструирования, а также из-за низкого качества работ и несоответствия эксплуатационного режима расчетному.
2.4 Деревянные конструкции
Дерево — один из древнейших строительных материалов, который широко применялся и применяется для самых разнообразных построек. 90 В настоящее время древесина широко используется для малоэтажного индивидуального строительства и для отделочных работ.
Однако древесина применяется сейчас и для уникальных конструкций зданий — как правило, общественных. Древесина в строительстве используется в основном в виде конструктивных материалов — брусьев и досок, из которых изготавливаются конструктивные элементы и части зданий.
Для отделки используются так называемые погонажные изделия из древесины — шпунтованные доски, плинтусы.
Более глубокая переработка древесины дает возможность получить и другие изделия из дерева и его отходов: фанеру, древесностружечные и древесноволокнистые плиты. Для конструкций зданий используется в основном древесина хвойных пород: сосна или лиственница, реже ель или пихта.
Для особо важных конструкций может использоваться дуб или кедр. Лиственные породы (дуб, ясень, клен, орех) применяются в основном для столярных, декоративных и отделочных работ — то есть там, где кроме прочности древесины требуется ее долговечность и хороший внешний вид. Древесина имеет кольцевую структуру ствола, с более старым древесным материалом в центре и более молодым — на периферии ствола. В соответствии с этим центральная зона ствола обладает большей прочностью и меньшей деформативностью.
В соответствии с этим приняты основные правила распиловки древесины на различные изделия: бру