BUDOWNICTWO

I KONSTRUKCJE INŻYNIERSKIE

dr inż. Monika Siewczyńska

Plan wykładów

1. Podstawy projektowania

2. Schematy konstrukcyjne

3. Elementy konstrukcji

4. Materiały budowlane

5. Rodzaje konstrukcji

6. Obiekty inżynierskie

© M. Siewczyńska

Rodzaje konstrukcji

Murowe

Żelbetowe

Stalowe

Drewniane

© M. Siewczyńska

Historia konstrukcji murowych

© M. Siewczyńska

Najstarsze odkryte murowane budowle

Konstrukcje kamienne kultury natufijskiej w El-Uad - kamienny mur okalający zniwelowaną terasę przed jaskinią.

Najstarsze murowane budowle - zabudowania w okolicy miasta Jerycho w Palestynie – okrągłe domy zbudowane z suszonej na słońcu cegły, kamienne mury otaczające osiedle

Chirokitia (wioska na Cyprze) domy z cegły w kształcie „ula” – domy z suszonej cegły murowane na okrągłej wapiennej podstawie, niektóre zwieńczone kopułą, wewnątrz poza paleniskiem i ławami były filary z cegły wspierające strop drugiego poziomu.

Rzeki Nil, Tygry, Eufrat i Indus dawały możliwości rozwoju, gdy człowiek zaczął prowadzić osiadły tryb życia zaczęły powstawać miasta. W Egipcie domy mieszkalne budowano z bambusa i gliny. Obiekty, które miały świadczyć o potędze faraona wznoszono z kamienia. W Mezopotamii budowano z takich surowców jak glina, smoła i drewno. Głównym budulcem była cegła suszona na słońcu, a cegły palonej używano jako okładziny.

Nippur (religijna stolica Mezopotamii) miasto o prostokątnej siatce ulic z budynkami murowanymi z cegieł.

Skara Brae (Orkady – wyspy leżące u wybrzeży Szkocji) kamienne chaty stojące wzdłuż brukowanych uliczek, wszystkie zabudowania i uliczki były zadaszone.

Mohendżo-Daro (miasto nad Indusem) miasto otoczone murem chroniącym przed wylewami Indusu, budynki murowane, do basenu w wielkiej łaźni woda wypływała ze studni wyłożonej cegłami.

9000 r. p.n.e.

8000 r. p.n.e.

5000 r. p.n.e.

6000 r. p.n.e.

3000 r. p.n.e.

Rozwój konstrukcji murowych

© M. Siewczyńska

We wczesnych latach, gdy technika budowy nie była rozwinięta, budowano ściany z najprostszych i powszechnie dostępnych materiałów, takich jak glina, która nie wymagała narzędzi do obróbki.

Najprostszą konstrukcją jest ściana z ubitej gliny, lecz potrzeba do jej budowy deskowania z drewna, które na niektórych obszarach nie było dostępne w wystarczającej ilości. W Egipcie i Mezopotamii łatwiej było wznosić ściany z gliny uformowanej wcześniej w bloki. Budynki wysokie, jak np. piramidy przez swoja budowę schodkową nie wymagały również rusztowań. „W Egipcie używano surówki (cegły suszonej na słońcu) układanej na zaprawie glinianej, w Mezopotamii stosowano świeżą cegłę najczęściej bez zaprawy lub – gdy chodziło o staranniejsze wykonanie ścian – podobnie jak w Egipcie surówki na zaprawie glinianej”.

Sztywność ścian poprawiano zamurowując w nich belki drewniane.

Murowanie ścian z cegły było powszechne w Indiach, Chinach, Japonii i Grecji oraz w Rzymie, nie tylko w domach mieszkalnych, ale również w budynkach monumentalnych. Dla lepszego efektu wizualnego oraz uzyskania większej odporności na warunki atmosferyczne wykonywano oblicówkę z elementów ceramicznych.

Rozwój konstrukcji murowych

© M. Siewczyńska

W Rzymie surówka była długo suszona, nawet 2 ÷ 5 lat, i przygotowywana bardzo starannie.

W Mezopotamii i Babilonie stosowano również cegłę paloną układaną na zaprawie wapiennej lub bitumicznej w miejscach wilgotnych. Cegłę paloną na zaprawie wapiennej i gipsowej używano również w Persji, Indiach, Chinach i Rzymie.

W okresie trwania cesarstwa rzymskiego stosowano również ściany warstwowe. Zewnętrzne oblicówki wykonywano z kamienia lub cegły. Wypełnienie stanowił drobny kamień wgniatany w zaprawę, a czasem nawet ubijany, gdy kamienie były wystarczająco ciężkie. Dla lepszego połączenia stosowano przewiązanie ciosami sięgającymi głębiej w ścianę. Ten sposób wznoszenia ścian stosowano również później w średniowieczu używając zaprawy wapiennej. układano również kamienie warstwami w jodełkę (m. in. Wawel, kościół św. Idziego w Inowłodzu).

W kolejnych latach zamieniono oblicówkę kamienną na ceglaną (wiązania wedyjskie i polskie). Zmiana konstrukcji nastąpiła w renesansie, gdy zaczęto używać płyt kamiennych jako obudowy ścian po ich wykonaniu. W tym okresie ściany były murowane na całej grubości, z odpowiednim przewiązaniem. Nośność tych konstrukcji była zapewne większa, co zostało wymuszone przez dodatkową okładzinę z kamienia, nie pełniącej funkcji konstrukcyjnej. Ściany z wypełnieniem o budowie przypominającej wyżej opisane były stosowane w okresie po II Wojnie Światowej jako mury oszczędnościowe.

Rozwój konstrukcji murowych

© M. Siewczyńska

Ściany jednowarstwowe murowane z cegły były stosowane przez wiele wieków. Ze względu na tak dużą grubość ściany te były wielokrotnie przewymiarowane. Grubość ścian wynikała nie tylko z ich nośności, ale również izolacyjności termicznej. Zalecano murowanie ścian o grubości 2 cegieł w Polsce wschodniej i 1 i ½ cegły w Polsce zachodniej. Wznoszono więc budynki wielokondygnacyjne ze ścianami jedynie murowanymi.

Budowano również ściany z warstwą powietrzną w celu ochrony przed zamakaniem. Warstwy tych ścian były przewiązywane na ¼ cegły i łączone kotwami. Dla zwiększenia izolacyjności termicznej budowano również ściany warstwowe z muru o grubości ½ cegły lub ½ i 1 cegły oraz szczeliny o grubości 5÷7 cm zasypywanej drobnym gruzem.

Rozwój konstrukcji murowych

© M. Siewczyńska

W latach 60-tych zaczęto stosować ściany warstwowe składające się z warstwy konstrukcyjnej i izolacyjnej oraz czasem również okładzinowej.

Obecnie coraz rzadziej stosuje się w budynkach wielokondygnacyjnych konstrukcję wyłącznie murową. Ze względu na ekonomiczne wykorzystanie nośności konstrukcji i stosowanie coraz lepszych materiałach termoizolacyjnych ściany mogą być coraz cieńsze, ale wykonywane są głównie jako konstrukcje żelbetowe z murowanym wypełnieniem. Charakter pracy takiego elementu murowego jest odmienny od pierwotnego. Tradycyjnie w murach występowały głównie naprężenia ściskające. W konstrukcjach szkieletowych mur jest elementem wypełniającym – poddany głównie obciążeniom poziomym.

Styropian

Historia powstania styropianu jest oczywiście następstwem innej - związanej z wynalezieniem materiału od którego "wszystko się zaczęło".

Tym materiałem jest polistyren.Polistyren ma długą historię rozwoju i jak to często już bywało w przypadku różnych wynalazków - został odkryty zupełnie przypadkowo. Dokonał tego w roku 1839 podczas swoich badań, pewien niemiecki aptekarz Simon - wyizolowując substancję z naturalnej żywicy. Nie zdawał on sobie jednak sprawy z tego czym było jego odkrycie.

Człowiekiem, który uświadomił sobie fakt odkrycia tworzywa sztucznego przez Simona, był niemiecki chemik - Hermann Staudinger W roku 1922 Staudinger opublikował swoje teorie na temat polimerów. Teoria Staudingera opierała się na stwierdzeniu, że naturalne gumy zbudowane są z długich powtarzających się łańcuchów monomerów, które nadają im elastyczność. W swoich badaniach Staudinger poszedł dalej, stwierdził, że materiały wyprodukowane dzięki termicznym przemianom styrenu będą miały właściwości podobne do gumy. Za swoje osiągnięcia otrzymał w roku 1953 nagrodę Nobla.

"Era tworzyw sztucznych" została zapoczątkowana w roku 1930 kiedy to naukowcy z firmy Badische Anilin & Soda-Fabrik (BASF) opracowali metodę przemysłowej produkcji polistyrenu. Styropian został wynaleziony przez firmę BASF w roku 1950, a w następnym miała miejsce jego premiera rynkowa. Od tego momentu zyskał sobie miano jednego z najbardziej praktycznych i pożądanych materiałów termoizolacyjnych znajdując zastosowanie praktycznie w każdym obszarze ludzkiej działalności.

© M. Siewczyńska http://producencistyropianu.pl

Polistyren ekstrudowany

1941 – Firma The Dow Chemical Company rozpoczęła produkcję ekstrudowanego polistyrenu, przeznaczonego do produkcji tratew, na zlecenie Ministerstwa Obrony USA.

1944 – Na amerykańskim rynku materiałów budowlanych zwrócono uwagę na doskonałe właściwości termoizolacyjne niebieskich płyt z ekstrudowanego polistyrenu. Firma Dowwprowadziła na rynek nowy materiał termoizolacyjny w Stanach Zjednoczonych. Produktowi nadano nazwę handlową STYROFOAM™.

1963 – Płyty termoizolacyjne STYROFOAM / ROOFMATE importowane ze Stanów Zjednoczonych wprowadzono do obrotu w Europie.

© M. Siewczyńskahttp://building.dow.com

Wiązanie pospolite

© M. Siewczyńska

Grubość 1 cegły

Wiązanie pospolite

© M. Siewczyńska

Grubość 1 i ½ cegły

Wiązanie pospolite

© M. Siewczyńska

Grubość 2 cegieł

Konstrukcje murowe

© M. Siewczyńska

tradycyjne specjalne

łuki i sklepienia

budynki na terenach górniczych

budynki na terenach sejsmicznych

konstrukcje zespolone

Łuki i sklepienia

Płaskie

O pojedynczej krzywiźnie

O podwójnej krzywiźnie

Złożone

© M. Siewczyńska

Dostosowanie sposobu oparcia cegieł w wezgłowiu do

linii ciśnień

© M. Siewczyńska

Łuki i sklepienia

Utrata stateczności może nastąpić gdy podpory:

nie są pionowe

są zbyt smukłe

mają za mały przekrój poprzeczny

nie mają dociążenia z góry

© M. Siewczyńska

Łuki i sklepienia

Łuki i sklepienia

Im większa strzałka łuku tym siła pozioma mniejsza

Siła pozioma może być przenoszona również przez

ściąg

© M. Siewczyńska www.sztukanamaturze.pl

Łuki

© M. Siewczyńska http://droga.zut.edu.pl

Akwedukt w Fojutowie

Powstawał w latach 1845-1849, by wodę z rzeki Brdy doprowadzić do Łąk Czerskich. Ma 75 m długości i łączy 2 cieki wodne – Czerską Strugę i Wielki Kanał Brdy.

www.zamiasto.com.pl

Murowane obiekty inżynierskie

© M. Siewczyńska

Murowane obiekty inżynierskie

© M. Siewczyńska

Murowane obiekty inżynierskie

© M. Siewczyńska

Murowane obiekty inżynierskie

© M. Siewczyńska

Łuki

Akwedukt z Palenque powstał w okresie klasycznym cywilizacji Majów, czyli ok. 250-600 r. n.e

Opadający po zboczu akwedukt w pewnym miejscu zwęża się, co zdaniem naukowców umożliwiało uzyskanie ciśnienia wystarczającego, by wysłać wodę na wysokość sześciu metrów.

© M. Siewczyńska

o Najstarsze akwedukty umożliwiające uzyskanie ciśnienia wykonali Kreteńczycy,

którzy już 1400 lat p.n.e. zrobili fontanny w pałacu w Knossos odpowiednio zmniejszając

średnicę terakotowych rur.

o Pod ruinami Palenque kryje się wiele akweduktów, którymi Majowie puścili strumienie

przecinające niegdyś obszar na którym powstało miasto. Dzięki temu zyskali więcej

terenu nadającego się pod zabudowę.

http://archeowiesci.pl

Łuki w budynkach monumentalnych

Hagia Sofia

Konstantynopol 532-537 r.

© M. Siewczyńska http://artmagda.wordpress.com

Sklepienie odcinkowe

Niewielka strzałka łuku (1/7 do 1/12)

Belki stalowe jako podpory pośrednie

Ściany jako podpory skrajne

© M. Siewczyńska

Murowane obiekty inżynierskie

© M. Siewczyńska

Mosty

Florencji

Most

© M. Siewczyńska

Most kolejowy między Saksonią i Bawarią nad

doliną Göltzsch to największy ceglany most na

świecie.

Wiadukt kolejowy

© M. Siewczyńska

Wiadukt kolejowy z 1906 roku w Łagowie.

Ceglany wiadukt z granitowymi wykończeniami ma

wysokość około 40 m. Wzniesiony został na linii

kolejowej Miłdzyrzecz – Toporów.

Filary wiaduktu posiadają

bardzo ciekawe

stalowe wzmocnienia.

http://www.miejscawp.com

Murowane obiekty inżynierskie

© M. Siewczyńska

Antyczny teatr w Aspendos w południowej Turcji. Jego budowę ukończono w 160 r n.e.

Wymiary budowli: 100m szerokości, 70mdługości, ściany sceny wznoszą się na wysokość 22m. Oparta o wzgórze widownia mieści swobodnie 13 tysięcy ludzi.

http://cudaswiata.archeowiesci.pl

Murowane konstrukcje

© M. Siewczyńska

Świątynie – wysokie wieże

Wieże wybudowano w 1420 rokuBraniewo - Bazylika św. Katarzyny

Poznań – kościół Matki Boskiej Bolesnej – 1901 r.

Murowane konstrukcje

© M. Siewczyńska

Świątynie – wysokie słupy, sklepienia

Braniewo - Bazylika św. Katarzyny

Murowane konstrukcje

© M. Siewczyńska

Murowane konstrukcje

© M. Siewczyńska

Murowane konstrukcje

© M. Siewczyńska

kominy

http://bpprzybylski.pl

Ceramika - materiał budowlany

© M. Siewczyńska

Rodzaje

Wymiary

Wiązanie

Grubości ścian

Izolacyjność termiczna, akustyczna

Zasady konstruowania – wymagania techniczne z

normy, w tym głębokość bruzd

Układ cegieł w murze

© M. Siewczyńska

Porównanie cech pustaków

© M. Siewczyńska

Spoina cienkowarstwowa

© M. Siewczyńska

murowanie na

zaprawę

murowanie na piankę

Kominy murowane

© M. Siewczyńska

Murowanie kominów w ścianie

Wewnętrznej

Zewnętrznej

Wymagania normowe - Eurokod 6

© M. Siewczyńska

Minimalna grubość ścian konstrukcyjnych muru o wytrzymałości:

fk ≥ 5 MPa powinna wynosić ≥ 100 mm,

fk < 5 MPa powinna wynosić ≥ 150 mm.

Minimalna grubość ścian usztywniających powinna wynosić 180 mm.

Minimalny przekrój poprzeczny ścian nośnych powinien być większy niż 0,04 m2, po uwzględnieniu wszystkich otworów, bruzd i wnęk.

Elementy murowe o wysokości ≤ 250 mm powinny zachodzić na siebie na długości co najmniej 0,4 wysokości elementu murowego lub 40 mm. Dla elementów wyższych niż 250 mm zakład powinien być większy od 0,2 wysokości elementu lub 100 mm.

Ograniczenia wymiarowe spoin wspornych i pionowych:

z zapraw zwykłych i lekkich: ≥ 6 mm, ≤ 15 mm,

z zapraw do cienkich spoin: ≥ 0,5 mm, ≤ 3 mm.

W ścianach szczelinowych liczba kotew łączących warstwy muru powinna wynikać z obliczeń, jednak nie mniej niż 4 sztuki na m2.

Wymagania normowe - Eurokod 6

© M. Siewczyńska

Bruzdy i wnęki w ścianie nie powinny pogarszać

stateczności ściany, nie mogą przebiegać przez

nadproża lub inne elementy konstrukcyjne.

Wpływ obecności bruzd i wnęk na nośność ściany

może być pominięta, jeżeli ich wymiary nie

przekraczają wartości maksymalnych podanych w

tablicach

Tabl. 8.6.2 i 8.6.3 PN-EN 1996-1-1.

Wymagania normowe - Eurokod 6

Bruzdy pionowe i wnęki w gotowym murze [mm]:

grubość ściany max. głębokość max. szerokość

85-115 30 100

116-175 30 125

176-225 30 150

226-300 30 200

> 300 30 200

© M. Siewczyńska

Wymagania normowe - Eurokod 6

Bruzdy poziome i ukośne w gotowym murze [mm]:

max. głębokość

grubość ściany długość dowolna długość<1250mm

85-115 0 0

116-175 0 15

176-225 10 20

226-300 15 25

> 300 20 30

© M. Siewczyńska

Wymagania normowe - Eurokod 6

© M. Siewczyńska

W celu uniknięcia uszkodzeń muru spowodowanych odkształceniami termicznymi, wilgotnościowymi, skurczem i pełzaniem należy wykonywać w murze dylatacje pionowe i poziome.

Szczelina dylatacyjna powinna przechodzić przez całą grubość ściany.

Należy zabezpieczyć zdylatowaną ścianę zewnętrzną przed wnikaniem wody.

Zalecane odległości między dylatacjami podano w tabl. NA.1 PN-EN 1996-2.

Wytrzymałość muru

© M. Siewczyńska

Wytrzymałość muru na ściskanie zależy od:

wytrzymałości na ściskanie elementów murowych,

wytrzymałości na ściskanie zaprawy,

rodzaju elementów murowych.

Rodzaje elementów murowych

© M. Siewczyńska

ceramiczne,

silikatowe,

z betonu kruszywowego,

z autoklawizowanego betonu komórkowego,

z kamienia sztucznego,

z kamienia naturalnego,

Grupy elementów murowych

© M. Siewczyńska

1 – elementy pełne i o objętości otworów ≤ 25%,

2 – elementy z drążeniami pionowymi o objętości

otworów > 25% i ≤ 55%,

3 – elementy z drążeniami pionowymi o objętości

otworów > 25% i ≤ 70%,

4 – elementy z drążeniami poziomymi o objętości

otworów > 25% i ≤ 70%,

Rodzaje konstrukcji murowych

© M. Siewczyńska

niezbrojone,

zbrojone,

sprężone,

skrępowane

Trwałość konstrukcji murowych

© M. Siewczyńska

Środowisko:

MX1 – suche,

MX2 – narażone na zawilgocenie lub zamoczenie,

MX3 – narażone na zawilgocenie lub zamoczenie

z cyklicznym zamrażaniem/rozmrażaniem,

MX4 – narażone na działanie soli z powietrza lub

wody morskiej,

MX5 – chemicznie agresywne.

Czynniki makro ekspozycji

© M. Siewczyńska

deszcz i śnieg,

kombinacje wiatru z deszczem,

różnice temperatur,

zmiany wilgotności względnej

Obliczenia ścian murowanych

© M. Siewczyńska

Obciążonych głównie siłą pionową

Obciążonych siłą pionową i poziomą, ściany

piwniczne, ściany zewnętrzne

Obciążonych siłą skupioną

Ściany wypełniające

Asortyment elementów murowych

© M. Siewczyńska

Cegły

Bloki

Dachówki

Kostki brukowe

Systemy murowe:

Elementy ścienne, stropowe, dachowe, nadproża,

wieńce, itp.