Особенности строительных конструкций из разных материалов

В процессе проектирования зданий и сооружений или их крупных элементов производится сравнение вариантов возможных конструктивных решений из разных строительных материалов. Каждый вариант подвергается технико-экономической оценке по расходу материалов, трудоемкости изготовления и монтажа с учетом наличия соответствующих баз и материальных ресурсов. Для правильного выбора конструкции необходимо учитывать основные характеристики строительных материалов и конструкций из них.

Оценка производится по:

- относительной прочности;

- огнестойкости;

- долговечности;

- индустриальности и технологичности;

- атмосферной и химической стойкости;

- эксплуатационным расходам;

- дефицитности материалов.

За относительную прочность принимается отношение расчетного сопротивления к плотности материала – это коэффициент относительной прочности. Так при сжатии (без учета продольного изгиба) коэффициент относительной прочности, приведенный в таблице показывает, что для передачи одного и того же силового воздействия наименьшие размеры поперечного сечения имеют стальные и алюминиевые конструкции.

Таблица 2. Основные характеристики строительных материалов.

Наименование материала	Плотность, кг/м3	Расчетное сопротивление, МПа	Коэффициент относительной прочности, 1х103 м
Сталь обычной прочности марки ВСТ3 КП2-1			2,79
Сталь повышенной прочности марки 10ХСНД			5,07
Алюминиевый сплав упрочненный 1915Т			7,36
Бетон класса В30			0,72
Древесина (сосна) 2-го сорта			2,21
Кирпичная кладка (кирпич марки 100, раствор марки 25)		1,3	0,07

Огнестойкость.

Наибольшей огнестойкостью обладают бетонные и каменные конструкции. Железобетон имеет меньшую огнестойкость, чем бетон. Для повышения огнестойкости железобетонных конструкций необходимо увеличить толщину слоя бетона, защищающего арматуру.

Прочность стальных конструкций снижается вдвое при температуре 500^оС, а при 600^оС сталь становится пластичной. Прочность алюминиевых сплавов снижается уже при 200^оС.

Деревянные конструкции относятся к наименее огнестойким конструкциям, для защиты от огня их пропитывают антипиренами и оштукатуривают.

Долговечность.

Бетонные и каменные конструкции – самые долговечные. Железобетонные конструкции также весьма долговечны при условии надежной защиты арматуры бетоном. Металлические конструкции долговечны при своевременной и надежной защите от коррозии стали окраской. Деревянные конструкции в сырых условиях и без проветривания разрушаются через 5 – 10 лет, но их долговечность существенно повышается при надежной защите от атмосферных влияний (до 50 и даже 100 лет).

Атмосферная и химическая стойкость.

Металлические конструкции корродируют под воздействием влажности и загрязнений окружающей среды агрессивными газами, ________. Для защиты от коррозии их красят, оцинковывают или обрабатывают особыми составами. Деревянные конструкции в аналогичных условиях подвергаются гниению и разрушению грибами. Против гниения их антисептируют, изолируют от увлажнения, обеспечивают надежное проветривание. Химическая стойкость деревянных конструкций против некоторых веществ довольно высока. Железобетонные и каменные конструкции атмосферостойкие. Химическая стойкость железобетонных конструкций в ряде случаев недостаточна. Ее можно повысить за счет использования полимерных покрытий, добавок, а также бетонополимеров и армополимербетонов. Перспективными в этом отношении являются конструкции, армированные неметаллической арматурой.

Эксплуатационные расходы.

Железобетонные и каменные конструкции для поддержания их в период эксплуатации в надлежащем состоянии почти не вызывают расходов. Деревянные конструкции требуют непрерывного наблюдения и возобновления покрытий против гниения и огня, а также выполнения работ по устранению ослабления стыков и соединений. Стальные конструкции также требуют периодического окрашивания.

Дефицитность материалов.

Наиболее дефицитными являются материалы для алюминиевых и стальных конструкций, так как они в значительных количествах расходуются во многих других отраслях промышленности. В железобетонных конструкциях заполнители бетона – песок, щебень, гравий, легкие заполнители чаще всего местные материалы, как и сырье для каменных конструкций. Древесина – доступный материал в лесных районах.

12. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ОБЩИЙ ПОДХОД К
РАСЧЕТУ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ РАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Металлические конструкции

Стальные конструкции целесообразны главным образом в зданиях и сооружениях с большими нагрузками, пролетами и высотами. Они используются также в цехах металлургических заводов, резервуарах, высоконапорных трубопроводах, в каркасах уникальных высотных зданий, опор высоковольтных электросетей, подвижных конструкциях кранов, разводных мостов и т.п.

Экономически обосновано их применение для ферм покрытий пролетом 30 и более метров, колонн высотой 16 и более метров, подкрановых балках для кранов грузоподъемностью 30 и более тонн.

В практике последних лет наибольший экономический эффект получают при применении структурных, висячих покрытий, а также предварительно напряженных конструкций.

В ограждающих конструкциях стен и покрытий применяются профилированные настилы, рулонные полотнища, волнистые алюминиевые листы, утепленные листы из стали и алюминия.

Деревянные конструкции

В районах, где древесина является местным материалом, деревянные конструкции усиленно используются для строительства жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий, а также инвентарных подвижных и сборно-разборых зданий.

Наиболее перспективными являются клееные деревянные конструкции, преимуществом которых является их индустриальность, долговечность, надежность при пожаре, повышенная атмосферная стойкость.

Разработаны металлодеревянные конструкции для перекрытия пролетов 60 и более метров.

Металлические и деревянные конструкции рассчитываются с учетом упругости материалов, а также их неупругих свойств и однородности.

Каменные конструкции

Основная область применения конструкций из каменной кладки – стеновые конструкции (около 60% в общем балансе). Высокие эксплуатационные качества каменных конструкций, простота возведения обуславливают их целесообразность при нестандартном строительстве, возведении нетиповых частей зданий, а также при реконструкциях, ремонтах зданий.

Железобетонные конструкции

Основным строительным материалом капитального строительства является железобетон.

Применяются предварительно напряженные и обычные (ненапряженные) конструкции, как в сборном, так и в монолитном исполнении.

Заводы сборного железобетона выпускают конструкции из тяжелого, легкого, специального железобетона практически для всех областей строительства (гражданское, промышленное, сельскохозяйственное, транспортное, энергетическое и т.п.).

Это стеновые панели, колонны, плиты покрытий и перекрытий, балки, фермы, арки, подкрановые балки, фундаментные балки и блоки, элементы пространственных покрытий, пролетных строений мостов, подпорных стен, подземных переходов и строений, опоры контактных сетей, шпалы, трубы, элементы оград дорожного строительства и др.

Широкое распространение имеет монолитный железобетон в зданиях повышенной этажности, промышленном строительстве и строительстве специальных сооружений.

Эффективность железобетонных конструкций значительно повышается при использовании легкого конструкционного бетона, армоцемента для большепролетных пространственных конструкций, фибробетона, железобетона с неметаллической арматурой.

Как известно железобетон – это комплексный материал, состоящий из бетона и металлической арматуры. Совместная их работа обеспечена за счет надежного сцепления арматуры с бетоном, надежной защиты арматуры от коррозии защитным слоем бетона, а также тем, что бетон и сталь обладают близкими коэффициентами температурного расширения (прописать значения), вследствие чего в обычных условиях (при температурах от -20 до +50 ^оС) эксплуатационные качества конструкций не снижаются.

Наличие в железобетоне двух различных по свойствам материалов – бетона и стали, учитывается при расчете железобетонных конструкций.

Рассмотрим пример изгибаемого элемента без предварительного напряжения (рис. 4).

Балка на двух опорах, загруженная равномерно распределенной нагрузкой интенсивностью q, Н/м.

Для конструкции из упругого материала справедливы известные из курса сопротивления материалов уравнения:

,

(10)

гипотеза плоских сечений:

,

(11)

Закон Гука:

,

(12)

,

(13)

максимальное краевое напряжение:

.

(14)

Эти уравнения дают возможность решить задачу расчета сечений – по известному изгибающему моменту М подобрать такое сечение, чтобы несущая способность балки была обеспечена, или же если сечение балки известно, проверить его несущую способность.

Для железобетонной конструкции решение подобной задачи усложняется тем, что железобетон – это материал, который не подчиняется закону Гука (модуль деформации Е не является величиной постоянной, диаграмма носит нелинейный характер, после появления трещин железобетон теряет сплошность, гипотеза плоских сечений не является справедливой), т.е. классические методы сопротивления материалов к его расчету оказываются неприменимыми. Учет всех факторов, влияющих на несущую способность железобетонной конструкции в аналитической форме, затрудняется вследствие их многочисленности и сложности.

Теория сопротивления железобетона носит экспериментально – теоретический характер. Поэтому при расчете железобетонных конструкций наряду с классическими формулами сопротивления материалов используются эмпирические формулы и коэффициенты, учитывающие многочисленные параметры, определяющие различные свойства материалов и условия эксплуатации конструкций.

12.1. Основы расчета железобетонных конструкций, по
предельным состояниям первой группы.

Сущность железобетона.

Железобетон – это комплексный материал, в котором соединяются бетон и стальная арматура.

Бетон хорошо сопротивляется сжимающим усилиям и во много раз (10-15 раз) хуже растягивающим, поэтому бетонные конструкции, в которых под нагрузкой возникает растяжение, имеют низкую несущую способность. Так бетонная балка разрушается при относительно малой относительно малой нагрузке вследствие образования трещин в растянутой зоне, тогда как прочность сжатой зоны не используется.

Железобетонная балка, снабженная в растянутой зоне стальной арматурой, обладает несущей способностью во много раз большей, т.к. после образования трещин в бетоне растянутой зоны, растягивающие усилия воспринимаются арматурой.

Стальная арматура хорошо сопротивляется не только растяжению, но и сжатию, поэтому арматуру рационально использовать и для усиления сжатого бетона. Примером такой конструкции является железобетонная колонна (рис. 5).

Широкому применению железобетона в строительстве способствуют такие его качества, как долговечность, огнестойкость, стойкость против атмосферных воздействий, высокая сопротивляемость статическим и динамическим нагрузкам, способность задерживать радиоактивные излучения, возможность использования местного сырья для приготовления бетона (песок, гравий, щебень), небольшие эксплуатационные расходы.

Вместе с тем применение железобетона связано с рядом осложнений, связанных с его значительным весом, относительно высокой звуко- и теплопроводностью, необходимостью применения форм (опалубки) и выдерживания в них конструкции до набора прочности, низкой трещиностойкости.

Благодаря совершенствованию технологии изготовления, составов бетона, применению легких заполнителей бетонов, а также их поризации эти трудности удается преодолевать. Повышение трещиностойкости железобетонных конструкций достигается использованием предварительного напряжения их путем создания значительных сжимающих напряжений в частях конструкций, которые при эксплуатации испытывают растяжение. В предварительно напряженных конструкциях удается предотвращать образование трещин или снизить ширину их раскрытия.