Тема 32. Строительные конструкции зданий и сооружений, их общая классификация по форме, структуре, линейности, пространственности, расположению, материалу и т.д.
К строительным конструкциям относятся конструкции зданий и сооружений, образующие их остов (т.е. конструктивную основу) и воспринимающие все действующие на них нагрузки.
По виду материала строительные конструкции подразделяются на металлические, железобетонные, каменные деревянные конструкции и конструкции с применением пластмасс.
Сталь является основным материалом металлических конструкций. Она обладает высокой прочностью, пластична, хорошо сваривается и сопротивляется динамическим воздействиям. Для легких конструкций используют алюминиевые сплавы или холоднокатаную сталь. Свойства стали зависят от нее химического свойства и технологии изготовления. Повышение прочности стали без снижения ее пластичности достигается введением легирующих добавок - марганца, кремния, меди, никеля, хрома (легированные стали), или ее термическим упрочнением.
Железобетон состоит из бетона и стальной арматуры, которые работают совместно. Бетон обладает высоким сопротивлением сжатию и низким сопротивлением растяжению. Стальная арматура обладает высоким сопротивлением как на сжатие, так и на растяжение. Эти качества материалов используются в железобетоне совместно.
В изгибаемых элементах высокое сопротивление бетона сжатию используется в сжатой зоне, а высокое сопротивление арматуры растяжению - в растянутой зоне, где бетон слабо сопротивляется растяжению и в нем образуются трещины. В изгибаемых элементах укладывают относительно небольшое количество арматуры, но эта арматура во много раз повышает несущую способность изгибаемого элемента (например, балки).
Арматуру применяют также и в сжатых элементах; в результате эти элементы приобретают более высокую несущую способность (например, колонны).
Затвердевший бетон имеет довольно хорошее сцепление со стальной арматурой. В результате этого оба материала деформируются совместно.
Железобетон обладает большой долговечностью, высокой огнестойкостью, хорошей сопротивляемостью атмосферным воздействиям, статическим и динамическим нагрузкам, слабой проницаемостью влаги, газов и радиации.
Бетон представляет собой неоднородный материал, который. состоит из крупного заполнителя (щебня или гравия), мелкого заполнителя (песка), цемента и воды.
Сопротивление сжатию - важная характеристика механических свойств бетона. Оно зависит от прочности цементного камня, качества заполнителя и плотности бетона.
Сопротивление бетона сжатию оценивается классом бетона.
Кроме классов бетона существуют и марки бетона по водонепроницаемости, по морозостойкости, по плотности и т. д.
Бетон - неупругий материал и с течением времени деформации в нем увеличиваются при той же нагрузке, т.е. имеет место процесс “ползучести бетона”. Ползучесть бетона - это самопроизвольное возрастание деформаций при постоянном длительном напряжении.
Ползучесть бетона обусловлена природой цементного камня: она тем выше, чем больше количество цемента и чем начальное содержание воды.
Арматура в железобетоне предназначается в основном для восприятия растягивающих усилий в изгибаемых и растянутых элементах и для усиления сжатых элементов. Ее количество определяется расчетом; эта арматура называется рабочей. Кроме этого существует также конструктивная арматура, которая используется, в частности, для повышения трещиностойкости железобетона в виде так называемых «хомутов». Для обеспечения восприятия монтажных и других неэксплуатационных нагрузок применяют монтажную арматуру. Рабочую и конструктивную арматуру объединяют в арматурные изделия: сварные или вязаные каркасы или арматурные сетки.
Стальная арматура подразделяется на горячекатаную, стержневую и холоднокатаную проволочную. Стержневая арматура в зависимости от характера поверхности бывает гладкой и периодического профиля (для лучшего сцепления с бетоном).
Стержневая арматура подразделяется на классы в зависимости от ее механических свойств..
Соединение стержней арматуры по длине осуществляют сваркой или путем их «перепуска» без сварки (внахлестку).
Арматура и бетон в железобетоне оказывают положительное влияние друг на друга, как при силовых, так и при несиловых воздействиях.
Бетон надежно предохраняет арматуру от коррозии и от огня. Активное взаимодействие бетона и арматуры обеспечивается высоким сцеплением их по поверхности контакта.
B изгибаемых элементах, до образования трещин в бетоне, арматура и бетон работают и деформируются совместно.
После образования трещин в бетоне растянутый зоны все усилия в этой зоне передаются на арматуру. Арматура также воспринимает усилия, возникающие при усадке или ползучести бетона.
Дерево – один из древнейших строительных материалов, который широко применялся и применяется для самых разнообразных построек.
В настоящее время древесина широко используется для малоэтажного индивидуального строительства и для отделочных работ. Однако, древесина применяется сейчас и для уникальных конструкций зданий – как правило, общественных.
Древесина в строительстве используется в основном в виде конструктивных материалов – брусьев и досок, из которых изготавливаются конструктивные элементы и части зданий. Для отделки используются так называемые «погонажные» (профильные) изделия из древесины – шпунтованные доски, плинтусы и т.д. Более глубокая переработка древесины дает возможность получить и другие изделия из дерева и из его отходов – фанеру, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и т.д.
Для конструкций зданий используется в основном древесина хвойных пород – сосна или лиственница, реже ель или пихта. Для особо важных конструкций может использоваться дуб или кедр.
Лиственные породы – дуб, ясень, клен, орех применяются в основном для столярных, декоративных и отделочных работ – то есть там, где кроме прочности древесины требуется и ее долговечность и хороший внешний вид.
Древесина имеет кольцевую структуру ствола, с более старым древесным материалом в центре и более молодым – на периферии ствола. В соответствии с этим центральная зона ствола обладает большей прочностью и меньшей деформативностью. В соответствии с этим приняты основные правила распиловки древесины на различные изделия – брусья, доски, бруски и т.д.
Основными достоинствами древесины являются простота ее обработки, относительная прочность и легкость. Наряду с этими достоинствами древесина имеет и ряд существенных недостатков: природные дефекты, малая огнестойкость, склонность к загниванию. Для ликвидации этих негативных свойств древесина должна соответствующим образом высушиваться, защищаться от увлажнения и от возгорания (вентиляция, гидроизоляция, пропитка антипиренами и облицовка несгораемыми материалами).
Армокаменными конструкциями называются каменные конструкции (из природного камня, кирпича или других мелкоразмерных элементов), снабженные стальной рабочей арматурой.
К достоинствам каменных конструкций относятся их прочность, огнестойкость и долговечность. К их недостаткам относится их высокая масса и малая индустриальность при изготовлении.
Каменные конструкции применяются в настоящее время для возведения стен и столбов (колонн) различных зданий и сооружений. Природные камни тяжелых пород иногда используются и для возведения фундаментов. Армокаменные конструкции применяются для различных инженерных сооружений – дымовых труб, емкостных сооружений и т.д.
К строительным конструкциям предъявляются требования, которым они должны удовлетворять на всех стадиях своего существования: в процессе изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации.
Кроме главного требования — обеспечения прочности, жесткости и устойчивости конструкций, основными требованиями являются также экономические и функционально-эксплуатационные требования.
Экономичность конструкций зависит от расхода и стоимости материалов, стоимости изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатационных расходов.
Функционально-эксплуатационные требования сводятся к тому, чтобы конструкция удовлетворяла бы своему назначению, была удобна и безопасна в эксплуатации и требовала бы наименьших затрат для поддержания ее в рабочем состоянии.
Строительные конструкции подразделяются не только по материалу. Все конструктивные элементы и части зданий и сооружений можно подразделить на несколько групп: горизонтальные и вертикальные, плоские и линейные, плоскостные и пространственные конструкции.
Стены — это плоские вертикальные конструкции; столбы, стойки и колонны - вертикальные линейные (точечные) конструкции; балки и фермы перекрытий и покрытий — горизонтальные линейные конструкции. К ним относятся также арки и рамы.
Балки и фермы относятся к безраспорным конструкциям, т.е. передающим на опоры (стены и колонны) только вертикальную нагрузку.
Рамы, арки и своды являются распорными конструкциями, передающими на опоры не только вертикальную нагрузку, но и возникающие в конструкции распорные усилия (так называемый «распор»)
Плоскостные и пространственные конструкции по большей части относятся к покрытиям зданий.
К плоскостным относятся покрытия с линейными конструкциями — балками, фермами, арками, рамами и т.д.
Разнообразные типы пространственных конструкций в основном могут быть сведены к оболочкам, сводам – оболочкам, куполам, складчатым конструкциям, перекрестно-стержневым системам, висячим и тентовым конструкциям и т.д.
Плоскостные конструкции состоят из элементов, каждый из которых «работает» в своей отдельной вертикальной плоскости.
Пространственные конструкции «работают» пространственно, поэтому они более эффективны.
К строительным конструкциям относятся конструкции, воспринимающие действующие на них нагрузки и обеспечивающие прочность, жесткость, устойчивость зданий и сооружений.
Основными задачами расчета строительных конструкций являются:
- определение возникающих в них усилий от действующих нагрузок;
- определение размеров поперечных сечений элементов, соединительных деталей и требуемого количества арматуры (в железобетонных элементах);
- определение гарантированных эксплуатационных качеств конструкций при минимальных затратах материалов.
Конструкция может потерять необходимые эксплуатационные качества в результате:
- исчерпания несущей способности (разрушения);
- чрезмерных деформаций (прогибов, осадок), а также в результате образования трещин.
Конструкции рассчитывают на действия нагрузок в различных сочетаниях, которые могут быть как основными, так и особыми.
Постоянными называются нагрузки, действующие на конструкцию в течение всего периода эксплуатации (собственный вес конструкции, давление грунта и т.д.).
Временные нагрузки - это нагрузки, которые в процессе эксплуатации конструкции изменяются по значению и расположению (вес оборудования, снега, давление ветра и т.д.). Временные нагрузки подразделяются на длительные и кратковременные.
Особые нагрузки - это нагрузки от неравномерной осадки зданий, сейсмические нагрузки и т.д.
Основное сочетание - это одновременное действие постоянных, длительных временных и кратковременных нагрузок в различных сочетаниях с соответствующими коэффициентами. Особое сочетание - это действие нагрузок основного сочетания с добавлением одной из особых нагрузок.
Тема 33. Основы проектирования строительных конструкций. Основные свойства конструкционных строительных материалов как фактор возникновения и развития разнообразных типов строительных конструкций.
Все строительные материалы и изделия являются основой для изготовления строительных конструкций. Свойства строительных материалов определяют свойства, строительных конструкций, поэтому строительные конструкции создавались и совершенствовались по мере того, как внедрялись в строительную практику новые материалы.
Одновременно с этим новые конструкции появлялись тогда, когда появлялась необходимость в новых типах зданий или в увеличении размеров существующих типов зданий. Поэтому можно утверждать, что развитие строительства и архитектуры в значительной степени зависит от развития строительных конструкций.
Металлические конструкции. Элементы стальных конструкций соединяют в основном электродуговой сваркой плавящимися электродами, которая может быть ручной и механической (автоматической и полуавтоматической), а также заклепками и болтами. Сварные швы могут быть стыковыми и угловыми, а сварные соединения бывают встык, встык с накладками, внахлестку и втавр
Заклепки используют для соединения элементов конструкций, испытывающих динамические воздействия или выполненных из несваренных материалов (например, алюминия).
Болты применяют как для монтажного, так и для конструктивного соединения элементов.
Болты, изготовленные штамповкой прокатных прутков называются болтами нормальной точности, или “черными” болтами, а выточенные по диаметру отверстия - болтами повышенной точности, или “чистыми” болтами. Отверстия для заклепок и болтов могут быть продавлены или высверлены. Заклепки и “черные” болты ставят в продавленные отверстия, а “чистые” болты - в просверленные.
Эффективным методом соединения металлоконструкций является соединение на высокопрочных болтах; при этом соединяемые элементы работают и за счет трения между ними.
Стальные балки выполняют в основном из прокатных двутавров и швеллеров, которые обладают высокой прочностью и жесткостью. При больших пролетах балки делают составными в виде двутавров из стальных листов. По статической расчетной схеме балки могут быть разрезными (однопролетными), неразрезными (многопролетными) и консольными.
Система балок, составляющая несущую конструкцию перекрытия или покрытия, называтся «балочной клеткой». Балки, передающие нагрузки на опоры, называются главными, а балки, опирающиеся на них и поддерживающие ограждающую конструкцию перекрытия, называются второстепенными. Настил по балкам может быть из монолитного или сборного железобетона или из стальных листов.
Ферма - это сквозная решетчатая конструкция, которая применяется в качестве несущего элемента покрытия здания. Фермы в основном бывают полигональные, треугольные, с параллельными поясами и сегментные.
В фермах верхний пояс сжат, а нижний - растянут.
Стальные колонны могут быть сплошными - из листов, прокатных профилей или сквозными, состоящими из отдельных ветвей, соединенных между собой планками или решеткой.
В верхней части колонны имеют «оголовок» для опирания балок или ферм, а внизу - уширенную часть базу для опирания на фундамент.
По конструктивному решению внецентренно-сжатые колонны бывают сплошными и сквозными; по высоте сечения (h) колонны бывают с постоянной и с переменной высотой (ступенчатые).
В колоннах раздельного типа одна стойка проходит на всю высоту здания, поддерживая несущую конструкцию покрытия, а другая идет до подкрановой балки, поддерживая ее, т.е. имеет меньшую высоту. Такие конструкции колонны характерны для промышленных зданий.
Железобетонные конструкции. По способу изготовления железобетонных конструкции бывают: сборные, монолитные, и сборно-монолитные. Монолитный железобетон часто используют совместно со сборным, и также конструкции называются сборно-монолитными.
Следует иметь в виду, что большинство повреждений и аварий железобетонных конструкций происходит не от ошибок в расчетах, а из-за нарушения правил конструирования, а также из-за низкого качества работ и несоответствия эксплуатационного режима расчетному.
Размеры поперечных сечений железобетонных элементов следует назначать, соблюдая правила унификации и модульности.
Например: размеры сторон подошвы фундаментов, ступеней и высоты ступеней кратны 100 мм, а высота нижней ступени 
200 мм.
Размеры поперечного сечения колонн кратны 50 мм и не менее 250х250 мм.
Толщина плит монолитных балочных перекрытий кратна 10 мм и она в основном изменяется в пределах 50-100 мм, в зависимости от расстояния между балками.
Сборные плиты перекрытий (сплошные и пустотные) кратны 20 мм по толщине (от 140 до 220 мм). Ребристые плиты имеют высоту ребра З00, 450, 600 мм в зависимости от проекта.
Для устройства швов и удобства монтажа конструктивную длину и ширину сборных плит принимают на 10-20 мм меньше номинальной (или модульной).
Размеры поперечных сечений балок кратны 50 мм, а отношение сторон их сечений b/h=1/2 - 1/3.
Ширина сечений нижнего и верхнего пояса и всех элементов решетки ферм принимают одинаковой для удобства формирования фермы и принимается 200-240 мм при шаге ферм 6 м и 320-400 мм при шаге 12 м. Высота фермы равна 1/8 - 1/10 пролета.
Толщина защитного слоя бетона (а) обычно близка к бо/льшему диаметру защищаемых стержней и принимается от 20 до 30 мм. Для жесткой арматуры (из стального проката) а 50мм; под арматурной сеткой подошвы фундамента а=35-70 мм.
Предварительно-напряженными железобетонными конструкциями называются такие конструкции, в которых предварительно (т.е. в процессе изготовления) искусственно создается напряжение сжатия бетона при растяжении арматуры. Способами создания предварительного напряжения служат способы натяжения арматуры на упоры и натяжения арматуры на бетон.
В конструкциях, где предварительное напряжение достигается натяжением арматуры на упоры, после укладки и отвердения бетона натяжные приспособления освобождаются и арматура, сокращаясь, передает сжимающие усилия на бетон.
В конструкциях, где предварительное напряжение достигается натяжением арматуры на бетон, после затвердевания бетона производится одновременное натяжение арматуры и обжатия бетона. Арматура при этом располагается в специальных каналах. Это уравновешенное состояние сохраняется путем закрепления арматуры по концам железобетонных элементов специальными анкерными устройствами и нагнетанием в каналы, где располагается арматура, цементного раствора.
Монолитный железобетон применяется для возведения массивных конструкций, для изготовления сложных по конфигурации элементов и т.д.
При возведении монолитных конструкций на месте постройки устанавливаются опалубка с поддерживающими лесами и укладываются арматура и бетон. Бетон в процессе его твердения выдерживается в опалубке; в зимних условиях его необходимо утеплять и подогревать, а• в летних условиях - увлажнять.
Монолитный железобетон используется для возведения как отдельных частей здания, так и зданий в целом. Из него делают стены, элементы каркаса и каркас целиком в виде рам, конструкции перекрытий и покрытий и т.д. Наиболее распространены монолитные перекрытия и покрытия балочные, часторебристые, перекрестно-ребристые (кессонные) и безбалочные.
К железобетонным элементам, рассчитываемым на сжатие продольной осевой силой, относятся: промежуточные колонны зданий; верхние пояса ферм, загруженных по узлам; восходящие раскосы и стойки ферм.
Основным типом железобетонных центрально-сжатых элементов являются колонны. По форме поперечного сечения колонны бывают квадратные, прямоугольные, двутавровые и двухветвевые.
Внецентренно сжатые элементы, например крайние колонны зданий, стены прямоугольных в плане подземных резервуаров и т.д.
Балки и плиты являются наиболее распространенными железобетонными изгибаемыми элементами.
Плитами называются плоские горизонтальные конструкции, толщина которых (hП), значительно меньше длины (LП) и ширины (ВП).
Балками называются линейные горизонтальные конструкции, у которых длина (Lб) значительно больше их поперечных размеров (hб и bб)
Из плит и балок устраивают перекрытия и покрытия, которые бывают сборными, монолитными и сборно-монолитными.
Плиты и балки бывают однопролетными и многопролетными.
Балки имеют различные формы поперечного сечения, а именно:
прямоугольное, тавровое, двутавровое или трапецеидальное.
Высота балки принимается 1/10-1/20 пролета в зависимости от конструкции балки; нагрузки и способа закрепления балок на опорах.
Ширина балок принимается от 1/2 до 1/3 высоты балки. Размеры сечения балки кратны 50 мм. В балках одновременно с изгибающим моментом действуют поперечные силы, которые воспринимаются поперечной арматурой (хомутами).
Продольная и поперечная арматура объединяются в сварные или вязаные каркасы.
Защитный слой бетона для арматурных сеток (расстояние от арматурных стержней до поверхности элемента) обычно принимают а=10-20 мм.
В практике часто применяются тавровые сечения железобетонных элементов, которые имеют некоторые особенности расчета. Тавровые сечения используются как в отдельных изделиях (балки), так и в составе конструкций (монолитные ребристые перекрытия и сборные ребристые панельные перекрытия). Тавровое сечение состоит из полки и ребра (стенки).
По сравнению с прямоугольными, тавровые сечения выгоднее, т.к. при одной и той же несущей способности расход бетона на них меньше. Тавровое сечение с полкой в растянутой зоне (“обратный тавр”) не так эффективно, как обычное тавровое сечение, но применяются по конструктивным соображениям, т.к. при их применении уменьшается конструктивная высота перекрытия.
Деревянные конструкции. К современным строительным конструкциям и изделиям из дерева относятся оцилиндрованные бревна, клеефанерные брусья, клеедеревянные и металлодеревянные конструкции и т.д.
Соединения деревянных элементов осуществляются на гвоздях, шурупах, болтах, нагелях, клее, коннекторах, скобах и врубках.
Как правило, соединения деревянных элементов осуществляются комплексно – например, на врубках и болтах, или на клеях и шурупах. Нагельные соединения, кроме, стальных или дубовых цилиндрических нагелей включают в себя болтовые, гвоздевые и винтовые соединения, или соединения на шурупах.
Клеевые соединения между деревянными элементами могут осуществляться как отдельные соединения, так и дополнительные соединения в комбинации с другими соединительными элементами (например, в сочетании со врубками или дубовыми нагелями.
Наиболее распространенными деревянными конструкциями, в которых в основном используются брусья и доски являются стропильные конструкции скатных чердачных крыш.
Кроме стропил, из дерева выполняются практически все типы стропильных конструкций – балки, фермы, арки, рамы, своды, купола и т.д. Для рассматриваемых деревянных конструкций используются брусья, доски, фанеры и сталь – как для соединительных элементов, так и для конструктивных элементов в случае металлодеревянных конструкций.
Деревянные конструкции бывают цельнодеревянными и составными. Цельнодеревянные конструкции выполняются из брусьев и досок. Составные конструкции выполняются из брусьев, досок, фанеры и стали в различных сочетаниях. Основная сущность клеедеревянных конструкций заключается в том, что в них на клею соединяются отдельные элементы (как правило, доски), которые изготавливаются из древесины, находящейся в центральной части (ядре) древесного ствола и, следовательно, имеющие большую прочность и меньшую деформативность. Таким образом, клеедеревянная балка, например, будет обладать значительно большей несущей способностью, чем балка такого же сечения, выполненная из цельного древесного ствола.
Сущность дощатофанерных конструкций заключается в использовании жестких фанерных листов в качестве стенок балок, верхние и нижние пояса которых выполняются из брусьев или досок.
Наконец, сущность металлодеревянных конструкций заключается в том, что металл (сталь) в них используется не только в виде традиционных соединительных элементов, но и виде отдельных частей этих конструкций, работающих на растяжение, т.е. в виде затяжек (нижних поясов) и подвесок в фермах, арках и т.д.
Каменные и армокаменные конструкции. Применяют два основных вида армирования каменной клади: поперечное (сетчатое) армирование из стальных вязанных или сварных сеток, уложенных в горизонтальные швы кладки и продольное, аналогичное армированию железобетонных конструкций. Кладку также можно усилить железобетоном, получив комплексную конструкцию. Арматура располагается как горизонтально, так и вертикально, что повышает прочность кладки как на сжатие, так и на изгиб.
Поперечное (сетчатое) армирование используется в основном для повышения несущей способности столбов и простенков малой гибкости при центральном или внецентренном их сжатии с малым эксцентрисистетом. Стальные стержни, уложенные в горизонтальные растворные швы, имея более высокий модуль упругости, чем кладка, препятствует ее поперечной деформации (расширению), что наблюдается при сжатии.
Сетки могут быть квадратными или прямоугольными при диаметре стержней или типа «зигзаг». Расстояние между стержнями сетки в плане должно быть в пределах 3-12 см, а объемный процент армирования (n ≥ 0,1).
Сетки по высоте элемента укладывают через 3-5 рядов кладки. При этом толщина шва должна быть на 4 мм больше, чем диаметр стержней в сетке.
Помимо сетчатого армирования, в армокаменных конструкциях применяется и продольное армирование стержнями. Стержни при этом устанавливают снаружи или внутри кладки и связывают их хомутами, установленными в швах кладки. Чтобы предохранить наружную арматуру от коррозии, она покрывается защитным слоем раствора или мелкозернистого бетона.
Тема 34. Строительные конструкции как фактор возникновения новых конструктивных и архитектурных решений. История развития строительных конструкций.
Необходимо проследить и проанализировать, как изменялись строительные конструкции во времени и какую роль в этих изменениях играли строительные материалы.
Дерево, камень и кирпич. Известные с древности материалы позволяли строить в основном небольшие здания с несложными конструкциями. Камень и необожженный кирпич использовались для стен, дерево (часто необработанное, в виде бревен) — для конструкций крыш, а в лесистых районах — и для стен. Позже для балок покрытий и стоек стала применяться примитивно-обработанная древесина в виде брусьев. Уже тогда было замечено, что деревянные элементы хорошо сопротивляются изгибу и успешно могут быть использованы для перекрытия «пролетов» — расстояний между опорами. При увеличении размеров зданий пролеты также увеличивались и для перекрытия их требовались уже другие конструкции, так как балки при этом становились слишком массивными. Такими конструкциями стали сначала стропила, а затем и фермы из дерева.
Стропила — незамкнутые решетчатые конструкции — представляют собой наклонные балки с поддерживающей их системой подкосов и стоек. Ферма — это замкнутая решетчатая конструкция, имеющая главную отличительную особенность — «нижний пояс» (или «затяжку»).
Фермы — это сложные и многодельные конструкции, способные перекрывать здания большой ширины и не требующие дополнительных внутренних опор.
Балки и фермы, выполненные в виде единой конструкции со стойками, соединенными между собой жесткими узлами, образовывали так называемые «портальные рамы», которые имели значительно большую несущую способность и жесткость, чем составляющие их отдельные элементы. Рамы и балки криволинейного очертания назывались «арками».
Когда появились строительные растворы и каменную кладку стали вести с их применением, камень стал использоваться не только для конструкций стен, но и для перекрытий и покрытий.
Начали сооружаться каменные арки, на основе которых возводились своды и купола значительных размеров. Это позволило не только увеличить размеры зданий, но и придать им величественный и монументальный вид.
Природный камень в необработанном виде использовался с древнейших времен как один из первых материалов для строительных конструкций. Со временем появился тесаный камень, первый искусственный камень в виде кирпича – сырца и, наконец, обожженный кирпич.
С появлением обожженного кирпича, которым во многих случаях заменяли, камень, стены, столбы, своды и купола, выполненные из кирпича на растворе и с перевязкой швов, стали более прочными и менее массивными.
Бетон, сталь и железобетон. Бетон первое время применялся в основном как «материал заполнения» в конструкциях из камня и кирпича. До появления стали, а затем и железобетона бетон в строительстве в основном играл второстепенную роль и использовался лишь в конструкциях, работавших на сжатие — в фундаментах, стенах, столбах, арках, куполах и как заполняющий материал.
Появление стали вызвало как усовершенствование уже известных конструкций, так и появление новых. Из металла начали возводить крупные многоэтажные здания с каркасной конструктивной системой. Появились металлические колонны, балки, фермы, рамы и арки. Своды и купола, возводимые с применением металлического каркаса, стали еще более внушительными. Появилось много новых металлических инженерных сооружений и принципиально новый тип гражданских зданий повышенной этажности, которые стали называть «небоскребами». Сталь применяли в прошлом и применяют сейчас для большепролетных конструкций и при этом постоянно разрабатываются новые конструктивные решения. К наиболее эффективным относятся висячие (вантовые) конструкции и перекрестно-стержневые пространственные системы («структуры»).
Например, в висячих конструкциях используются стальные тросы (ванты), которые эффективно воспринимают растягивающие усилия, что позволяет перекрывать огромные пролеты.
Железобетон способствовал обогащению конструктивных форм, но его использование не привело к появлению новых типов строительных конструкций, за исключением стеновых панелей и плит перекрытий. Этот материал с успехом заменяет практически все другие конструкционные материалы во всех конструкциях. Все, что раньше возводилось только из дерева, камня или кирпича, сегодня может быть выполнено из монолитного или сборного железобетона.
Конечно, это не означает, что традиционные строительные материалы исчезли из современной строительной практики. Дерево применяется в малоэтажном жилищном строительстве при каркасных или стеновых конструктивных системах зданий и для отделочных работ, а также для несущих конструкций в ряде зальных общественных зданий.
Камень продолжает применяться в малоэтажных гражданских зданиях при их стеновой конструктивной системе, но главным образом его в настоящее время используют для отделки.
Кирпич также нашел широкое применение в современном строительстве. Однако, он уже используется не только для традиционных построек со стеновой конструктивной системой. Развитие каркасных зданий сделало возможным применение кирпича для стен и в стоечно-балочной конструктивной системе, когда кирпичные стены, опираясь на горизонтальные элементы каркаса, являются ненесущими и выполняют только ограждающие функции.