Предисловие

В настоящее время капитальное строительство в РК развивается достаточно бурно. Для капитального строительства необходимо развитие баз строительной индустрии, создание новых эффективных материалов, усовершенствование расчетов и широкое внедрение расчетных программ.

В Алматы, Астане, промышленных зонах в проектировании и строительстве зданий и сооружений достигнуты определенные успехи, т.е. применяются прогрессивные строительные конструкции.

Строительные конструкции должны удовлетворять различным требованиям: эксплуатационным, техническим, производственным, экономическим, эстетическим и др.

В железобетонных конструкциях расширилось применение высокопрочных бетонов и арматурных сталей, что позволяет строить, высотные интересные объекты. Для улучшения прочностных характеристик бетона стали применять различные виды неметаллических фибр. Более расширенно применяют предварительно напряженные металлические конструкции и конструкции из легких сплавов. Использование деревянных конструкций реже, но возможно применение клееных деревянных конструкций.

Учебное пособие разделено на 5 глав:

1 – металлические конструкции;

2 – железобетонные конструкции;

3 – каменные и армокаменные конструкции;

4 – деревянные конструкции;

5 – конструкции фундаментов жилых и общественных зданий.

В учебное пособие также включены исторические факты и современные достижения в области строительства и архитектуры.

Студенту-архитектору важно при изучении строительных конструкций знать принципы объемно-планировочных решений зданий и сооружений, строительные материалы, теорию прочности материалов, механику работы материалов, основы математической статистики и технологию строительного производства. Пособие предназначено для студентов архитектурных специальностей высших и профессиональных учебных заведений.

Настоящее учебное пособие написано ассоциированным профессором факультета Архитектуры МОК КазГАСА с технической поддержкой архитектора Оразаевой Маржан Санатовны.

Введение.

Строительные конструкции – это несущие конструкции промышленных, гражданских зданий и инженерных сооружений промышленных предприятий. Размеры сечений строительных конструкций определяются расчетами в соответствии с действующими усилиями, данным обстоятельством строительные конструкции отличаются от архитектурных конструкций. Размеры архитектурных конструкций определяются согласно архитектурным, теплотехническим или специальным требованиям. Строительные конструкции должны быть удобны в эксплуатации зданий и иметь высокую надежность (прочность, устойчивость, жесткость, выносливость, огнестойкость и долговечность). Также к основным требованиям, предъявляемым к строительным конструкциям, относится и экономичность. Экономичность строительных конструкций зависит от расхода, стоимости и типов: материалов, изготовления, транспортирования, монтажа и величины расходов при эксплуатации. При решении конструктивной схемы зданий и сооружений необходимо учитывать применение индустриальных унифицированных изделий и конструкций, что ведет к максимальной экономии стоимости строительства.

При проектировании зданий и сооружений строительные конструкции подбираются на основе технико-экономического сравнения эффективных типов конструкций.

Раздел 1. Металлические конструкции

Мировая практика показывает, насколько велика, многогранна, интересна и еще до конца не изучена технология работы с металлом. Руками конструкторов и строителей металлические конструкции помогают воплощать в жизнь и рождать самые безумные решения архитектурной мысли. Постоянная волна технического прогресса стимулирует переход на новые технические приемы, радикально решающие поставленные задачи, и ведет к усовершенствованию или отмиранию старых приемов, не отвечающих современным требованиям. Применительно к металлическим конструкциям в строительстве можно утверждать, что они отвечают поставленным задачам технического прогресса: они надежны, обладают высокими качествами, индустриальны и обеспечивают высокие темпы изготовления и возведения; благодаря высокой прочности они экономичны по затрате материала, транспортабельны и долговечны. Вследствие этого потребление металла, использование его в различных комбинациях возрастает вместе с ростом строительства.

Наряду с вышесказанным изучение и внедрение новых конструктивных форм и решений не противопоставляется изучению и совершенствованию обычных современных конструкций, так как каждый вид конструкций до настоящего времени еще имеет свою область рационального применения; кроме того, изучение новых конструкций невозможно без знания старых.

Задачей данной главы является - произвести краткий экскурс по теме «Металлические конструкции» с рассмотрением истории развития металлических конструкций, основных элементов металлических конструкций, их характеристик, описания и схем. Глава дополнена разделом «Усиление металлических конструкций», так как данный аспект является очень важным в современном использовании металлических конструкций для достижения их максимальной эффективности.

Дополнительно подготовлен материал «Чудеса в металле». Он включает в себя краткое описание 2-х знаменитых конструктивных решений: «Птичье гнездо» Олимпийский комплекс (Пекин 2008 г.), Мост Akashi-Kaikyo (Япония) с приложением наглядного фото материала.

1.1 Краткий экскурс об истории развития металлических конструкций

Первый период (с XII до начала XVII в.) характеризуется применением металла в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, соборах, церквях…) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины на штырях. Одной из первых конструкций такого типа являются затяжки Успенского собора во Владимире (1158г.). По зрелости конструктивного решения выделяется металлическая конструкция, поддерживающая каменный потолок и пол чердака над коридором между притворами Покровского собора – храма Василия Блаженного. Это первая конструкция, состоящая из стрежней, работающих на растяжение, изгиб, сжатие.

Рис. 1 Рис.2

Второй период (с начала XVII до конца XVIII в.) связан с применением наклонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций («корзинок»). Стержни конструкций выполнены из кованых брусков и соединены на замках и скрепах горновой сваркой. Конструкции такого типа сохранились до наших дней. Примером служат перекрытия старого здания Большого Кремлевского Дворца в Москве (1640 г.), каркас купола Казанского собора (рис. 3) в Петербурге пролетом 15 м (1805 г.) и др.

Рис.3 Казанский собор, Петербург (1805 г.)

Рис.4 Металлические конструкции XVII в.

а) наклонные стропила;

б) каркас купола;

в) узел каркаса.

Третий период (с начала XVIII до середины XIX в.) связан с освоением процесса литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Соединение чугунных элементов осуществляется на замках и болтах. Примерами такого рода конструкций служат: купол Исаакиевского собора в Петербурге (рис. 5, 6), собранный из отдельных косяков в виде сплошной оболочки. Конструкция купола состоит из верхней конической части, которая поддерживает каменный барабан, венчающий собор, и нижней, более пологой части. Наружная оболочка купола с помощью легкого железного каркаса опирается на чугунную конструкцию.

Рис.5 Исаакиевский собор, Петербург Рис.6 Купол Исаакиевского собора

40-е гг. XIX в.

а б

Рис.7 Перекрытия Зимнего дворца в Петербурге:

а) полуфермы без раскосов;

б) полуфермы с раскосами.

Четвертый период (с 30-х годов XIX в. до 20-х годов XX в.) связан с быстрым техническим прогрессом во всех областях техники того времени, в частности в металлургии и металлообработке. Кричный процесс получения железа был заменен на более совершенный – пудлингование, а затем выплавкой железа из чугуна в мартеновских и конверторных печах. Появилось заклепочное соединение, чему способствовало изобретение дыропробивного пресса. Был освоен процесс получения профильного металла и прокатного листа. В течение 100 последующих лет все стальные конструкции изготовлялись клепаными. Сталь почти полностью вытеснила из строительных конструкций чугун, будучи материалом, более совершенным по своим свойствам. Промышленные и гражданские здания строятся в основном с кирпичными стенами и небольшими пролетами, для перекрытия которых использовались треугольные металлические (рис 8).

Конструктивная форма этих ферм постепенно совершенствовалась: решетка получила завершение с появлением раскосов, узловые соединения вместо болтовых на проушинах стали выполнять заклепочными с помощью фасонок. Значительное развитие получило металлическое мостостроение. Основным несущим элементом каркаса стала поперечная рама, включающая в себя колонны и ригели (стропильные фермы) (см. рис.9).

Рис. 8 Стропильная ферма (70-е годы XIX в.)

Рис. 9 Каркас промышленного здания (XX в.)

Пятый период (с 20-х годов XX в.) Клепаные конструкции были почти полностью вытеснены сварными, более легкими, технологичными и экономичными. Наблюдается применение вместо малоуглеродистой стали более прочной низколегированной. Начали использовать алюминиевые сплавы, плотность которых почти втрое меньше. Характерной чертой развития металлических конструкций стала типизация конструктивных схем и элементов. В 50-70 гг. наблюдается широкое применение стали в промышленных сооружениях больших размеров с тяжелыми технологическими нагрузками. Построены такие уникальные промышленные здания, как, например, сборочный цех пролетом 120м с кранами грузоподъемностью 15т, подвешенными к стропильным фермам на отметке 56м (см. рис. 10). Большое развитие получили листовые конструкции в связи с развитием нефтяной, газовой, химической и металлургической промышленности, высотные сооружения связи (см. рис.11), опоры линий электропередачи, а также конструкции общественных зданий. Наряду с совершенствованием конструктивной формы развивались и методы расчета конструкций.

Рис.10 Разрез каркаса здания Атоммаша со сверхтяжелыми кранами.

До 1950 г. строительные конструкции рассчитывали по методу допускаемых напряжений. Такой расчет недостаточно полно отражал действительную работу конструкций под нагрузкой, иногда в недостаточной мере гарантировал их надежность и в ряде случаев приводил к перерасходу материалов; взамен него был разработан метод расчета конструкций по предельным состояниям. Существенно повышает качество проектирования и ускоряет его процесс современная вычислительная техника с системами автоматизированного проектирования. Применение компьютера помогает проектировщику в короткие сроки найти оптимальное конструктивное решение проектируемого сооружения и рассчитать практически любую сложную систему без значительных упрощений.

Рис.11 Телевизионная башня в Киеве.

Шестой период (наши дни). Рост «популярности» металлических конструкций стимулирует возросшую активность крупных заводов металлических конструкций (Челябинского ЗМК, Белгородский, Череповецкий, Нижнетагильский ЗМК, Киреевский и Кулебакский ЗЛМК). Все эти предприятия хорошо оснащены и готовы к выпуску металлоконструкций в объемах до 1 млн. т/год. Их продукция отличается достаточно высоким качеством и конкурентоспособностью.

Появился и новый тип относительно небольших заводов, снабженных новейшим оборудованием для производства специализированных конструкций, например, обслуживающих железнодорожный транспорт. Другое мощное относительно новое направление в создании металлических конструкций - легкие металлические конструкции из гнутых и гнутосварных профилей. Профили изготовляют из листов небольшой толщины 1,5-10 мм на автономных установках, снабженных компьютерными устройствами для быстрой переналадки оборудования. Подобное производство не требует больших производственных зданий, в ряде случаев его можно развернуть на строительной площадке.

В целом можно констатировать, что индустрия производства металлических конструкций находится на подъеме, широко выпускаются как мощные уникальные металлические конструкции с жесткими машиностроительными допусками, так и легкие конструкции из гнутых и гнутосварных профилей, изготовляемых из листовых материалов небольших толщин. Развитию этой отрасли промышленности будет способствовать совершенствование законодательной и нормативной базы, результативно снижающей препятствия в применении новейших разработок в области материалов и конструктивных решений. Немаловажное значение и место занимают направления проектирования и использования комбинированных металлоконструкций (металлопластик и др.) Как много скрыто тайн о возможностях архитектурных конструкций, как удивляет и поражает воображение архитектура будущего.

Рис.12 Атомиум в Брюсселе (1958 г).

Рис.1 3 Офис Центрального телевидения Китая, Пекин 2008 г.

Crescent Place – отель будущего, выполненный в форме полумесяца, с видом на Каспийское море и отель Full Moon (Полная Луна, Баку, Азербайджан) - в форме диска с круглым отверстием в верхней части. Вид его будет изменяться в зависимости от того, под каким углом смотреть на этот шедевр архитектуры. Главное здание гостиничного комплекса – 3-5-звездочный отель общей площадью 104182 м² в котором будут располагаться всего лишь 382 номера.

Отель Full Moon

Рис.14 Лилиум Тауэр, Варшава, Польша, проект 2007г.

Рис.15 Многофункциональный комплекс «Танцующие башни», Дубай, ОАЭ, проект 2006г.

Рис.16 Музей искусства Мичиганского университета Эли и Эдит Брод, Мичиган, США, проект 2007г.

Рис.17 Оперный театр, Гуанчжоу Китай, проект 2003 г.

Рис.18 Фуникулёр Nordpark, Инсбрук, Восточные Альпы, Австрия, проект 2007 г.

Рис.19 Офисный комплекс Опус, Дубай, ОАЭ, проект 2007 г.

Рис.20 Центр исполнительских искусств, Абу-Даби, ОАЭ, проект 2006 г.

Рис.21 Здание Гражданского суда, Мадрид, Испания, проект 2005 г.

Рис.22 Экспоцентр, Москва, Россия, проект 2006 г.