Глава 1. Общая характеристика стоечно-балочных конструкций

1.1. Основные положения

К

Рис. 1. Административное здание в г. Сургут, возводимое по проекту ОАО «Новосибирский Промстройпроект»

огда-то строители возводили несущие конструкции наугад, опираясь в основном на интуицию, что приводило порой к катастрофическим последствиям. Из-за отсутствия достоверных теорий расчета прочности и устойчивости зданий и сооружений и достаточного опыта их возведения архитекторы во времена Витрувия вынуждены были ограничивать высоту возводимых инсул (инсула – 3–6- этажный кирпичный жилой дом в Древнем Риме) восемнадцатью метрами. Поэтому неслучайно Витрувием сформулирована триада: прочность, польза, красота, которая и сегодня актуальна при возведении любого сооружения.

В настоящее время знание теории инженерных конструкций позволяет строить экономичные и надежные сооружения высотой в сотни метров, несущий остов которых может являть собой стальной каркас. Металлокаркас здания, как правило, состоит из стальных балок (ферм) и колонн, образуя из них геометрически неизменяемую стоечно-балочную конструкцию. Пример использования стоечно-балочной стальной конструкции для перекрытия школьного спортивного зала в г. Новосибирске, разработанной авторами пособия, приведен на обложке. На рисунке 1 показан пример использования такой системы в каркасе высотного здания.

Будущий архитектор должен усвоить основные понятия, без которых невозможно описать и предсказать работу каркаса сооружения.

Стальной каркас создается из строительных малоуглеродистых сталей, обеспечивающих его эксплуатационную надежность, т.е. способность выполнять свои функции при заданных сроке и условиях эксплуатации. Строительная сталь должна отвечать трем главным требованиям: экономичности, прочности (по пределу текучести и временному сопротивлению) и сопротивляемости разрушению (вязкому, хрупкому, усталостному, коррозионному, потери общей и местной устойчивости и т.д.).

Выбор класса и категории стали в строительных нормах [1] для сооружений построен на этих требованиях и определяется в зависимости от группы конструкций по степени ответственности, к которой относится элемент каркаса, и от низких климатических температур эксплуатации.

Нагрузки – внешние силовые воздействия на конструкцию, вызывающие появление напряженно-деформированного состояния в ее элементах. По виду приложения к элементу нагрузки делятся на сосредоточенные и распределенные. Сосредоточенные нагрузки прикладываются к несущему элементу на ограниченном и весьма малом по отношению к площади поверхности (плиты, оболочки) или длине (балки) участке, условно принимаемом в расчетах как точка. Распределенные нагрузки действуют по всей или части поверхности несущей плиты или длине балки, сопоставимых с их размерами. По продолжительности во времени нагрузки разделяют на постоянные и временные (длительные, кратковременные, особые). При расчетах на прочность и деформативность балок и других несущих элементов конструкций каркаса здания используются термины расчетная и нормативная нагрузка соответственно. На основе теории статистики при обработке изменчивости нагрузки от ряда факторов (временных, технологических, эксплуатационных и др.) устанавливает два понятия. Первое: средняя нагрузка – это величина нормативной нагрузки, второе: максимально возможная нагрузка за время эксплуатации – это расчетная нагрузка. Коэффициент корреляции между расчетной и нормативной нагрузками называется коэффициентом надежности по нагрузке. Его величины приведены в СНиП «Нагрузки и воздействия» [2].

Расчет балок и колонн выполняется на основе теории предельных состояний. Первая группа предельных состояний соответствует потере несущей способности элементов стальных конструкций вследствие вязкого, хрупкого, усталостного, коррозионного разрушения, потере устойчивости и пр., в результате чего здание перестает существовать как объект. Вторая – возникновению деформаций, препятствующих нормальной эксплуатации, а именно зыбкости, прогибам в вертикальной плоскости, отклонениям в горизонтальном направлении.