Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Совершенствование конструктивных решений и расчетов

20.12.2018

Актуальные задачи совершенствования методов расчета, конструирования и изготовления железобетонных и каменных конструкций таковы:

— выявление особенностей поведения конструкционных строительных материалов при различных воздействиях силового и несилового характера;

— совершенствование существующих и создание новых теорий расчета конструкций, зданий и сооружений на все виды воздействий, с учетом их вероятностного характера;

— совершенствование существующих и создание новых теорий силового деформирования конструкций с учетом реальных особенностей поведения материалов;

— создание адекватной теории совместного деформирования зданий и их оснований во времени, с учетом реального многообразия грунтовых напластований и физико-механических свойств различных грунтов;

— совершенствование существующих и создание новых теорий расчета конструкций в связи с появлением новых, неизвестных ранее, силовых и не силовых воздействий (сооружения в океане, во льдах, в космосе, и пр.) и конструкционных материалов;

— углубление и развитие положений расчета по предельным состояниям; углубленное научное обоснование коэффициентов надежности;

— углубленный научный анализ и обоснование ширины раскрытия трещин в железобетонных конструкциях.

Среди задач совершенствования методов расчета — создание принципиально новых теорий расчета вероятностного характера:

— создание теории расчета надежности зданий и сооружений с учетом вероятностного характера свойств конструкционных материалов и воздействий, срока жизни зданий;

— научное обоснование закономерностей вероятностного поведения строительных материалов при силовых и не силовых (деформационных, температурных, и пр.) воздействиях;

— научное обоснование вероятностных физико-механических свойств конструкционных материалов;

— научное обоснование вероятностных величин нагрузок и других воздействий на здания и сооружения, вероятности их проявления, изменений во времени;

— научное обоснование и расчет надежности зданий и сооружений с учетом всех факторов, определяющих надежность; нормирование величин надежности;

— научное обоснование срока жизни зданий и сооружений и заранее проектируемых способов реконструкции, с учетом возврата материалов в строительный цикл, и возврата строительной площадки в природное состояние;

— научное обоснование адекватных вероятностных расчетных схем зданий и сооружений.

В задачи совершенствования расчетов входят: выявление действительного вероятностного характера физико-механических свойств материалов и нагрузок; выявление действительных прочностных и деформативных свойств конструкционных материалов и грунта, в том числе новых материалов; учет обоснованных сочетаний реальных нагрузок; учет действительного напряженно-деформированного состояния конструкций и основания, физической и геометрической нелинейности; учет совместной работы всех конструктивных элементов сооружений и их оснований; применение компьютерных программ расчета с использованием метода конечных элементов.

К этим задачам относятся и создание адекватных расчетов новых, ранее неизвестных типов конструкций и зданий (новых форм пространственных конструкций, новых типов высотных зданий, новых инженерных сооружений, в том числе в условиях неизвестных ранее условий строительства и воздействий; так, постоянно растет высота зданий, расширяется область строительства зданий и сооружений (строят на любом грунте и под землей, на любых территориях, появились сооружения на глубоком шельфе, в условиях воздействия льдов, идет подготовка к строительству на Луне, и т.д.).

Технические задачи совершенствования конструирования железобетонных и каменных конструкций:

— совершенствование объемно-планировочных и конструктивных решений зданий, сооружений; разработка новых типов зданий и инженерных сооружений, в том числе полифункциональных;

— научное обоснование форм и размеров зданий и сооружений, пролетов и высот зданий и этажей, объемно-планировочных решений, в соответствии с назначением, обеспечением условий эксплуатации, положениями архитектурной физики и сенсорной экологии;

— научное обоснование направлений экологизации зданий и инженерных сооружений с учетом сокращения затрат всех видов ресурсов, поддержки природы;

— научное обоснование форм и размеров энергоактивных и энергосберегающих зданий, подземных и надземных зданий, зданий на не-удобъях, на шельфе;

— научное обоснование форм и размеров полифункциональных зданий и инженерных сооружений;

— научное обоснование форм и размеров интеллектуальных зданий.

К задачам совершенствования конструкционных материалов относятся:

— разработка новых, более совершенных, видов бетона и арматуры, с высокой прочностью и малой деформативностью;

— разработка новых, более совершенных, легких, поризованных, ячеистых конструктивных и теплозащитных бетонов;

— разработка новых, более совершенных, типов керамических стеновых материалов в виде многопустотных крупноразмерных блоков;

— экологизация материалов; снижение их энергоемкости и материалоемкости;

— создание на научной основе новых строительных материалов с заданными свойствами;

— создание новых строительных материалов с использованием местных материалов, и допустимых отходов производства. Совершенствование железобетонных и каменных конструкций зданий и сооружений может осуществляться в направлениях:

— снижение материалоемкости, трудоемкости и стоимости конструкций; разработка новых типов пространственных и большепролетных конструкций, биопозитивных конструкций зданий и сооружений;

— применение новых конструктивных решений, снижающих массу конструкций и позволяющих наиболее полно использовать физико-механические свойства исходных материалов, местные строительные материалы, бетоны высоких классов (В40-В100 и выше), легкие бетоны, высокопрочную арматуру (1000 МПа и выше);

— механизированное и автоматизированное изготовление конструкций;

— совершенствование пространственных конструкций для массового строительства и уникальных большепролетных сооружений; -разработка пространственных конструкций зданий многоцелевого назначения, большепролетных покрытий уникальных сооружений пролетами выше 100 м, в том числе комплексных и сейсмостойких;

— создание конструкций зданий с использованием природных принципов сфероидальности, разветвления, гексагональности структуры, торможения трещин, тургора, и пр.;

— создание конструкций зданий и сооружений, объединенных с установками для утилизации возобновимой энергии;

— разработка принципиально новых типов «нулевых» и «интеллектуальных» зданий и инженерных сооружений;

— разработка оптимальных, технологичных форм конструкций, их размеров, сечений, в связи с применяемыми конструкционными материалами;

— создание композитных конструкций с применением разных конструкционных материалов;

— разработка технологичных узлов и соединений конструкций с минимальной трудоемкостью и материалоемкостью;

— разработка конструкций и узлов их соединения с минимальной трудоемкостью при разборке после окончания срока эксплуатации, с минимальными потерями материалов при разборке, с максимальным возвратом материалов и конструкций в технологический цикл;

— создание принципиально новых конструкций и зданий, приспосабливающихся к нагрузкам и другим воздействиям;

— создание принципиально новых конструкций и зданий, приспособленным к будущей разборке с минимальными затратами труда и энергии, с минимальными потерями материалов.

Совершенствование конструкций зданий и сооружений для подземного строительства, для строительства на неудобьях, на шельфе, может осуществляться в направлениях:

— разработка новых типов зданий и сооружений для подземного строительства, для строительства на неудобьях, на шельфе, и т.д.;

— совершенствование экологических качеств зданий и конструкций;

— разработка новых типов природосберегающих зданий, энергоактивных и энергосберегающих зданий, «нулевых» и «интеллектуальных» зданий.

Совершенствование технологии возведения железобетонных и каменных конструкций будет осуществляться в направлениях:

— повышение долговечности, надежности и технологичности конструкций, снижение приведенных затрат, материалоемкости, энергоемкости, трудоемкости изготовления и монтажа;

— совершенствование технологий строительства;

— совершенствование технологий реконструкции, вторичное использование ресурсов, безотходная реконструкция сооружений с изменением их назначения.

В связи с ростом высоты зданий интересно совершенствование высотных зданий (небоскребов), являющихся объектами самого высокого уровня ответственности и класса надежности. Стоимость строительства 1 м2 площади в таких зданиях выше стоимости для невысоких зданий; аварийные ситуации в высотных зданиях ведут к большим материальным, экономическим, экологическим, и социальным последствиям. Ho высотные здания позволяют получить большие жилые, торговые, офисные, рекреационные и другие площади при дефиците свободных территорий в городе. К особенностям высотных зданий относятся: повышение роли горизонтальных ветровых нагрузок по сравнению с вертикальными; повышенная нагрузка на несущие конструкции, в том числе на основания и фундаменты; повышенное влияние природных воздействий (сейсмика, солнечная радиация, и др.) и техногенных факторов (вибрации, аварии, пожары, диверсионные акты, локальные разрушения) на безопасность эксплуатации; проблемы обеспечения совместной работы в несущих конструкциях бетона и стали, и неодинаково нагруженных элементов конструкций, например, колонн и стен. Эти особенности необходимо учитывать при выборе конструктивной схемы высотного здания и проектировании несущих конструкций. Под влиянием ветровых нагрузок в вертикальных (обычно сжатых) несущих конструкциях могут возникнуть растягивающие усилия. Величины напряжений в основании ввиду небольшой площади фундаментов могут достигать 0,8...1 МПа, а в вертикальных несущих конструкциях (колоннах, простенках) — 50...70 МПа. Нагрев фасада высотного здания приводит к дополнительным деформациям и нагрузкам на несущие конструкции. При разработке конструктивных решений высотных зданий нужно решать проблемы освещенности, инсоляции, огнестойкости, аварий и локальных разрушений.

При оценке необходимости возведения небоскребов нужно учитывать множество социально-экологических проблем: удаленности жителей от природы; транспортные проблемы, в том числе быстрая эвакуация жителей; проблемы водопровода, канализации, отведения ливневых вод; затраты большого объема ресурсов; затенение территории; потребление избыточного количества энергии; повышенная уязвимость во время особых воздействий (землетрясений, пожаров, терроризма, и пр.); сложности разборки и утилизации отходов. Видимо, несущими конструкциями должны быть железобетонные конструкции, как менее подверженные особым воздействиям. Представляет интерес постоянный рост экологичности небоскребов за счет использования возобновимой энергии, озеленения, сбора дождевой воды, и пр. Современные небоскребы зачастую отличаются не только архитектурно выразительной, криволинейной, природоподобной формой, но и использованием высокотехнологичных решений, которые улучшают их экологические показатели:

1. Использование оболочек и пространственной криволинейной формы зданий, что улучшает визуальное их восприятие, ведет к приро-доподобию, и повышает пространственную жесткость зданий.

2. Использование возобновимых источников энергии с помощью встроенных в конструкции установок, что позволяет частично или полностью покрыть энергозатраты на здание.

3. Озеленение фасадов и кровель, что ведет к росту площади озеленения в городе, к улучшению визуального восприятия небоскребов. Устройство «небесных садов» по высоте зданий (занятых садами и рекреационными зонами территорий в пределах 1—3 этажей.

4. Использование вторичных и других возобновимых ресурсов и материалов (утилизация отводимого с загрязненным воздухом тепла, сбор атмосферной и другой воды, и др.).

5. Использование эффективной пассивной сейсмозащиты на сейсмоопасных территориях. Озеленение стен и кровель небоскребов стало одним из эффективных приемов улучшения их экологических свойств и привлекательности для жителей (рис. 1.5).

Эффективным способом повышения экономичности небоскребов стало встраивание в них установок для утилизации возобновимой энергии (рис. 1.6); с этой целью фасадам придается криволинейная форма для увеличения скоростного напора ветра. В Китае строится башня «Pearl River Tower», внутри которой находятся ветровые турбины, на которые дует ветер через щели в здании. Форма здания концентрирует ветровые потоки. Установка будет обеспечивать освещение небоскреба. Набор экологичных решений при проектировании зданий составляет до 50—70 вариантов. Чем их больше — тем выше уровень оценки проекта при экологической сертификации. Недавно появились небоскребы со встроенными ветроагрегатами. Торговый центр в Бахрейне состоит из двух башен, между которыми располагаются три ветроагрегата с диаметром ветроколес 30 м. Здание будет вырабатывать более одного ГВт электроэнергии в год, что сможет обеспечить его электричеством. В Дубае планируется построить самый высокий небоскреб в мире, который будет полностью обеспечивать себя электроэнергией. Для этого на крыше и стенах установят солнечные панели общей площадью 15000 м2.

С развитием высотного строительства совершенствовались конструктивные схемы небоскребов: Основной формой зданий является башенная, с повышенной устойчивостью во всех направлениях (благодаря развитому поперечному сечению) и обтекаемостью объема (цилиндрического, пирамидального, призматического со скругленными углами). Для уменьшения горизонтальных перемещений верха зданий во избежание перекосов ограждающих конструкций и нарушений в работе лифтов с увеличением этажности здания отношение его ширины к высоте не должно быть меньше 1/8...1/10. Известны четыре конструктивные системы высотных зданий — каркасная (рамная), бескаркасная (диафрагмовая), ствольная и оболочковая.

Важнейшей технической задачей является создание методов будущей разборки или реконструкции крупных зданий и сооружений — высотных зданий, крупных плотин, других крупных объектов. Эти объекты необходимо проектировать с учетом их будущей разборки ил реконструкции с минимальными отходами (вечных объектов нет). Будущие большие затраты на реконструкцию или разборку уникальных объектов должны учитываться при выборе оптимального варианта в ходе проектирования. Так же должны учитываться затраты на будущую эксплуатацию и текущий ремонт крупных зданий и сооружений: чем крупнее и сложнее объект — тем существеннее эксплуатационные затраты, что в итоге может повлиять на выбор конструктивного и технологического решения сооружения.

Важной частью совершенствования расчетов является формирование знаний о численных методах расчета конструкций, об их применении при решении задач проектирования. Расчеты отдельных конструкций и целых зданий и сооружений можно выполнять ручным методом, используя формулы в сводах правил (СП), или машинным методом, применяя различные компьютерные программы. Ручные расчеты методом предельных состояний издавна и плодотворно использовались при определении прочности, жесткости, трещиностойкости и других параметров конструкций. Сейчас в большинстве случаев применяют программные комплексы (построенные на использовании положений СП). Нужно ли знать ручные методы расчета? Между ручными и компьютерными методами расчета есть существенная разница:

1. При ручном расчете у расчетчика формируется понятие о действительном напряженно-деформированном состоянии конструкций; он может менять параметры конструкций и получать различную воспринимаемую нагрузку в соответствии с этими изменениями.

2. При ручном расчете расчетчик оперирует с расчетными факторами (нагрузками, размерами, прочностными и деформативными характеристиками материалов), и понимает их влияние на конечный результат расчета.

3. При машинном расчете специалист вводит в компьютер требующиеся данные, но процесс расчета невидим, инженер получает конечный результат в виде цветного изображения конструкции или здания, с цветным указанием уровня напряжений, или сечения арматуры, или прогибов. При этом сам расчет производится без участия специалиста. Зачастую при этом может отсутствовать понимание действительной работы конструкции или здания.

4. Вместе с тем сейчас созданы новые здания со сложными, нерегулярными планами и сетками колонн, с высотами этажей и поперечными сечениями стен и колонн, которые не соответствуют принятым в СП для ручного расчета классификациям изгибаемых и сжатых элементов, и потому не могут быть адекватно рассчитаны с применением формул СП. Такие здания могут быть рассчитаны только с использованием компьютерных программ.

5. Компьютерные программы, основанные на использовании СП, нуждаются в совершенствовании, особенно в случаях отсутствия экспериментально обоснованного представления о действительной работе конструкций.

Задача совершенствования расчетов конструкций и зданий заключается в создании вероятностного расчета, учитывающего вероятностные характеристики расчетных параметров — нагрузок, других воздействий, физико-механических характеристик конструкционных материалов, геометрических размеров. Совершенствоваться должны и ручные расчеты, основанные на выявлении реальных механизмов деформирования и разрушения конструкционных материалов и конструкций, и машинные методы, в основе которых также лежат эти данные. В основе создания и совершенствования методов расчета железобетонных и каменных конструкций лежат экспериментальные данные, использование которых позволяет получить более адекватные результаты при постоянном совершенствовании методов исследований. В бетоне объединены сложные свойства упругости, пластичности и ползучести; особенности силового деформирования, трещинообразования и разрушения бетона очень сложны, поэтому существующие теории прочности к нему неприменимы. Прочностные и деформативные характеристики бетона носят вероятностный характер; зависимости между составом и структурой бетона, его прочностью и деформативностью выявляют только в экспериментах. Поэтому теория сопротивления бетона носит во многом эмпирический характер. Лучшей теорией прочности бетона как сложного неоднородного материала, обладающего свойствами упругости, пластичности и ползучести, была бы вероятностная теория. Вероятно, она будет создана в результате углубления исследований. Среди недостатков расчетов железобетонных конструкций — обилие эмпирических зависимостей в расчетах, упрощенные эмпирические методы определения прочности наклонных сечений, не учитывающие ряд особенностей деформирования: действия сил зацепления в наклонной трещине и нагельного эффекта рабочей арматуры; при расчете железобетонных конструкций недостаточно определенно учитываются значительные усилия распора («мембранные»), являющиеся следствием анизотропии бетона и криволинейности нейтральной оси при изгибе. Механизмы разрушения наклонных сечений недостаточно глубоко исследованы, поэтому при расчетах используются упрощенные эмпирические зависимости.

Долговечность зданий, в том числе уникальных, пока не полностью определена: так, известно, что стальная арматура внутри бетона постепенно коррозирует. Воздушная среда в городах, а также грунтовая вода и вода в водоемах в раде мест постепенно становится агрессивной для арматуры и бетона вследствие общего загрязнения среды. У всех сооружений есть цикл жизни, в конце которого необходима их реконструкция (обычно — более 100 лет). При их проектировании необходимо заранее предусматривать реконструкцию или разборку после окончания эксплуатации. Ho крупные сооружения проектируются и строятся практически без учета этого обстоятельства.

Особого внимания требует изучение особенностей совместного деформирования зданий и их грунтовых оснований; известно, что наука и практика проектирования оснований и фундаментов развиваются в направлении разработки более адекватного и надежного метода расчета фундаментов с учетом их взаимодействия с фунтом и зданием при всех видах нагрузок, и создания более совершенных конструктивных и технологических решений множества типов фундаментов для различных фунтовых напластований. Остается актуальной задача создания адекватных моделей оснований.

В сводах правил имеются недостаточно полно исследованные участки конструкций (например, приопорные зоны изгибаемых железобетонных конструкций, зона продавливания плоских плит, и пр.). He учитываются так называемые вторичные эффекты в наклонных трещинах изгибаемых железобетонных элементов — силы трения берегов трещин и нагельный эффект рабочей арматуры в трещине в растянутой зоне. Углубленного анализа требует изучение напряженно-деформированного состояния и экспериментальное обоснование расчета прочности по наклонным сечениям, и расчета на продавливание. И в прежнем СНиП, и в новом СП расчетные схемы при расчете на продавливание (а, следовательно, и принятые механизмы продавливания) недостаточно обоснованы: ранее разрушением считался одновременный отрыв «пирамиды» по всей поверхности (СНиП), сейчас — отрыв по расчетному вертикальному сечению. Оба этих механизма не соответствуют действительному разрушению. Опытами на фундаментах выявлены существенные особенности разрушения по наклонным сечениям. Поперечную силу воспринимают участки сжатой зоны бетона над нормальной трещиной в сечениях по граням колонны. Напряжения в бетоне сжатой зоны и в арматуре растянутой зоны в плане распределены неравномерно, концентрируясь у колонны. Тело продавливания, выделяющееся после действительного разрушения бетона сжатой зоны в наклонном сечении, может иметь криволинейную форму с углом наклона магистральной трещины, колеблющимся в широких пределах. Работа участка бетона над нормальной трещиной по наклонному направлению аналогична работе бетона на смятие: сжимающие напряжения действуют на части сечения бетона, ограниченного с трех сторон, при этом его прочность Rb близка к Rb,loc. Наблюдается концентрация напряжений в угловых зонах стыка колонны и плиты. Предельные состояния требуют дальнейшего глубокого исследования: так, в расчетах разделяют нормальные и наклонные сечения в одном элементе (желателен единый подход), рассматривается нереальный механизм разрушения в наклонном сечении, не учитываются вторичные эффекты в наклонной трещине (нагельный эффект рабочей арматуры и силы зацепления в наклонной трещине).
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: