Введение в курс «Инженерные конструкции»

Основы

Инженерных конструкций

Курс лекций для студентов III курса МАРХИ (6 – ой семестр)

По специальности «АРХИТЕКТУРА»

Составил: д-р техн. наук, с. н. с. Л. И. ЯРИН

М О С К В А 2009

Лекция 1.

Введение в курс «Инженерные конструкции»

В профессиональной подготовке архитекторов предмет «Инженерные конструкции» является одной из основополагающих дисциплин. Его изучение способствует развитию конструкторского мышления и формированию методологии применения современных достижений строительной науки и техники как основы архитектурно-строительной деятельности. Прежде чем определить место инженерных конструкций в арсенале современного архитектора, заглянем в далекое прошлое человечества. Представим себе нашего далекого предка, который в один прекрасный день возвел с двух сторон дорожки, ведущей к ритуальной площадке, по нескольку камней поставленных друг на друга, а затем поверху накрыл их плитой, отдаленно напоминающей перемычку. Получился примитивный портал, который к архитектуре как таковой еще не имел никакого отношения, однако безусловно являлся инженерной конструкцией. Представим далее, что кто-то из соплеменников нашего предка или он сам, исходя явно не из материальных побуждений, обтесал этот портал, придав ему гладкие линии и четкие геометрические формы. Такое действие сразу придало нашему инженерному сооружению архитектурный облик. Можно предположить, что при дальнейшем тиражировании таких сооружений камни обтесывались заранее, до сборки. В лесистых районах древние жилища возводились из жердей, покрытых листьями и травой, что дало толчок к развитию шатровых деревянных конструкций, а надвижные ложные своды и арки стали началом распорных сводов, арок и куполов.

Древний мир и средние века дали поразительные образцы инженерных конструкций, которые и сегодня нельзя считать рядовыми. Упомянем здесь деревянные римские мосты пролетом до 40 метров, построенные в I веке н.э. или храм Пантеон в Риме, построенный в 125 году. Его бетонный купол имеет пролет 43,5 метра. Заметим при этом, что термин бетон здесь означает смесь вулканического песка, извести и глины. Другим поразительным примером является храм Святой Софии в Константинополе. Он был построен в 537 году. Его купол имеет диаметр 31 метр и выполнен он из кирпича. Из упомянутых и других многочисленных примеров мы видим, что в своем развитии от примитивного общества к современному человечество постоянно создавало все новые и новые инженерные конструкции. Таким образом, рискнем утверждать, что история архитектуры восходит к конструкциям, которые в последующем стали одной из ее составных частей.

Мы будем называть инженерными конструкциями несущие системы зданий и сооружений, обеспечивающие им прочность, устойчивость, жесткость и долговечность.

Основой инженерных конструкций являются строительные материалы. Сначала, материалами для конструкций служили камень, древесина и бетон на природных заполнителях. Первым искусственным строительным материалом стало железо, затем чугун и сталь. Далее в конце XVIII века изобрели гидравлический цемент и бетон на нем и наконец, в середине XIX появился железобетон в современном понимании этого слова, а затем в XX веке алюминий. Практически одновременно с алюминием было освоено производство клееной древесины и некоторых пластмасс и современные архитекторы имеют возможность широкого выбора инженерных конструкций, в основном из конкурирующей триады материалов: стали, железобетона и древесины. В процессе архитектурного проектирования любого здания или сооружения всегда присутствует этап формирования объемно-планировочного решения. Уже на этом этапе архитектор должен себе ясно представлять в каких конструкциях будет реализовываться архитектурный замысел и базируясь на знании строительной механики и строительного материаловедения представлять себе вид несущих конструкций и их основные размеры. Именно это и является целью изучения дисциплины «Инженерные конструкции».

В данном курсе конструкции классифицируются не по признаку материала, а по трем основным парным признакам: плоские или пространственные; безраспорные или распорные; сплошные (сплошностенчатые) или сквозные (решетчатые, сетчатые).

Плоскими называют конструкцию у которой основные несущие элементы расположены в одной плоскости и в этой же плоскости действуют внешние нагрузки. Все остальные конструкции принадлежат к классу пространственных, табл. 1.1. Типичными представителями плоских конструкций являются стены, балки- стенки, балки, фермы, рамы, арки, гибкие нити. Характерной чертой плоских конструкций является статическая

независимость их напряженного состояния от соседних конструкций. С одной стороны это является недостатком, так как не позволяет пользоваться перераспределением усилий

в конструкциях, с другой преимуществом, так как делает конструкцию способной к ремонту, усилению или полной замене.

Таблица 1.1. Несущие конструкции сооружений

Пространственными называют конструкции, элементы которых расположены в трех

мерном пространстве и направление действующих на конструкцию усилий произвольно.

К пространственным конструкциям относят: плиты перекрытий гладкие и кессонные, перекрестные системы балочные и стержневые, своды, складки, купола и оболочки. Купола и оболочки составляют значительную часть пространственных конструкций. Оболочками называют тела с криволинейной поверхностью, у которых толщина на один,

два порядка меньше их остальных характерных размеров, причем эта толщина может быть заполнена как сплошным телом, так и решетчатой или сетчатой структурой. Поверхность, проходящая через середину толщины оболочки, называется срединной поверхностью. Геометрия этой поверхности определяет свойства оболочки, в частности ее гауссову кривизну, рис. 1.1. По этому признаку оболочки бывают положительной гауссовой кривизны (двояковыпуклые, Г > 0), нулевой кривизны (цилиндрические и конические, Г=0) и отрицательной гауссовой кривизны (выпукло-вогнутые, Г<0).

.

Рис.1.1. Поверхности тонкостенных пространственных конструкций:

1 – цилиндр; 2 – конус; 3 – сфера; 4 – параболоид; 5 – двухполостной гиперболоид; 6 - однополостной

гиперболоид; 7 – плоскость; 8 – гиперболический параболоид; 9 – коноид

Кроме этого оболочки классифицируются по способу образования их срединной поверхности. Оболочки, образованные вращением плоской кривой вокруг оси называются оболочками вращения. Образованные перемещением одной кривой по другой кривой линии - оболочками переноса или трансляционными. Если оболочка образована перемещением прямой линии по двум независимым друг от друга направляющим линиям, такие оболочки называются линейчатыми. Существуют также комбинированные конструкции,

составленные из сочетаний различных частей пространственных тонкостенных конструкций: крестовые и сомкнутые своды, сочетание гипаров и т.д.

К распорным конструкциям относят такие, у которых исключены свободные перемещения опор и под действием нагрузок в опорах возникают усилия называемые распором. В результате действия распора в конструкции существенно изменяется ее напряженное состояние по сравнению с безраспорным вариантом и значительно увеличивается ее несущая способность. Опоры безраспорных конструкций выполняют подвижными. Типичным примером безраспорной конструкции служит балка или ферма с одной шарнирно неподвижной опорой, а другой шарнирно подвижной. Примером распорной конструкции может служить арка или гибкая нить, закрепленные на неподвижных опорах.

К группе сплошных конструкций относятся балки, балки-стенки, плиты, оболочки, своды, складки, сплошностенчатые арки и рамы, а также мембраны и тканевые оболочки и тенты. Сквозные конструкции состоят из стержней соединенных между собой в плоскую или пространственную систему, причем стержни этой системы преимущественно испытывают лишь продольные усилия растяжения или сжатия. Эта особенность стержневых конструкций определяет их существенное преимущество перед сплошными. В стержневых конструкциях на восприятие усилий равномерно работает вся площадь поперечного сечения, в то время как в сплошных балках или плитах, например, лишь крайние волокна сечения испытывают максимальные напряжения, а остальная площадь сечения нагружена гораздо меньше.

В заключение этой лекции коснемся темы расчета инженерных конструкций. Принято считать, что все конструкции вплоть до начала XIX века строились на основе опыта и эмпиричесих знаний. Не осталось свидетельств того, что архитекторы и строители древнего мира и средневековья владели математическими методами расчета конструкций. Только с начала XIX века начала развиваться, как наука, строительная механика и появилась возможность строить здания и сооружения, заранее рассчитывая их несущие конструкции. В России, основателем теории расчета сооружений является выходец из Испании инженер Август Бетанкур, автор деревянных стропильных ферм перекрытия Манежа в Москве и его строитель. Он преподавал предмет, который ныне можно назвать строительной механикой в Санкт-Петербургском Институте Корпуса инженеров путей сообщения. Этот институт был основанном в 1821 году по его проекту и А. Бетанкур был его первым ректором. Более подробные сведения об истории развития конструкций и о вкладе отечественных и зарубежных ученных и инженеров будут изложены в разделах, посвященных соответствующему виду строительных конструкций: металлических, деревянных или железобетонных.

Здесь отметим только следующее. В настоящее время расчет и зачастую конструирование несущих конструкций выполняется с помощью мощных программных комплексов на электронных вычислительных машинах – персональных компьютерах.

Однако, пользование этими мощными инструментами возможно лишь тогда, когда пользователь точно знает, как задать исходную информацию для расчета и конструирования и как грамотно интерпретировать его результаты. А это невозможно сделать не овладев методами строительной механики, не ознакомившись со свойствами строительных материалов и не овладев предметом «Инженерные конструкции».

Лекция 2.