7569

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

П.А. Хазов

Строительные конструкции, здания и сооружения

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям и практическим занятиям по дисциплине Б1.1.3 «Строительные конструкции, здания и сооружения» (включая рекомендации обучающимся по организации самостоятельной работы)

для обучающихся по группе научных специальностей 2.1 Строительство и архитектура, научной специальности 2.1.1 Строительные конструкции, здания и сооружения

Нижний Новгород

2023

3

1. Рекомендации обучающимся по подготовке к лекциям

Цель курса

Целями освоения учебной дисциплины Б1.1.3 Строительные конструкции, здания и сооружения являются формирование и развитие у аспирантов универсальных, общепрофессиональных и профессиональных компетенций; освоение аспирантами теоретико-методологических основ современного инженерного анализа строительных конструкций, зданий и сооружений, а также умения применить полученные теоретические знания в научно-исследовательской и преподавательской деятельности. В процессе изучения предмета аспиранты должны приобрести теоретические, методологические и эмпирические знания в области современных методов исследования физико-механических свойств строительных материалов, передовых методов расчета строительных конструкций, ознакомиться с прогрессивными способами оценки технического состояния зданий и сооружений.

Виды учебных занятий - лекции, практические занятия, реферат, экзамен. Назначение лекции состоит в том, чтобы доходчиво изложить основные положения

изучаемой дисциплины, ориентировать на наиболее важные вопросы и оказать помощь в овладении необходимых знаний и применения их на практике.

Общие рекомендации при работе с конспектом лекций:

1.Написание конспекта лекций: кратко, схематично, последовательно фиксировать основные положения, выводы, формулировки, обобщения, помечать важные мысли, выделять ключевые слова, термины.

2.Ознакомление с терминами, понятиями с помощью энциклопедий, словарей, справочников с выписыванием толкований в тетрадь.

3.Определение вопросов, терминов, материала, который вызывает трудности, пометить и попытаться найти ответ в рекомендуемой литературе. Если самостоятельно не удается разобраться в материале, необходимо сформулировать вопрос и задать преподавателю на консультации, на практическом занятии.

4.Просмотр рекомендуемой литературы. Отбор необходимого материала для написания реферата.

5.При подготовке к экзамену необходимо ориентироваться на конспекты лекций, рекомендуемую литературу.

2.Рекомендации обучающимся по подготовке к практическим занятиям

В ходе подготовки к практическим занятиям необходимо изучать конспекты лекций, основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой. При этом необходимо учесть рекомендации преподавателя и требования учебной программы. Практические занятия проводятся для закрепления усвоенной информации, приобретения навыков ее применения для решения практических задач в своей области. В соответствии с этими рекомендациями и подготовкой полезно дорабатывать свои конспекты лекции, делая в нем соответствующие записи из литературы, рекомендованной преподавателем и

4

предусмотренной учебной программой. При подготовке к занятиям можно также подготовить вопросы по изучаемым темам.

3.Содержание дисциплины

3.1Тематический план лекций и практических занятий по дисциплине 4семестр

ЛЕКЦИЯ 1 Научная специальность 2.1.1 – история появления, изучаемые

вопросы, смежные специальности.

На основании рекомендации Высшей аттестационной комиссии (ВАК) приказом Минобрнауки России от 24 февраля 2021 года № 118 утверждена новая номенклатура научных специальностей, по которым присуждаются ученые степени. Согласно представленному итоговому проекту номенклатуры, количество групп научных специальностей сократилось с 52 до 34 (-35%), специальностей — с 430 до 351 (-18,4%). При этом состав номенклатуры пополнила 21 специальность, не имеющая принадлежности к уже существующим группам, и появились четыре новых группы: компьютерные науки и информатика, биотехнология, недропользование и горные науки, когнитивные науки. По одному новому профилю получили группы специальностей по теологии, клинической медицине, строительству и архитектуре.

5

Паспорт научной специальности 2.1.1. «Строительные конструкции, здания и сооружения» Область науки: 2. Технические науки

Группа научных специальностей: 2.1. Строительство и архитектура Наименование отрасли науки, по которой присуждаются ученые степени: Технические

Шифр научной специальности:2.1.1. Строительные конструкции, здания и сооружения Строительные конструкции, здания и сооружения – область науки и техники,

занимающаяся созданием и совершенствованием рациональных типов конструкций, методов их расчета, объемно-планировочных решений промышленных гражданских. Данная научная специальность содержит научно-технические исследования и разработки в области рационального проектирования конструктивных и объемно-планировочных решений зданий и сооружений, их технической эксплуатации и конструкционной безопасности, основанные на использовании технических, экономико-математических и

1. Построение и развитие теории, разработка аналитических и вычислительных методов расчёта механической безопасности и огнестойкости, рационального проектирования и

конструктивных систем, несущих и ограждающих конструкций, конструктивных свойств

конструкций, зданий и сооружений, в том числе при чрезвычайных ситуациях, особых и запроектных воздействиях, обоснование критериев приемлемого уровня безопасности. 4. Разработка и развитие методов мониторинга, оценки качества и диагностики технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений в период их строительства, эксплуатации и реконструкции.

5.Обоснование технических решений по реконструкции, усилению и

восстановлению элементов и конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений. 6. Научное обоснование прогнозирования нагрузок и воздействий на строительные конструкции, здания и сооружения на стадиях их создания, эксплуатации и реконструкции.

7. Разработка рациональных форм и параметров, объемно-планировочного решения зданий и сооружений исходя из условий размещения в застройке, функциональных и технологических процессов, теплофизических, светотехнических, акустических и иных санитарно-гигиенических условий, пожарной и экологической безопасности.

8. Разработка новых и совершенствование рациональных типов несущих и ограждающих конструкций, конструктивных решений зданий и сооружений с учетом протекающих в них процессов, природно-климатических условий, механической, пожарной и

конструкций зданий и сооружений с учётом природно-климатических, теплофизических, светотехнических, акустических и иных условий.

6

Смежные специальности (в т.ч. в рамках группы научной специальности): 2.1.5. Строительные материалы и изделия

2.1.9.Строительная механика

2.1.10.Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

2.1.15.Безопасность объектов строительства Дается обзор публикаций в рецензируемых научных изданиях, монографиях,

технической документации.

Экспериментальные исследования механических свойств конструкционных материалов.

За любой математической моделью среды, конструкции стоят обширные экспериментальные исследования, которые никогда не будут заменены методами компьютерного моделирования. Сложные структуры и необычные свойства материалов, случайные процессы в реальных условиях эксплуатации – все это предъявляет высокие требования к методам и технике эксперимента, а также и к необходимой точности результатов экспериментальных исследований. Эксперимент, по сути, остается единственным реальным методом проверки адекватности сложных математических моделей современной механики.

Основной целью проведения современного эксперимента с позиций производителя продукции является разработка математической модели, адекватно описывающей процесс и позволяющей в конечном результате – осуществлять его управление.

При планировании эксперимента исследователь должен:

1)обеспечить высокую надежность и четкость интерпретации результатов экспериментальных исследований;

2)составить четкую и последовательную логическую схему построения всего процесса исследования: что, когда и как нужно делать;

3)максимально формализовать процесс разработки модели и сопоставления экспериментальных данных различных опытов одного и того же объекта исследований с целью широкого применения электронно-вычислительных средств.

Всем перечисленным требованиям отвечают статистические методы планирования эксперимента, являющиеся одним из эмпирических способов получения математического описания сложных процессов.

Экспериментальная механика – раздел механики деформируемого твердого тела, в котором изучаются методы экспериментального исследования напряжений, деформаций, перемещений с целью оценки прочности и деформируемости различных материалов, элементов конструкций и сооружений, натурных конструкций и их моделей.

Экспериментальные исследования выполняются с целью:

-определения механических, физических и химических характеристик материала, необходимых для построения теорий расчетов на прочность;

-изучения разрушения материала под действием приложенных сил и влияния различных внешних факторов на характер разрушения;

-сопоставления полученных экспериментальных данных с расчетными значениями напряженно-деформированного состояния в элементах конструкции, подверженных действию внешних нагрузок, полученными методами сопротивления материалов, теории

7

упругости, теорий пластичности и ползучести, строительной механики, динамики машин и т.д.

Даются основы тензометрического метода экспериментальных исследований. Тензометрия –методы электрических измерений механических величин: деформаций, перемещений, сил, давлений, моментов, перегрузок, частот – обладает исключительными качествами, которые явились причиной ее развития как индустриального метода с самым широким применением практически во всех областях технической деятельности человека.

Рассматривается современное состояние вопроса эмпирических методов в смежных специальностях.

ЛЕКЦИЯ 2 Численные исследования поведения конструкционных материалов, включая композитные.

В настоящее время композитные материалы активно используют в строительстве. Как известно, композитные материалы состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей. В таких материалах имеются усиливающие элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала.

Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы: металлы, керамика, стекла, пластмассы. Традиционным композитом является железобетон, сочетающий в себе совместную работу бетона и стальной арматуры, активно используемый в строительстве зданий и сооружений. Большая распространенность композитов требует изучения их свойств, влияние на жесткость и несущую способность конструкций на разных этапах их работы под нагрузкой. Расчет таких конструкций можно выполнять методом конечных элементов с использованием шагово-итерационных процедур на базе общих принципов механики деформируемого твердого тела и численных методов решения физически нелинейных задач. Это позволяет проследить за характером напряженно-деформируемого состояния конструкций на различных этапах нагружения, включая предельные. При этом, информация о физической нелинейности материалов конструкции содержится в матрице жесткости системы.

Существуют различные подходы для учета совместной работы нескольких материалов в составе одного, при изменении механических характеристик этих материалов под нагрузкой. Численное моделирование температурных и иных нестационарных воздействий.

Особенности научных исследований железобетонных и сталежелезобетонных конструкций.

История развития железобетонных конструкций. Приводятся достоинства и недостатки современной нормативной документации.

Существуют различные подходы и методики для расчета строительных конструкций из железобетона. При этом, исходя из действующих нормативных документов, расчет ведется по двум группам предельных состояний: по несущей способности и по

8

конечноэлементному моделированию железобетонных конструкций. Особенности учета нелинейной работы бетона. Сталежелезобетон: опыт применения, классификация, проблемы расчета и состояние экспериментальных исследований сталежелезобетона. Огнестойкость железобетонных и сталежелезобетонных конструкций.

Практическое занятие 1,2

Разбираются примеры расчета строительных конструкций из железобетона. Приводятся основные способы лабораторных исследований железобетона.

ЛЕКЦИЯ 3 Особенности научных исследований деревянных конструкций, а также

конструкций из древесных композитов и пластмасс.

В XXI веке все большую популярность набирает строительство из древесины. Древесина – уникальный возобновляемый природный ресурс, который человечество использовало с древнейших времен, однако, в период активной индустриализации, древесина, как основной материал несущих конструкций ушла на второй план, уступив первое место тяжелым металлическим и железобетонным конструкциям. В наши дни, когда вопросы экологии и энергоэффективности играют решающую роль, строительство с применением данного природного материала становится все актуальнее. Отечественный и зарубежный опыт подтверждает неограниченные возможности использования древесины в качестве основного материала для несущих конструкций. В настоящее время наиболее перспективными областями применения конструкций из древесины являются:

1)Несущие и ограждающие клеедощатые конструкции на предприятиях с химической и агрессивной средами (складские помещения, склады ядохимикатов, животноводческие помещения).

2)Сборное панельное домостроение.

3) Покрытиях над большепролетными сооружениями.

При относительной легкости, конструкции из древесины обладают высокой несущей способностью, особенно при воздействии кратковременных и сейсмических нагрузок. Благодаря этому древесина успешно используется при строительстве в сейсмически опасных районах. Древесина является анизотропным материалом, ее механические свойства значительно изменяются в зависимости от угла наклона волокон. Для удобства расчета конструкций, принимается допущение об ортогональной анизотропии древесины – ортотропности. Это принято в качестве упрощенной расчетной схемы и основано на гипотезе о наличии трех плоскостей симметрии в элементарном объеме древесины, перпендикулярных тангенциальному, трансверсальному и радиальному направлениям волокон. Древесине, как конструкционному материалу, свойственно изменять свое напряженно-деформированное состояние с течением времени при постоянной нагрузке. В древесине различают мгновенные и вязкие деформации. Если мгновенные деформации происходят в момент приложения нагрузки, то вязкие развиваются под действием нагрузки. До определенного уровня напряжений

постоянной нагрузке. Существующие методы расчета позволяют с достаточной точностью определять несущую способность и жесткость армированных деревянных конструкций на всех стадиях их работы. Моделирование и анализ работы конструкции в расчетных программных комплексах в большинстве случаев позволяет избежать многочисленных дорогостоящих испытаний, ограничиваясь лишь выборочными испытаниями оптимизированного объекта исследования.

Внастоящее время требованиям индустриальности изготовления деревянных конструкций более всего отвечают клееные деревянные конструкции, развитию которых способствовало создание массового производства синтетических клеев. Основным достоинством клееных деревянных конструкций является возможность, путем склеивания пиломатериалов по длине, также - по высоте и ширине поперечного сечения, изготовления элементов конструкций с размерами поперечных сечений практически любых очертаний и размеров.

Горение - это реакция соединения горючих компонентов древесины с кислородом воздуха, которое сопровождается выделением тепла, дыма, появлением пламени и тления.

Впожарном отношении деревянные строительные конструкции превосходят металлические и железобетонные. Строительные материалы по возгораемости подразделяются на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Необходимо применять меры защиты древесины, которые переведут этот материал из сгораемых в группу трудносгораемых. А также необходимо соблюдать конструкционные мероприятия, которые повысят предел огнестойкости деревянных конструкций.

Для клееных конструкций рекомендуется применять вспучивающиеся составы и антипирены, которые наносятся на поверхность конструкции. Для конструкций из цельной древесины используют пропиточные составы. Для защиты деревянных элементов каркаса ограждающих конструкций требуется глубокая пропитка антипиренами под давлением. Строительные пластмассы. Основное применение пластмассы получили при изготовлении трехслойных панелей. Довольно широко применяют пластмассы в строительстве светопрозрачных конструкций в виде куполов. Также конструкции из пластмасс применяют в виде:

1) Пленочных и лакокрасочных материалов.

2) Пластмассы как связующее:

а) легкие и сверхлегкие тепло - и звукоизоляционные материалы; б) клеевые композиции; в) конструкционные материалы (стеклопластик);

г) тяжелые полимербетоны.

Применение конструкций из пластмасс ограничивается, главным образом, сравнительно высокой стоимостью полимерных материалов, а также - требованиями по пожарной безопасности зданий и сан-тех. нормами.

К числу полимерных материалов, которые используют в строительстве, относятся: древесно-слоистые пластики (ДСП),