Строительные конструкции. Расчет и проектирование

Москва
ИНФРА-М
2007

Допущено Государственным комитетом Российской Федерации
по строительству и жилищно-коммунальному комплексу в качестве учебника
для студентов средних специальных учебных заведений, обучающихся по
специальности 2902 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений»

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

В.И. СЕТКОВ, Е.П. СЕРБИН

СТРОИТЕЛЬНЫЕ
КОНСТРУКЦИИ

Расчет и проектирование

УЧЕБНИК

Второе издание

Сетков В.И., Сербин Е.П.
Строительные конструкции: Расчет и проектирование:
Учебник. — 2-е изд., доп. и испр. — М.: ИНФРА-М, 2007. —
448 с. — (Среднее профессиональное образование). — (Серия
«Среднее профессиональное образование»).

ISBN 5-16-002406-9
В учебнике излагаются основы проектирования и расчета наиболее простых и широко распространенных в строительной практике несущих конструкций.
Издание рассчитано на студентов и преподавателей строительных колледжей и техникумов, а также других средних профессиональных учебных заведений, ведущих подготовку специалистов по
строительным специальностям, и прежде всего по специальности
«Строительство зданий и сооружений» (спец. 2902) со всеми ее
специализациями базового уровня. Может представлять интерес
для студентов высшей школы, где дисциплина «Строительные
конструкции» имеется в учебных планах, но не является профилирующей. Может быть полезным для техников-строителей, занимающихся производственной деятельностью или проектным делом
в области нового строительства или реконструкции в жилищнокоммунальном комплексе, и особенно в малом бизнесе.

УДК 624.0(07)
ББК 38.5я723

УДК 624.0(07)
ББК 38.5я723
С 33

© В.И. Сетков, Е.П. Сербин, 2005
ISBN 5-16-002406-9

Рецензенты: преподаватель Кировского государственного колледжа
строительства, экономики и права И.А. ЗАГУСТИНА; преподаватель
Донского государственного колледжа строительства, экономики и предпринимательства Г.Б. ЗУБОВА

С 33
27

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие .................................................................................... 9
Введение......................................................................................... 11
1. Общие положения ................................................................ 13
1.1. Классификация строительных конструкций ....................... 13
1.2. Материалы для строительных конструкций
и рекомендации по их применению .................................... 15
1.3. Требования к строительным конструкциям
и общие принципы их проектирования .............................. 19
1.4. Достижения в области строительных конструкций
и перспективы их развития .................................................. 20
2. Основы расчета строительных конструкций и оснований
(по предельным состояниям) ..................................................... 24
2.1. Понятие о предельных состояниях строительных
конструкций .......................................................................... 24
2.2. Понятие о расчете строительных конструкций
по предельным состояниям .................................................. 25
2.2.1. Понятие о расчете по предельным состояниям
первой группы ........................................................................ 27
2.2.2. Понятие о расчете по предельным состояниям
второй группы ........................................................................ 28
2.2.3. Нормативные и расчетные значения
сопротивлений материалов и нагрузок ............................... 29
2.3. Работа материалов для несущих конструкций
под нагрузкой и их расчетные характеристики .................. 31
2.3.1. Сталь ....................................................................................... 32
2.3.2. Древесина ............................................................................... 37
2.3.3. Железобетон ........................................................................... 40
2.3.4. Каменная кладка .................................................................... 45
Примеры..................................................................................... 47
Задачи для самостоятельной работы ....................................... 49
3. Нагрузки и воздействия........................................................ 50
3.1. Классификация нагрузок, действующих
на строительные конструкции ............................................. 52
3.1.1. Постоянные нагрузки............................................................ 52
3.1.2. Временные нагрузки ............................................................. 52

3.2. Нормативные нагрузки ......................................................... 53
3.2.1. Нормативные постоянные нагрузки .................................... 53
3.2.2. Нормативные временные нагрузки ..................................... 54
3.3. Расчетные нагрузки ............................................................... 54
3.3.1. Расчетные постоянные нагрузки ......................................... 55
3.3.2. Расчетные временные нагрузки ........................................... 55
3.4. Сочетания нагрузок ............................................................... 56
3.5. Единицы измерения, используемые при расчете
строительных конструкций .................................................. 56
Примеры и некоторые указания по сбору нагрузок .................. 57
Задачи для самостоятельной работы ....................................... 64
4. Конструктивная и расчетная схемы ...................................... 65
4.1. Балки ...................................................................................... 65
4.1.1. Конструктивная и расчетная схемы простой балки .......... 65
4.1.2. Конструктивная и расчетная схемы консоли
(консольной балки) ............................................................... 74
4.2. Колонны: конструктивные и расчетные схемы .................. 76
Примеры построения расчетных схем ...................................... 82
Задачи для самостоятельной работы ....................................... 83
5. Основы расчета строительных конструкций, работающих
на сжатие ................................................................................ 85
5.1. Расчет колонн. Общие положения ....................................... 85
5.1.1. Работа центрально-сжатых колонн под
нагрузкой и предпосылки для расчета
по несущей способности ....................................................... 86
5.1.2. Расчет центрально-сжатых колонн (стоек).
Общие подходы ...................................................................... 87
5.1.3. Понятие о расчете внецентренно сжатых
колонн ..................................................................................... 93
5.2. Расчет стальных колонн........................................................ 94
5.2.1. Область распространения и простейшие
конструкции стальных колонн ............................................. 94
5.2.2. Особенности работы стальных колонн
под нагрузкой и предпосылки для расчета ......................... 96
5.2.3. Расчет центрально-сжатых стальных колонн
сплошного сечения ................................................................ 97
5.2.4. Правила конструирования центральносжатых стальных колонн..................................................... 101
5.2.5. Понятие о расчете сквозных центральносжатых колонн ..................................................................... 105
5.3. Расчет деревянных стоек .....................................................107
5.3.1. Область распространения деревянных стоек
и их простейшие конструкции ........................................... 107
5.3.2. Особенности работы деревянных стоек
под нагрузкой и предпосылки для расчета ....................... 108

5.3.3. Расчет деревянных стоек цельного сечения ..................... 109
5.3.4. Правила конструирования деревянных
стоек и узлов ........................................................................ 112
5.3.5. Понятие о расчете деревянных стоек
составного сечения .............................................................. 112
5.4. Расчет железобетонных колонн...........................................113
5.4.1. Область распространения и простейшие
конструкции железобетонных колонн .............................. 114
5.4.2. Характер потери несущей способности
железобетонной колонны и предпосылки
для расчета ............................................................................ 116
5.4.3. Расчет сжатых железобетонных колонн
со случайным эксцентриситетом ....................................... 117
5.4.4. Правила конструирования железобетонных колонн ....... 123
5.4.5. Понятие о расчете внецентренно сжатых
железобетонных колонн ...................................................... 126
5.5. Расчет кирпичных (каменных) столбов и стен ................. 127
5.5.1. Область распространения и простейшие
конструкции кирпичных столбов ...................................... 127
5.5.2. Особенности работы кирпичных столбов
под нагрузкой и предпосылки для расчета ....................... 129
5.5.3. Расчет центрально-сжатых столбов
из неармированной кладки ................................................. 130
5.5.4. Некоторые правила конструирования
неармированных столбов .................................................... 134
5.5.5. Расчет центрально-сжатых кирпичных
столбов, армированных при помощи сеток
(сетчатое армирование) ....................................................... 135
5.5.6. Некоторые правила конструирования
кирпичных (каменных) столбов
с сетчатым армированием ................................................... 139
5.5.7. Внецентренно сжатые столбы. Понятие
о расчете................................................................................ 140
5.5.8. Расчет кирпичных стен зданий с жесткой
конструктивной схемой ...................................................... 141
5.5.9. Каменная кладка, выполняемая в зимнее
время ..................................................................................... 146
5.5.10. Усиление кирпичных столбов и простенков .................... 148
Примеры расчета колонн ........................................................ 149
Задачи для самостоятельной работы ..................................... 159
6. Растянутые элементы ..........................................................162
6.1. Общие положения ............................................................... 162
6.2. Стальные центрально-растянутые элементы .................... 162
6.3. Деревянные центрально-растянутые элементы .................165
Примеры расчета центрально-растянутых элементов ......... 167

Задачи для самостоятельной работы ..................................... 169
7. Основы расчета строительных конструкций, работающих
на изгиб ..................................................................................171
7.1. Общие положения ............................................................... 171
7.1.1. Работа простых балок под нагрузкой
и предпосылки для расчета по несущей
способности .......................................................................... 171
7.1.2. Расчет по деформациям балок из упругих
материалов ............................................................................ 176
7.2. Расчет стальных балок .........................................................181
7.2.1. Область распространения и простейшие
конструкции сплошных стальных балок ........................... 182
7.2.2. Особенности работы стальных балок
под нагрузкой и предпосылки для расчета ....................... 184
7.2.3. Расчет стальных балок сплошного сечения ...................... 186
7.2.4. Узлы и детали стальных балок ........................................... 191
7.2.5. Понятие о расчете составных сварных балок ...................... 192
7.3. Расчет деревянных балок .....................................................194
7.3.1. Область распространения и простейшие
конструкции деревянных балок ......................................... 194
7.3.2. Особенности работы деревянных балок
под нагрузкой и предпосылки для расчета ....................... 197
7.3.3. Расчет деревянных балок цельного сечения ...................... 199
7.3.4. Некоторые правила конструирования
деревянных балок ................................................................ 202
7.4. Расчет железобетонных балок и плит .................................204
7.4.1. Область распространения и простейшие
конструкции железобетонных балок ................................. 204
7.4.2. Особенности работы железобетонных балок
под нагрузкой и предпосылки для расчета ....................... 206
7.4.3. Расчет железобетонных балок прямоугольного
сечения с одиночным армированием
по прочности нормального сечения .................................. 208
7.4.4. Вывод уравнений прочности нормального
сечения изгибаемого прямоугольного
элемента с одиночным армированием .............................. 211
7.4.5. Понятие о прочности нормального сечения балок
с двойной арматурой ........................................................... 217
7.4.6. Расчет прочности нормального сечения
изгибаемых элементов таврового сечения
с одиночным армированием ............................................... 218
7.4.7. Некоторые правила конструирования
железобетонных балок без предварительного
напряжения арматуры ......................................................... 225

7.4.8. Расчет железобетонных плит по нормальному
сечению ................................................................................. 228
7.4.9. Расчет прочности наклонных сечений
железобетонных изгибаемых элементов ............................ 237
7.4.10. Предварительно наряженные железобетонные
конструкции ......................................................................... 243
7.4.11. Понятие о расчете сборных железобетонных
конструкций на монтажные и транспортные нагрузки .. 256
7.4.12. Расчет изгибаемых железобетонных элементов
по второй группе предельных состояний .......................... 258
Примеры расчета изгибаемых элементов ............................... 263
Задачи для самостоятельной работы ..................................... 292
8. Расчет и конструирование соединений строительных
конструкций ............................................................................297
8.1. Соединения стальных элементов ....................................... 297
8.1.1. Соединения на сварке ......................................................... 297
8.1.2. Болтовые соединения .......................................................... 304
8.2. Соединения деревянных конструкций ...............................310
8.2.1. Соединения на клеях ........................................................... 310
8.2.2. Нагельные соединения ........................................................ 312
8.2.3. Соединения на врубках ....................................................... 313
8.3. Соединения сборных железобетонных элементов .............315
Примеры расчета соединений.................................................. 318
Задачи для самостоятельной работы ..................................... 325
9. Стропильные фермы ............................................................ 328
9.1. Простейшие стропильные фермы .......................................329
9.1.1. Общие сведения ................................................................... 329
9.1.2. Стальные фермы: область распространения
и простейшие конструкции ................................................ 331
9.1.3. Деревянные и металлодеревянные фермы:
область распространения и простейшие
конструкции ......................................................................... 332
9.1.4. Железобетонные фермы: область
распространения и конструкции ....................................... 337
9.2. Расчет и конструирование ферм .........................................337
9.2.1. Общий порядок расчета ферм ............................................ 337
9.2.2. Особенности расчета стальных ферм ................................ 339
9.2.3. Особенности конструирования стержней
стальных ферм ..................................................................... 341
9.2.4. Особенности конструирования деревянных
ферм ...................................................................................... 343
Примеры расчета стержней стальных ферм ......................... 344
10. Рамы и арки ..................................................................... 348
10.1. Рамы .................................................................................... 348
10.1.1. Общие положения ............................................................... 348

10.1.2. Простейшие конструкции рам и каркасов ....................... 349
10.1.3. Стальные рамы ..................................................................... 349
10.1.4. Деревянные рамы ................................................................ 350
10.1.5. Железобетонные рамы ........................................................ 350
10.2. Арки.....................................................................................354
10.2.1. Общие положения ............................................................... 354
10.2.2. Понятие о расчете арок ....................................................... 356
11. Основания ........................................................................ 359
11.1. Естественные основания ...................................................361
11.1.1. Некоторые физические характеристики
грунтов .................................................................................. 361
11.1.2. Механические характеристики дисперсных
грунтов .................................................................................. 365
11.1.3. Расчетные сопротивления грунта ...................................... 368
11.1.4. Расчет осадок оснований .................................................... 373
11.1.5. Понятие о расчете скальных оснований ........................... 378
11.2. Искусственные основания .................................................379
11.2.1. Замена слабых грунтов ........................................................ 379
11.2.2. Поверхностное уплотнение грунта .................................... 380
11.2.3. Глубинное уплотнение ........................................................ 381
11.2.4. Закрепление грунтов ........................................................... 381
Примеры расчета .................................................................... 385
12. Фундаменты...................................................................... 388
12.1. Фундаменты неглубокого заложения ............................... 388
12.1.1. Общие положения ............................................................... 388
12.1.2. Глубина заложения фундамента ........................................ 388
12.1.3. Определение размеров подошвы фундаментов,
выполняемых на дисперсных грунтах (расчет
по грунту) ............................................................................. 392
12.1.4. Расчет фундаментов по материалу ..................................... 394
12.2. Свайные фундаменты ........................................................401
12.2.1. Общие положения ............................................................... 401
12.2.2. Классификация свай ........................................................... 401
12.2.3. Расчет свайных фундаментов ............................................. 405
Примеры расчета фундаментов ............................................. 414
Задачи для самостоятельной работы ..................................... 428
Приложения................................................................................. 431
Литература ................................................................................... 447

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предпосылки для написания такого учебника следующие. Вопервых, учебники по строительным конструкциям для средних
специальных заведений не издавались уже более 10 лет. За это
время изменились требования строительных норм и правил, во
многом другими стали и сами конструкции и применяющиеся для
них материалы. Во-вторых, за последние годы объем учебного
курса «Строительные конструкции» в техникумах и колледжах
значительно сократился, из учебных планов исключен курсовой
проект. В Государственном образовательном стандарте СПО заложены новые подходы к объему и глубине изложения учебного
материала по этой дисциплине.
По мнению авторов, настоящий учебник во многом отличается от существующих как по содержанию, так и по построению.
Действующие учебники по строительным конструкциям для
средних профессиональных учебных заведений строительного
направления написаны по аналогии с вузовскими учебниками,
где традиционно выделяется пять частей в зависимости от используемых материалов: металлические конструкции, железобетонные и бетонные конструкции, деревянные и конструкции из
пластмасс, каменные и армокаменные конструкции и, наконец,
несколько обособленно — основания и фундаменты. Ранее издававшиеся учебники для техникумов и колледжей в основном копируют аналогичные учебники для высшей школы, которые, как
правило, представляют отдельные книги по каждому из перечисленных материалов и написаны разными авторами или авторскими коллективами — специалистами в той или иной области,
что оправдано для студентов университетов и академий.
В предлагаемом учебнике авторами сделана попытка рассмотреть строительные конструкции в первую очередь не в зависимости от материала, а в зависимости от статической схемы работы:
сжатые, изгибаемые, стержневые и т.д. Здесь сначала указывается на общие для всех конструкций подходы к расчету на базе тео

рии сопротивления материалов, а затем уже материал рассматривается как частное проявление тех или иных свойств конструкций.
Более того, авторы поставили в качестве основной цели объединить учебный материал в одной книге, что вполне оправдано и
имеет ряд преимуществ. С одной стороны, из учебника исключены некоторые теоретические подходы и расчеты сложных инженерных сооружений, которые были заимствованы из вузовских
учебников и являлись «избыточной» информацией при изучении
базового курса студентами среднего специального учебного заведения. С другой стороны, исключено дублирование тех или иных
сведений (например, темы «Нагрузки и воздействия», «Расчет по
предельным состояниям» и др.), которые в прежних изданиях
повторяются в каждой из книг.
Таким образом, предлагаемый учебник ориентирован на конкретного адресата — будущего техника-строителя базового уровня.

ВВЕДЕНИЕ

«Строительные конструкции» как учебная дисциплина специального цикла в соответствии с Государственным образовательным
стандартом среднего профессионального образования в качестве
основной своей цели имеет обучение студентов указанного уровня
основам расчета и проектирования конструкций, оснований и фундаментов, с которыми наиболее часто приходится иметь дело в
строительной практике.
Учебник адресован техникам-строителям базового уровня, поэтому речь пойдет о наиболее простых и в то же время широко
распространенных строительных конструкциях, используемых в
зданиях и сооружениях.
Дисциплина «Строительные конструкции», как и другие, опирается на данные многих учебных дисциплин, но теснее всего
связана с такими, как «Техническая механика», «Строительные
материалы» и «Архитектура зданий».
«Техническая механика», и прежде всего «Сопротивление материалов» как ее часть, является элементарной теорией о прочности, она ближе всего к «Строительным конструкциям» с точки зрения главной цели — выполнения расчета для обеспечения надежной работы отдельных конструкций и сооружений в целом.
Основное же отличие заключается в том, что в «Сопротивлении
материалов» рассматриваются абсолютно упругие и однородные
материалы, а в «Строительных конструкциях» — и неоднородные
(например, железобетон), и необязательно абсолютно упругие (бетон, кирпич).
«Строительные материалы» как учебная дисциплина рассматривает физико-механические свойства материалов с помощью лабораторных и других испытаний. «Строительные конструкции», прежде
всего, интересуют прочностные характеристики строительных материалов и базирующиеся на этой основе расчетные формулы.
«Архитектура зданий» занимается основами архитектурностроительного проектирования, конструктивными элементами

зданий и способами их соединений, не вникая глубоко в вопросы
обеспечения их прочности, которые являются главной задачей
дисциплины «Строительные конструкции».
Строительные конструкции также тесно связаны с такими дисциплинами как «Экономика» и «Технология строительного производства». Первая решает вопросы экономичности и целесообразности при проектировании конструкций, а вторая — удобства
их изготовления, монтажа и транспортирования.
Современные расчеты немыслимы без использования ЭВМ,
особенно при выполнении расчетов сложных конструкций и сооружений. Выполнение расчетов простейших конструкций «вручную» в учебных целях необходимо для развития инженерного
мышления, осознанной и обоснованной оценки их надежности в
работе. По ряду причин авторы не приводят в этой книге расчетов с помощью ЭВМ.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Классификация строительных
конструкций

Строительные конструкции очень разнообразны по своему назначению и применению. Тем не менее их можно объединить по
некоторым признакам общности тех или иных свойств, т.е. проклассифицировать, уточнив при этом некоторые понятия. Возможны различные подходы к классификации конструкций.
Имея в качестве основной конечной цели учебника расчет конструкций, целесообразнее всего проклассифицировать их по следующим признакам:
1) по геометрическому признаку конструкции принято разделять на массивы, брусья, плиты, оболочки (рис. 1.1) и стержневые системы (рис. 1.3):

Рис. 1.1. Классификация конструкций по геометрическому признаку:
а) массив; б) брус; в) плита; г) оболочка

% массив — конструкция, в которой все размеры одного порядка, например у фундамента размеры могут быть такими: а = 1,8 м;
b = 1,2 м; h = 1,5 м. Размеры могут быть и другими, но порядок их
один — метры;
% брус — элемент, в котором два размера во много раз меньше
третьего, т.е. они разного порядка: b << l, h << l. Например, у железобетонной балки они могут быть такими: b = 20 см, h = 40 см,
а l = 600 см, т.е. они могут отличаться друг от друга на целый порядок (в 10 и более раз).
Брус с ломаной осью принято называть простейшей рамой, а с
криволинейной осью — аркой (рис. 1.2, а, б);

Рис. 1.2. Разновидности брусьев: а) рама; б) арка

% плита — элемент, в котором один размер во много раз меньше двух других: h << а, h << l. В качестве примера можно привести ребристую железобетонную плиту (точнее, поле плиты), у которой толщина собственно плиты h может быть 3–4 см, а длина и
ширина порядка 150 см. Плита является частным случаем более
общего понятия — оболочки, которая в отличие от плиты имеет
криволинейное очертание (рис. 1.1, г). Рассмотрение оболочек выходит за рамки нашего курса;
% стержневые системы представляют собой геометрически неизменяемые системы стержней, соединенных между собой шарнирно или жестко. К ним относятся строительные фермы (балочные или консольные) (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Примеры простейших стержневых систем:
а) балочная ферма; б) консольная ферма

Размеры во всех примерах приведены в качестве ориентира и
не исключают их многообразия. Есть случаи, когда трудно отнести конструкцию к тому или иному виду по этому признаку. В рамках данного учебника все конструкции вполне вписываются в
приведенную классификацию;
2) с точки зрения статики конструкции делятся на статически определимые и статически неопределимые. К первым относятся системы (конструкции), усилия или напряжения в которых могут быть определены только из уравнений статики
(уравнений равновесия), ко вторым — такие, для которых одних уравнений статики недостаточно. В настоящем учебнике
преимущественно рассматриваются статически определимые
конструкции;
3) по используемым материалам конструкции делятся на стальные, деревянные, железобетонные, бетонные, каменные (кирпичные);
4) с точки зрения напряженно-деформированного состояния,
т.е. возникающих в конструкциях внутренних усилий, напряжений и деформаций под действием внешней нагрузки, условно
можно поделить их на три группы: простейшие, простые и сложные (табл. 1.1). Такое разделение не является общепринятым, но
позволяет привести в систему характеристики видов напряженно-деформированных состояний конструкций, которые широко
распространены в строительной практике и будут рассмотрены
в учебнике. В представленной таблице трудно отразить все тонкости и особенности указанных состояний, но она дает возможность сравнить и оценить их в целом. Подробнее о стадиях напряженно-деформированных состояний будет сказано в соответствующих главах.

1.2. Материалы для строительных
конструкций и рекомендации по их
применению

Строительная практика имеет дело с большой номенклатурой строительных материалов, как конструкционных, так и теплоизоляционных и отделочных. Как уже говорилось выше, наиболее распространены в качестве конструкционных материалов,
т.е. применяются для несущих конструкций, сталь, железобетон, древесина и кирпич (камень). Не останавливаясь на особенностях работы различных материалов под нагрузкой и влияния на них условий эксплуатации, на различии их химичес

Таблица 1.1
Виды напряженно-деформированных состояний и их характеристики