Строительные конструкции

Серия «Высшее образование»






В. А. Волосухин, С. И. Евтушенко, Т. Н. Меркулова






            СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ



Учебник для студентов вузов



Издание четвертое, переработанное и дополненное

Допущено Министерством сельского хозяйства Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 280100 «Природообустройство и водопользование»







Ростов-на-Дону

ОНИКС
2013

УДК 624.0(075.8)
ББК 38.5я73
КТК 272
      В68



    Рецензенты: Шеина С.Г., д-р техн, наук, проф., проректор по научной работе ФГБОУ ВПО РГСУ; Приходченко О.Е., д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой инженерной геологии, основания и фундаментов ФГБОУ ВПО РГСУ; Бузало НА., канд. техн. наук, зав. кафедрой строительства и архитектуры Южно-Российского государственного технического университета (бывш. НПИ)



       Волосухин В.А.
В68 Строительные конструкции : учебник для студентов вузов / В. А. Волосухин, С. И. Евтушенко, Т. Н. Меркулова. — Изд. 4-е, перераб. и доп. — Ростов н/Д : Феникс, 2013. — 554 с. : ил. — (Высшее образование).

ISBN 978-5-222-20813-7




    В учебнике излагаются методы расчета и проектирования элементов конструкций из различных строительных материалов (металла, древесины, пластмасс, железобетона). Приведенные примеры охватывают конструкции и их элементы зданий и сооружений водохозяйственного, промышленного и гражданского назначения по направлению 280100 «Природообустройство и водопользование».
    Учебник предназначен для студентов технических вузов.


ISBN 978-5-222-20813-7

                                            УДК 624.0(075.8)
               ББК 38.5я73









         © Волосухин В.А., Евтушенко С.И., Меркулова Т.Н., текст, 2012
         © ООО «Феникс», оформление, 2013

Предисловие
    В условиях быстрого и высокого экономического роста России, осуществление водохозяйственного строительства, проектов мелиоративных работ, природоохранное обустройство населенных пунктов достигается путем возведения различных сооружений водохозяйственного и гидротехнического назначения, сооружений мелиоративных систем, выполнения работ по обустройству земель для сельскохозяйственного использования. Бурными темпами развивается капитальное строительство, строительные конструкции становятся более прогрессивными и индустриализованными.
    Содержание учебника соответствует примерной программе по направлению 280100 «Природообустройство и водопользование», он может быть использован студентами и аспирантами специальности 05.23.01 «Строительные конструкции зданий и сооружений». Дисциплина состоит из четырех основные разделов: механика грунтов, основания и фундаменты; строительные конструкции и основы архитектуры; технология строительного производства; строительные машины.
    Учебник «Строительные конструкции» написан в соответствии с разделом дисциплины «Строительные конструкции и основы архитектуры».
    Он разработан в помощь студентам для овладения навыками расчета и конструирования элементов, соединений, а также самих строительных конструкций, развития творческого подхода к обоснованию наивыгоднейших параметров элементов конструкций, применяемых в водохозяйственном строительстве.
    В результате изучения дисциплины студент должен знать основные свойства и характеристики материалов, применяемых в строительных конструкциях, основы метода расчета по предельным состояниям, принципы расчета и конструирования элементов строительных конструкций, основные виды и классификацию зданий и требования к их проектированию и строительству, овладеть навыками компоновки инженерных сооружений и зданий на водохозяйственных объектах, методами конструирования частей зданий и средств их соединений, иметь представление об основах расчета и конструирования различных видов конструкций, о технических свойствах проектируемых объектов.

Строительные конструкции

    Для повышения качества подготовки студентов, развития у них творческих способностей и самостоятельности в учебном процессе используются такие инновационные способы обучения, которые позволяют закрепить теоретические знания и отработать практические навыки при решении практических задач. Для лучшего усвоения материала в конце каждого раздела приводятся контрольные вопросы для самоподготовки.
    В учебнике обобщается столетний опыт преподавания по проектированию и расчету строительных конструкций, накопленный в ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» и ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия». При составлении учебника использованы последние научные разработки и исследования, проводимые коллективом кафедр «Строительная механика» ФГБОУ ВПО НГМА и «Сопротивление материалов, строительная и прикладная механика» ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ).

Введение
    При проектировании сооружений и объектов водохозяйственного строительства, возведение которых осуществляется, как правило, в сложных геологических и гидрогеологических условиях, в целях обеспечения максимальной эффективности капитальных вложений и качества построенных сооружений следует принимать наиболее прогрессивные решения в отношении материалов, конструкций сооружений, их компоновки, технологий и организации производства различных работ.
    Любые здания и сооружения строятся на грунтовом основании и их фундаменты располагаются в толще грунта. Прочность, устойчивость и нормальная эксплуатация этих сооружений определяются не только их конструктивными особенностями, но и свойствами грунта, условиями взаимодействия сооружения и основания. Оценка прочности и устойчивости оснований, выбор наиболее рациональных конструкций и способов устройства сооружений и их фундаментов является сложной инженерной задачей.
    При решении практических задач, связанных с усложнением объектов водохозяйственного строительства, надежностью сооружений, выбором оптимальных технических решений в сфере водного хозяйства, возникло множество проблем, решение которых ложится на плечи квалифицированных всесторонне развитых инженеров.
    В учебнике приводятся особенности проектирования, расчета и конструирования специальных сооружений водохозяйственного назначения. В первую очередь рассмотрены примеры расчета металлических, деревянных и железобетонных строительных конструкций, применяемых в системах водохозяйственного назначения, с учетом развития строительной индустрии.
    Основные термины и определения дают полное представление о рациональных, прогрессивных и специальных сооружениях, применяемых в водохозяйственном строительстве.
    Раздел I «Металлические конструкции» позволяет научиться рассчитывать и конструировать сооружения водохозяйственного строительства, производить расчет зданий и сооружений по прочности, жесткости, долговечности, экономичности и т. п. с использованием действующих норм, инструкций, справочной и технической литературы.

Строительные конструкции

    Предполагается, что студенты, приступающие к изучению курса металлических конструкций, уже усвоили основные принципы объемно-планировочных решений, части зданий, теоретическую и прикладную механику.
    Раздел II «Строительные конструкции из дерева и пластмасс» включает в себя основы проектирования конструкций из дерева и пластмасс, области применения в строительстве деревянных конструкций, использования методов расчета, конструирования и контроля качества конструкций различных типов, способы обследования состояния сооружений, основы расчета и контроля несущих и ограждающих конструкций с учетом технологии их изготовления.
    Кроме вопросов, относящихся к обычному промышленному и гражданскому водохозяйственному строительству, освещено проектирование деревянных конструкций гидротехнических сооружений.
    Большое внимание уделено вопросам выбора рациональных форм конструкций и их элементов в разнообразных случаях инженерной практики, а также дальнейшему развитию прогрессивных форм конструкций.
    Особое место занимает обзор и анализ конструкций, выполненных из синтетических полимерных материалов.
    Раздел III «Железобетонные конструкции» посвящен вопросам выбора расчетных схем, определения расчетных усилий, прочности и деформации, проектированию отдельных частей зданий и сооружений водохозяйственного назначения.
    В последнее время в строительстве различных объектов большое применение получили сборные железобетонные конструкции. В водохозяйственном строительстве к ним можно отнести здания насосных станций и гидроэлектростанций, гидротехнические сооружения: плотины, судоходные шлюзы, рыбопропускные и водосбросные устройства и другие, а в особенности, на ирригационных системах: шлюзы-регуляторы, водопроводящие и сопрягающие сооружения и т. д.
    Большое распространение в водохозяйственном строительстве получили монолитные и сборно-монолитные железобетонные конструкции.
    Учебник иллюстрирован, что облегчает студентам изучение и освоение изложенного материала.
    Учебник содержит основные справочные сведения. В отдельных случаях таблицы СНиПов приводятся в сокращенном виде или

Введение

7

делаются ссылки в соответствии со стандартом СЭВ 1565-79 «Нормативно-техническая документация в строительстве. Буквенные обозначения». В соответствии с Федеральным законом № 385-ФЗ «О техническом регулировании» от 30.12.09 г., разъяснениями Госстроя России и Минюста России строительные нормы и правила носят рекомендательный характер, а не обязательный. Методы расчетов и конструирования изложены применительно к действующим в настоящее время Строительным нормам и правилам, в соответствии с государственными стандартами.
    В учебнике физические величины даны в Международной системе (СИ). Для изучения дисциплины «Строительные конструкции» приведены расчетно-графические работы, для выполнения которых необходимо использовать дополнительные учебные пособия и справочную литературу.
    Авторы выражают глубокую признательность рецензентам ректору МГУП, доктору технических наук, профессору, академику РИА и РАЕН Козлову Дмитрию Вячеславовичу, профессору, заведующему кафедрой инженерных конструкций МГУП Семенову Валерию Борисовичу, доктору технических наук, профессору, проректору по научной работе ФГБОУ ВПО РГСУ Шеиной Светлане Георгиевне, доктору технических наук, профессору, заведующему кафедрой инженерной геологии, основания и фундаментов ФГБОУ ВПО РГСУ Приходченко Олегу Евгеньевичу, кандидату технических наук, заведующей кафедрой строительства и архитектуры Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) Бузало Нине Александровне за ценные замечания, высказанные по работе.

Основные термины и определения
    Строительными конструкциями называются здания, сооружения и их части (подвижные и неподвижные), размеры которых определены расчетом на прочность, устойчивость, выносливость, трещиностойкость и по деформациям на действие различных нагрузок и воздействий.
    Для изготовления строительных конструкций применяют сталь, алюминиевые сплавы, бетон, железобетон, древесину, камень, пластические массы и другие материалы. Экономичные решения получаются при сочетании в одной и той же конструкции разных материалов: железобетона и стали, дерева и стали, железобетона и пластмасс.
    В водохозяйственном строительстве все чаще применяют бетонные, железобетонные и металлические конструкции. Деревянные конструкции применяют для изготовления различных сооружений небольшого пролета, во временных сооружениях, в качестве лесов, подмостей и опалубки.
    Перспективными в водохозяйственном строительстве являются конструкции из пластмасс в виде плотин и регуляторов расходов из мягких синтетических тканей, противофильтрационных экранов, уплотнений швов.
    Система зданий и сооружений водохозяйственного назначения представляет собой комплекс инженерных сооружений для добывания, очистки и транспортирования питьевой и производственной воды, а также отведения, очистки и сброса в водоемы вод, использованных для хозяйственных или производственных целей.
    При проектировании населенных мест одновременно с водоснабжением следует решать также вопросы канализации, т. е. отвода всех сточных вод — производственных, хозяйственно-фекальных и атмосферных — за пределы территории через подземную сеть.
    Системы водоснабжения включают водозаборные сооружения, сооружения водоподготовки, насосные станции первого и второго подъема, водопроводы со смотровыми колодцами, емкости для хранения воды (резервуары, водонапорные башни). Системы канализации состоят из коллекторов, смотровых колодцев, насосных станций, отстойников. Сточные воды одного бассейна собираются одним или несколькими коллекторами и отводятся за пределы бассейна, проходя через ряд канализационных сооружений — канализационные сети

Основные термины и определения

9

(коллекторы, каналы), насосные станции, очистные сооружения. В населенном пункте различают уличную и дворовую системы водопровода и канализации. Уличная водопроводная сеть подводит воду к кольцевым дворовым участкам сети. Уличная канализационная сеть в виде разветвленной системы канализационных трубопроводов, принимающих сточные воды от дворовых и внутриквартальных сетей, объединяется коллектором — общим трубопроводом канализации.
    Трубопроводы подземные размещают вдоль проездов прямолинейно и параллельно основным линиям застройки, ближе к оси проезда. Подземные сети должны прокладываться вне проезжей части дорог; целесообразно совмещение в одной траншее канала водопровода, теплопровода или канализации.
    Все металлические конструкции и изделия, находящиеся в условиях влажной среды, должны быть защищены от коррозии путем оцинковки или обмазки антикоррозионным покрытием.
    Металлические конструкции используют в каркасах и покрытиях большепролетных зданий водохозяйственного назначения, в механическом оборудовании гидротехнических сооружений (затворы, сороудерживающие решетки), в напорных трубопроводах (турбинные, деривационные, магистральные) с арматурой и уравнительными резервуарами, в высотных сооружениях (мачты, опоры ЛЭП), в резервуарах и водонапорных башнях, мостах, эстакадах и переходах и пр.
    Деревянные конструкции применяют для изготовления несущих элементов различных сооружений небольшого пролета (зданий, башен, акведуков, мостов, регуляторов, невысоких плотин и т. п.), во временных сооружениях, в качестве лесов, подмостей и опалубки. Наиболее совершенными являются деревянные конструкции клееные заводского изготовления. Кроме того, деревянные детали используют в затворах, танцорах, деформационных швах и т. д.
    Бетонные и железобетонные конструкции занимают ведущее место в строительстве, так как они менее дефицитны, обладают высокой прочностью, долговечностью, огнестойкостью, водонепроницаемостью, допускают изготовление элементов разнообразной формы и не требуют значительных эксплуатационных расходов. По способам выполнения различают железобетонные конструкции сборные, изготовляемые на специальных заводах и затем монтируемые на строительной площадке, монолитные, возводимые на месте строительства, и сборно-монолитные, которые образуются из сборных железобетонных элементов и монолитного бетона. В водохозяйственном

Строительные конструкции

строительстве применяют преимущественно сборные железобетонные конструкции, являющиеся основой комплексной механизации и индустриализации строительства. Из сборного железобетона строят насосные станции, трубопроводы, лотки, акведуки, дюкеры, шлюзы-регуляторы, быстротоки, переезды, мосты и др. Большой удельный вес среди них занимают предварительно напряженные конструкции.
    Большинство производственных зданий (около 80%) проектируют и возводят одноэтажными. В основном это каркасные здания, т. е. здания, у которых главным несущим элементом является каркас, состоящий из горизонтальных и вертикальных элементов. В водохозяйственном строительстве каркасные здания обычно применяют для насосных станций незаглубленного типа.
    Одноэтажные производственные здания в зависимости от количества пролетов бывают: однопролетные; двухпролетные; многопролетные [82].
    По профилю кровли здания делят натри основные группы: с плоской кровлей; со скатной кровлей; с перепадом высот покрытий. Для насосных станций преимущественно устраивают однопролетные здания со скатной кровлей. В отдельных случаях применяют двухпролетные здания с перепадом высот покрытий. В основной части здания располагают насосы и электродвигатели, помещение меньшей высоты имеет вспомогательное назначение.
    Технологической особенностью многих каркасных зданий является наличие в них кранового оборудования. Последнее оказывает существенное влияние на работу каркаса здания и поэтому при проектировании выделяют здания бескрановые (к ним относятся здания с подвесными кранами грузоподъемностью до 5 т)и здания с мостовыми кранами.
    Каркасные здания проектируют с обязательным соблюдением модульных размеров, принимаемых на основании Единой модульной системы.
    Для производственных зданий пролет до 12 м принимается кратным 3,0 м, а при большем пролете — кратным 6,0 м. Высота помещений принимается кратной 0,6 м при высоте до 6 м, и кратной 1,2 м при высоте более 6 м. Шаг колонн принимается 6 и 12 м.
    Для зданий унифицированы не только объемно-планировочные параметры: пролет, шаг колонн, высота помещения, но и их взаимо-сочетания, называемые унифицированными габаритными схемами.