Строительные материалы в конструкциях зданий и сооружений

Из изучаемых строительных материалов изготавливают как несущие конструкции, так и ограждающие и специального назначения. Выбор материалов для различных конструкций связан как со спецификой строительства в данной местности и современными достижениями, так и с функциональным назначением здания. Архитектор должен не только выбрать материалы для конструкций, но и прогнозировать, разрабатывать материалы с заданными свойствами. Только при условии, что архитектор сегодня будет представлять, из чего будут строить минимум через 15-20 лет и работать на перспективу, можно быть уверенным в том, что материальная палитра не окажется морально устаревшей. Важным этапом в формировании номенклатуры строительных материалов является разработка технического задания-заказа на материалы и создание новой композиции. В композиционном материале должно быть сочетание разных по качеству, но направленных на решение общей задачи материалов. Чтобы композиция долго работала, необходимо выполнять условия: материалам, входящим в состав композиции, надо быть химически нейтральными друг к другу, иметь хорошую адгезию и близкие коэффициенты линейного температурного расширения. В композиции есть связующий компонент, охватывающий все другие составляющие, обладающий непрерывностью по всему объему - матрица, и прерывный компонент, выполняющий роль упрочняющего, армирующего или утепляющего матрицу, который придает ей недостающие свойства. В качестве матрицы используют металлы, керамику, органические и неорганические вяжущие, стекло.

Армирующими материалами могут быть тонкодисперсные порошки, волокна, листовые материалы ( ткани, бумага, шпон или стружка и др.).

Механические свойства определяются:

-высокой прочностью армирующего компонента,

-жесткостью матрицы,

-прочностью связи матрицы с армирующим компонентом.

Соотношение этих параметров характеризует механические свойства композиционного материала. Работоспособность его зависит от правильного выбора компонентов, технологии производства, обеспечения сохранения индивидуальных свойств материалов. Зная свойства каждого , можно направленно регулировать прочность, жесткость, теплостойкость соотношением компонентов. В названиях материалов отображаются материалы, составляющие его: с полимерной матрицей – пластики, с металлической – металлобетоны, с керамической – керамогранит или керамометалл, со стеклянной – ситаллы, армостекло, стеклоцемент, с каучуком – каутоны и тому подобное. Отражая природу волокон, армирующих матрицу, материалы называют: стеклопластики, углепластики, боропластики, органопластики или асбестоцемент, армоцемент, фибролит, ксилолит и др.

Совместимость материалов – важное требование для композиции. Матрица создает монолитность, форму, фиксирует расположение волокон или арматуры, распределяет возникающие напряжения по объему материала. Основные требования к композиции – обеспечение механических и физико-химических свойств материала матрицы, которые дадут работоспособность изделию.

Все искусственные каменные материалы – композиционные материалы. Они идут на изготовление строительных конструкций для домостроения, мостостроения, различных сооружений полифункционального назначения и бетонные смеси – для монолитного бетонирования.

Эффективными считаются строительные материалы из легких, высокопрочных бетонов и асбестоцемента. Уменьшение массы сооружения-важнейшее положительное следствие внедрения легких бетонов. Уменьшается толщина наружной стены, масса сооружения. Трудоемкость монтажа в 2раза ниже, чем при использовании тяжелого бетона. Рациональная область применения легких бетонов – стены, перекрытия гражданских и промышленных зданий, а также их широкое использование в гидротехническом и высотном строительстве.

Использование высокопрочного бетона (класс В40 и выше) позволяет снизить расход материалов до 40%, уменьшить стоимость конструкций на 10-20%. Высокопрочные бетоны используют для бетонирования длинномерных железобетонных конструкций (18 м и выше), высоких колонн и мачт. Рационален высокопрочный предварительно напряженный железобетон для каркасов многоэтажных зданий, покрытий производственных зданий, пространственных покрытий общественных и промышленных сооружений, цилиндрических оболочек, складок, оболочек положительной кривизны, пространственных покрытий. Бетон и железобетон позволяет архитектору создавать как строгие, так и скульптурно-декоративные формы (плоские, линейные, объемно-пространственные).

Керамический кирпич – один из самых распространенных строительных материалов. Из кирпича возводится около половины всех жилых и общественных зданий. Прочность кирпича максимально используется в столбах, колоннах, сводах, наружных и внутренних несущих стенах, а также для изготовления крупных кирпичных блоков для простенков. Применение пустотелых керамических стеновых материалов позволяет уменьшить толщину наружных стен, снизить материалоемкость конструкций. Высокая пластичность кирпичной кладки предопределяет использование кирпича в самых различных типах зданий оригинальной неповторяющейся формы.

Строительные материалы из стекла традиционно используются для ограждающих конструкций в виде листов и профилей. Получение профильного стекла расширило область его применения. Применение профильного стекла позволило изменить конструкции, отпала необходимость в переплетах, возводят светопрозрачное ограждение из листового стекла или стеклоблоков. При этом снижается расход стали и вес ограждения. Делают не только ограждения, но и перегородки промышленных и общественных зданий, панели или отдельные профили открытого или замкнутого сечения. Архитектурная выразительность достигается пластикой и соотношением глухих и остекленных участков стен.

Строительные конструкции из металла предназначены для несущих конструкций, так как имеют высокие прочностные и деформационные качества. Предпочтение отдается более дорогим легированным сталям, так как они более надежны при неблагоприятных условиях эксплуатации и более прочны. Рациональная область применения конструкций из легированных сталей – каркасы промышленных зданий, опоры башенных сооружений, мосты, вантовые висячие системы, большепролетные фермы, колонны, трубчатые профили, канаты, тросы и др. В высотном строительстве легкие металлические конструкции используются для несущих конструкций каркасов.

Алюминиевые конструкции целесообразно использовать в качестве ограждающих с эффективными утеплителями. Рекомендуемые области применения – покрытия и стены промышленных и гражданских сооружений, ограждения резервуаров, конструктивные элементы – складки, оболочки криволинейного очертания, тонкие стержни, обшивки из профилей для панелей. Из алюминиевых сплавов делают оконные блоки и витражи, перегородки, подвесные потолки, сборно-разборные элементы зданий и сооружений. Их с успехом применяют для плоских, скатных, купольных и сводчатых покрытий. Из металлов созданы поверхности двоякой кривизны, висячие оболочки. Их отличает от других материалов легкость, что позволяет увеличить размеры конструкций и перекрываемого пространства.

Снижение массы материала увеличивает коэффициент конструктивного качества, позволяет снизить материалоемкость. Эти качества присущи древесным строительным материалам. Обработка древесины водо- и биостойкими клеями позволила из маломерных пиломатериалов и даже из реечных отходов лесопильного производства изготовлять прочные укрупненные элементы конструкций. Из клееной древесины делают многослойные несущие конструкции, усиливая их вклеиванием металлической или пластмассовой арматуры. Такие конструкции называют армированными. Комбинированными называют конструкции, состоящие из слоев массивной древесины, склеенной с фанерой. Это конструкции двутаврового или коробчатого сечения, верхний и нижний пояса которых сделаны из древесины, а вертикальная стенка – из плоской или волнистой фанеры. Ограждающие конструкции состоят из деревянного каркаса и приклеенных к нему с одной или двух сторон обшивок из фанеры. Во внутреннюю полость можно положить утеплитель. Долговечны деревянные конструкции, работающие под крышей в сухих условиях: это-балки, фермы, рамы, покрытия промышленных и гражданских зданий. Широко используют клеенные деревянные конструкции в сельском хозяйстве, для перегородок и стеновых панелей малоэтажных и сборно-разборных домов, в составленных конструкциях широких арочных покрытий для спортивных сооружений и др.

Все чаще находят применение армированные пластмассы. Выделяют линейно-плоскостные, жесткие пространственные оболочки, шатровые покрытия, пневматические и комбинированные конструкции. Целесообразно применять конструкции из стеклопластиков для покрытий и стен промышленных и гражданских зданий. Плиты из пластмасс обладают коррозионной стойкостью. Из прочных пленочных материалов в неблагоприятных климатических условиях создают большепролетные прозрачные покрытия даже для целых населенных пунктов.

Решение сложных инженерных и градостроительных проблем в значительной степени зависит от материально-технической базы строительства и прежде всего от разработки новых строительных материалов, соответствующих новым требованиям по прочности и долговечности, влаго- и морозостойкости, эластичности и светопрозрачности. Такими материалами оказались армированные полимерные пленки, пропитанные полимерами ткани, нетканые материалы, бумага.

При использовании отделочных строительных материалов наряду с оценкой показателей эксплуатационно-технических и экономических свойств должны оцениваться их эстетические характеристики. Форма, цвет, фактура и рисунок, а также высокая долговечность отделочного материала должны сочетаться с низкой стоимостью. Для некоторых социально значимых объектов допустим индивидуальный проект с более дорогой отделкой природными каменными материалами.

Библиографический список:

1..Архитектурное материаловедение. В.Е.Байер, М. Изд-во «Архитектура-С», 2007. 

2.Материаловедение. Учебное пособие для архитекторов, реставраторов, дизайнеров. М. АСТ «Транзиткнига», 2004.

3. Строительные материалы. Учебник. Под общей ред. В.Г. Микульского и Г.П. Сахарова – М.: Изд-во АСВ, 2007. – 520с.

4. Попов К.Н. Каддо М.Б. Строительные материалы и изделия. Изд-е перераб. и доп. – М.: Высшая школа., 2006-439с.

5. Строительные материалы. Учебное пособие. Пантилеенко В.Н., Ерохина Л.А., Веряскина Е.М. Ухта, 2009 – 165с.

6. Отделочные работы. Современные материалы и новые технологии. Б.П.Филимонов. М. АСВ, 2011-200с.