Инженерные конструкции. Металлические конструкции и конструкции из древесины и пластмасс

Ю.М. ДУКАРСКИЙ
Ф.В. РАСС
О.В. МАРЕЕВА

Москва
ИНФРА-М
2022

ИНЖЕНЕРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ 
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ И КОНСТРУКЦИИ 
ИЗ ДРЕВЕСИНЫ И ПЛАСТМАСС

4-е издание, переработанное и дополненное

УЧЕБНИК

Рекомендовано в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01 «Строительство», 
20.03.02 «Природообустройство и водопользование» 
(квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 691(075.8)
ББК 38.3я73
         Д81

Дукарский Ю.М.
Д81 
 
Инженерные конструкции. Металлические конструкции и конструкции из древесины и пластмасс : учебник / Ю.М. Дукарский, 
Ф.В. Расс, О.В. Мареева. — 4-е изд., перераб. и доп. — Москва : 
ИНФРА-М, 2022. — 262 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
DOI 10.12737/textbook_59d23e48448616.91876222.

ISBN 978-5-16-012972-3 (print)
ISBN 978-5-16-105723-0 (online)
В учебнике изложены общие сведения об инженерных конструкциях 
зданий и сооружений из стали, древесины и пластмасс, рассмотрены 
физико-механические характеристики этих конструкционных материалов. Приведены основные положения расчета стальных конструкций, 
конструкций из древесины и пластмасс в соответствии с действующими 
строительными нормами. Изложены основы конструирования и расчета 
конструкций производственных зданий и сооружений водохозяйственного и природоохранного назначения, рассмотрены специфические требования, предъявляемые к конструкциям гидротехнических сооружений, 
подверженных длительному воздействию водной среды. Приводятся справочные материалы, примеры расчетов и контрольные вопросы.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Строительство» и «Природообустройство и водопользование».

УДК 691(075.8)
ББК 38.3я73

Р е ц е н з е н т ы:
О.И. Пономарев, кандидат технических наук, доцент, заместитель директора Центрального научно-исследовательского института 
строительных конструкций им. В.А. Кучеренко Научно-исследовательского центра «Строительство»;
М.И. Фролов, доктор технических наук, профессор, почетный работник высшего профессионального образования

ISBN 978-5-16-012972-3 (print)
ISBN 978-5-16-105723-0 (online)
©  Дукарский Ю.М., Расс Ф.В., 
 
Мареева О.В., 2017

Авторы

Юлиан Меерович Дукарский, кандидат технических наук, профессор кафедры инженерных конструкций факультета гидротехнического, агропромышленного и гражданского строительства 
ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К.А. Тимирязева»;
Федор Владимирович Расс, кандидат технических наук, профессор 
кафедры инженерных конструкций факультета гидротехнического, 
агропромышленного и гражданского строительства ФГБОУ ВО 
«Российский государственный аграрный университет — МСХА 
имени К.А. Тимирязева»;
Ольга Викторовна Мареева, кандидат технических наук, доцент 
кафедры инженерных конструкций факультета гидротехнического, 
агропромышленного и гражданского строительства ФГБОУ ВО 
«Российский государственный аграрный университет — МСХА 
имени К.А. Тимирязева».

Предисловие

Учебник «Инженерные конструкции» является четвертым переработанным и дополненным изданием для высших учебных заведений и написан в соответствии с действующими нормами проектирования конструкций из основных строительных материалов. 
Он предназначен для студентов, обучающихся по направлениям 
«Строительство» и «Природообустройство и водопользование».
Цель изучения дисциплины «Инженерные конструкции» состоит в том, чтобы научиться проектировать технически целесообразные и прогрессивные конструкции зданий и сооружений. 
В учебнике излагаются основы проектирования, включающие методы расчета и конструирования зданий и сооружений, используемых в природоохранном и водохозяйственном строительстве.
Методической особенностью настоящего издания является 
сжатая форма изложения материала, что в значительной мере облегчает его усвоение с учетом требований инженерных дисциплин 
по учебным программам для бакалавров.
В результате изучения этих дисциплин будущий специалист 
должен:
знать
 
• конструктивные возможности материалов для инженерных конструкций и их физико-механические свойства;
 
• особенности работы элементов инженерных конструкций под 
нагрузкой и методы их расчета;
 
• основные формы плоскостных и пространственных конструкций 
для зданий и сооружений и принципы их проектирования;
 
• основные требования, предъявляемые при проектировании 
и эксплуатации инженерных конструкций в составе зданий 
и сооружений различного назначения;
уметь
 
• применять современные методы расчета и проектирования инженерных конструкций;
 
• пользоваться современной нормативной, технической и справочной литературой;
владеть
 
• навыками расчета и конструирования элементов инженерных 
конструкций зданий и сооружений и их соединений в соответствии с нормативной базой;

 
• положениями расчета и конструирования соединений элементов 
конструкций.
В учебнике рассмотрены характеристики и области применения 
инженерных конструкций, выполненных из стали, дерева и пластмассы.
Учебник состоит из первой (вводной) главы, где приведены 
общие сведения об инженерных конструкциях, и двух разделов. 
Первый раздел посвящен металлическим конструкциям, второй 
раздел — конструкциям из дерева и пластмассы.
Над четвертым изданием учебника работали: глава 1 — профессор Ю.М. Дукарский; раздел I и приложения — профессор 
Ю.М. Дукарский и доцент О.В. Мареева; раздел II — профессор 
Ф.В. Расс.

Глава 1. 
ИНЖЕНЕРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДЫ 
ИХ РАСЧЕТА

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНЖЕНЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

Инженерными конструкциями называют сооружения и их части 
(подвижные или неподвижные), размеры которых определены расчетом на прочность, устойчивость, выносливость, трещиностойкость и по деформациям, предназначенные для восприятия разнообразных нагрузок и воздействий. Этим инженерные конструкции 
отличаются от архитектурных, размеры сечений которых назначены по архитектурным, теплотехническим и другим специальным 
требованиям. Конструкции и сооружения, находящиеся постоянно 
или периодически под воздействием водной среды, называют гидротехническими. Инженерные конструкции изготовляют из стали, 
алюминия, бетона, железобетона, камня, пластмасс и тканей. 
Экономичные решения получаются при сочетании в одной конструкции разных материалов: железобетона и стали, дерева и стали, 
железобетона и пластмасс и т.п. В природоохранном и водохозяйственном строительстве применяют бетонные, железобетонные, 
металлические и деревянные конструкции.
Металлические конструкции используют в каркасах и покрытиях большепролетных зданий различного назначения, в механическом оборудовании гидротехнических сооружений (затворы, 
сороудерживающие решетки, конструкции судоподъемников 
и т.п.), в напорных трубопроводах (турбинные, деривационные, 
магистральные и др.) с арматурой и уравнительными резервуарами, 
в высотных сооружениях (мачты, опоры линий электропередачи), 
в резервуарах и водонапорных башнях, мостах и переходах и пр. 
Благодаря высокой прочности материала при всех видах напряженного состояния металлические конструкции обладают сравнительно малым собственным весом. Их можно изготовлять на высокопроизводительных заводах, а монтаж осуществлять относительно 
быстро с малыми трудовыми затратами. Однако металл подвержен 
коррозии, особенно в водной среде, что снижает долговечность сооружения и требует дополнительных эксплуатационных расходов.
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, шандорах, 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 мелиоративном строительстве, проводимом на обширных, часто необустроенных территориях, применяют преимущественно сборные 
железобетонные конструкции, являющиеся основой комплексной 
механизации и индустриализации строительства. Из сборного 
железобетона на оросительных и осушительных системах строят 
главным образом гидросооружения с расходом воды до 10 м3/с, 
к ним относятся насосные станции, трубопроводы, лотки, акведуки, дюкеры, шлюзы-регуляторы, быстротоки, переезды, мосты 
и др. Большой удельный вес среди них занимают предварительно 
напряженные конструкции.
Гидротехнические сооружения, значительные по объемам работ 
и по размерам (плотины, подводные части зданий гидроэлектростанций (ГЭС), подпорные стены и устои, судоходные шлюзы, 
тоннели и т.п.), возводят из монолитного бетона и железобетона. 
Надводные части таких сооружений (зданий ГЭС, водозаборов), 
а также связанные с ними специальные или вспомогательные 
сооружения (служебные мосты, эстакады, помещения для механизмов и т.п.) могут быть сборными.
В последние десятилетия при строительстве массивных гидротехнических сооружений начали использовать сборный и сборномонолитный железобетон, в котором сборные плиты — оболочки, 
армоэлементы, армопанельные конструкции являются одновременно опалубкой и армирующим элементом. Применение сборномонолитного железобетона повышает индустриализацию строительства, дает экономию в материалах, снижает трудоемкость работ 
и стоимость сооружения.
Перспективными в водохозяйственном строительстве являются конструкции из пластмасс в виде плотин и регуляторов рас

ходов из мягких синтетических тканей, противофильтрационных 
экранов, трубопроводов в осушительных и оросительных сетях, 
защитных покрытий в железобетонных конструкциях, клеящих составов, мастик, уплотнений швов и др.
От правильного выбора материалов и их сочетаний зависят 
технико-экономические показатели конструкции, ее надежность, 
долговечность и др. Проектировщик должен учитывать стоимость 
материалов, их обработки и перевозки, положительные и отрицательные свойства материалов, соблюдать правила по экономному 
расходованию строительных материалов.

1.2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА ИНЖЕНЕРНЫХ 
КОНСТРУКЦИЙ

Инженерные конструкции рассчитывают на силовые воздействия (как непосредственные воздействия от нагрузок, так и воздействия от изменения температуры, смещения опор, усадки, набухания и других подобных явлений, вызывающих реактивные силы) 
по методу предельных состояний, который характеризуется четким 
установлением предельных состояний конструкции и введением 
системы расчетных коэффициентов, учитывающих изменчивость 
различных факторов.
Предельными называют состояния, при которых конструкция 
теряет способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получает недопустимые деформации либо местные 
повреждения, т.е. перестает удовлетворять требованиям, предъявленным к ней в процессе эксплуатации или возведения. Предельные 
состояния подразделяют на две группы: первая группа — по потере 
несущей способности или непригодности к эксплуатации; вторая 
группа — по непригодности к нормальной эксплуатации (постоянный процесс бесперебойной работы конструкции или сооружения, осуществляемый без ограничений в соответствии с предусмотренными в нормах или заданиях на проектирование условиями).
Расчеты по первой группе предельных состояний производят, 
чтобы предотвратить хрупкое, вязкое, усталостное и иного характера разрушение (расчет по прочности); потерю устойчивости положения конструкций (расчет на опрокидывание и скольжение) 
или ее формы (расчет на общую и местную устойчивость тонкостенных элементов); разрушение под совместным воздействием силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды.
Расчеты по второй группе предельных состояний должны предотвратить чрезмерные перемещения (прогибы, осадки, углы поворота, амплитуды колебаний).

Наступление того или иного предельного состояния зависит 
от следующих основных факторов: величины внешних нагрузок 
и воздействий, механических характеристик материалов, условий 
работы конструкций и материалов. Статистическая изменчивость 
(разброс значений) этих факторов учитывается расчетными коэффициентами надежности по назначению, по нагрузке, по материалу 
и коэффициентам условий работы.

Нагрузки и воздействия. При расчете конструкций их принимают по СП 20.13330.2016, а для гидротехнических сооружений, 
кроме того, по СП 58.13330.2012 и СП 38.13330.2012. В зависимости 
от продолжительности действия нагрузки делят на постоянные 
и временные. Временные, в свою очередь, подразделяют на длительные, кратковременные и особые.
К постоянным нагрузкам относят собственный вес конструкции 
или сооружения, вес, давление грунтов, воздействия предварительного напряжения конструкций. В гидротехнических сооружениях, кроме того, учитывают гидростатическое, фильтрационное 
и поровое давление воды при нормальном подпорном уровне, вес 
технологического оборудования, место расположения которого 
не меняется в процессе эксплуатации (гидроагрегаты, трансформаторы и др.).
К временным длительным нагрузкам и воздействиям относят вес 
стационарного оборудования (станков, аппаратов, моторов и т.п.); 
давления жидкостей, газов, сыпучих тел в емкостях и трубопроводах; нагрузки с пониженным нормативным значением от людей 
и оборудования на перекрытия зданий, от мостовых и подвесных 
кранов (вертикальные нагрузки), от веса снега и от температурных 
климатических воздействий; воздействия влажности, усадки и ползучести и др.
К кратковременным нагрузкам и воздействиям относят нагрузки 
от подвижного подъемно-транспортного оборудования; снеговые, 
а также нагрузки от мостовых и подвесных кранов с полным нормативным значением; ветровые и гололедные нагрузки; вес людей, 
деталей, материалов в зонах обслуживания и ремонта; волновые, 
ледовые, навал судов и другие нагрузки на гидросооружения; нагрузки, возникающие при изготовлении, перевозке и монтаже элементов конструкции, и др.
Особыми нагрузками являются сейсмические и взрывные воздействия; нагрузки и воздействия, вызываемые неисправностью или 
поломкой оборудования; воздействия неравномерных деформаций 
основания, сопровождающиеся коренным изменением структуры 

грунта; ледовые нагрузки при прорыве заторов; дополнительное 
гидростатическое давление воды при форсированном уровне в гидросооружениях и т.п.
Величины нагрузок, устанавливаемые нормами (например, 
СП 20.13330.2016) из заранее заданной вероятности превышения 
средних значений, называют нормативными.
Для постоянных нагрузок они принимаются по проектным 
значениям геометрических и конструктивных параметров и по 
нормативным (среднестатистическим) значениям удельного веса 
материала; для атмосферных нагрузок (ветровой, снеговой, волновой, ледовой и др.) по средним из ежегодных неблагоприятных 
значений и т.п.
Возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную сторону 
от их нормативных значений вследствие изменчивости нагрузок 
или отступлений от условий нормальной эксплуатации учитывают 
коэффициентами надежности по нагрузке γf, которые устанавливаются в зависимости от назначения сооружения и рассматриваемого предельного состояния. Эти коэффициенты определены 
на основе обработки статистических данных наблюдений за фактическими нагрузками во время эксплуатации сооружений.
Расчетами называют нагрузки и воздействия, принимаемые 
в расчетах и получаемые умножением их нормативных значений 
на соответствующие коэффициенты надежности по нагрузке, например g = gnγf .
При расчете на прочность и устойчивость (по первой группе 
предельных состояний) коэффициенты надежности по нагрузке 
принимают: от веса конструкции γf = 1,1 (γf = 1,05 для металлических конструкций); от веса изоляционных выравнивающих 
и отделочных слоев (утеплителя, засыпки и т.п.), выполняемых 
в заводских условиях γf = 1,2, на строительной площадке γf = 1,3; 
от давления грунтов в природном залегании γf = 1,1, насыпных 
γf = 1,15, от веса снега γf = 1,4; от ветрового давления γf = 1,4; от гидростатического и волнового давления воды γf = 1; от давления льда 
γf = 1,3; от кранов γf = 1,2 и т.д. При расчете на устойчивость положения (опрокидывание, сдвиг, всплытие), когда уменьшение массы 
конструкции ухудшает условия ее работы, принимают γf < 1. Расчет 
всех конструкций по деформациям и перемещениям производят 
с коэффициентом надежности по нагрузке γf = 1.
Расчет конструкции должен быть выполнен на наиболее неблагоприятные, физически возможные сочетания нагрузок или 
усилий.