CC BY
23Исследование надежности горизонтального монолитного стыка сборных стеновых элементов панельных зданий методом статистического моделирования
и
у
а
г
*
а о
Тамразян Ашот Георгиевич
д-р техн. наук, профессор, академик РИА, советник РААСН, заведующий кафедрой железобетонных и каменных конструкций ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»
Дехтерев Денис Сергеевич
аспирант кафедры железобетонных и каменных конструкций ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», gbk@mgsu.ru
В работе исследовано влияние изменчивости отдельных параметров на вероятность безотказной работы монолитного стыка стеновых элементов панельных зданий. Для оценки влияния выбраны наиболее значимые параметры, характеризующие прочностные свойства и геометрические характеристики стеновых панелей и бетона замоноличивания стыка. Анализ надежности стыкового соединения проводился с использованием метода статистического моделирования, в основе которого положен известный метод Монте-Карло. Для моделирования использованы экспериментальные данные математического ожидания и среднеквадратического отклонения исследуемых параметров. В ходе исследования получены графики функции несущей способности в зависимости от изменчивости расчетных параметров. По результатам работы получен сводный график влияния расчетных параметров на вероятность отказа конструкции стыкового соединения, а также график весомости исследуемых параметров на надежность соединения.
Ключевые слова. Вероятность отказа, метод статистического моделирования, монолитный стык, Монте-Карло
Надежность - важнейшая характеристика строительной конструкции определяющая ее безотказность в течении всего срока эксплуатации здания. На ранних этапах развития теории расчета понятие надежность ассоциировалось с единым коэффициентом запаса, вводимого к прочностным характеристикам материала конструкций. Исследования В.В. Болотина и А.Р. Ржаницына, сформировали общие принципы вероятностного подхода к оценке надежности, что позволило к середине XX века ввести в строительные нормы частные коэффициенты запаса и разработать метод предельных состояний. Метод используется в нормативной литературе и строительной практике и в настоящее время, несмотря на развитие вероятностных методов оценки надежности. Дальнейшее развитие теории расчета неизбежно связано с оценкой и управлением надежностью конструкций. Постепенно представление о необходимости проектирования равнопрочных сооружений меняется на понимание необходимости проектирования конструкций из равнонадежных элементов [4]. Свое развитие теория надежности строительных конструкций получила в работах Б.И. Снарксиса, А.Я. Дривинга, Ю.Д. Сухова, О.В. Лужина, Н.Н. Складнева, А.П. Кудзиса, Б.Б. Ужполявичуса, В.С. Уткина, В.П. Чиркова, А.В. Перельмутера, А.Г. Тамразяна, В.Д. Райзера и др [3, 5, 6].
В советский период развитие методов возведения жилых зданий привело к появлению типовой панельной застройки, что позволило решить важнейшую задачу обеспечения населения комфортным по тем временам жильем. Этот подъем панельного домостроения спровоцировал проблему реконструкции и реновации панельных зданий по истечении их нормативного срока эксплуатации. Решение этой проблемы невозможно без качественной оценки технического состояния и остаточного ресурса основных узлов и элементов панельного здания [1, 2]. Актуальной задачей для определения пригодности здания к нормальной эксплуатации является оценка надежности узлов панельного здания, разработка рекомендаций по учету фактических
отклонении параметров стыковых соединении от проектной и нормативной документации.
Расчет несущей способности монолитного стыка сборных стеновых элементов панельных зданий приведен в приложении Б проекта СП «Крупнопанельные конструктивные системы», во многом соответствующем пособию по проектированию жилых зданий ЦНИИЭП жилища Гос-комархитектуры 1989 г [11]. Несущая способность горизонтального стыка с двухсторонним опиранием панелей перекрытия (рисунок 1):
Nj = Rc ■ t ■ d
J
(1)
где
Rc -
приведенное сопротивление сжа-
тию стыка, t - толщина стенки, dj- расчетная ширина простенка. Приведенное сопротивление сжатию стыка Кс определяется расчетным сопротивлением бетона стены Rbw и эмпирическими коэффициентами и ^j, учитывающими влияние горизонтальных растворных швов и конструктивный тип стыка.
На несущую способность стыка оказывают наибольшее влияние четыре конструкционных параметра, принимаемые в настоящем исследовании за расчетные:
т - расчетная толщина шва;
t - толщина стены;
Rm - кубиковая прочность раствора;
Rbw - расчетная прочность бетона стены, МПа.
Рис. 1. Монолитный стык стеновых элементов панельных зданий
Исследованием работы стыков панельных зданий в разное время занимались С.А. Семен-цов, B.B. Спиридонов, О. Э. Пфлаумер, А.С. Калманка, B.A. Камейко, B.B. Макаричев и H. И. Левин, В. Н. Горнов, Ф.Г. Блюгер, А.А. Шишкин и Э.А. Бравинский, А.М. Болдышев. А.И. Мальга-нов, СВ. Рыков, И.Б. Трушков, М. Е. Соколов и др [10]. Исследования стыков были направлены на оптимизацию их параметров, исследование новых видов стыков, изучение их податливости и наряжено-деформированного состояния. Исследования надежности стыковых соединений не приводились.
Для вычисления надежности стыков необходимо определить вид закона распределения резерва несущей способности и основные параметры распределения. Наиболее часто при определении надежности строительных конструкций применяется нормальный закон распределения, определяемый двумя параметрами -математическим ожиданием и среднеквадрати-ческим отклонением. Нормальная функция распределения описывается уравнением [7, 13]: 1 g (g -g )2 F(g) = —^ f е 2с2 dg (2)
g - математическое ожидание, с- стандартное отклонение (квадратный корень из дисперсии).
Вероятность отказа стыка в общем случае является функцией нескольких независимых переменных и ее вычисление при нелинейной задаче аналитически невозможно. Для определения вероятности отказа используем метод статистических испытаний (разновидность известного метода Монте-Карло), как наиболее применимый для программной реализации на вычислительных машинах.
Оценка вероятности отказа конструкции монолитного стыка проводилась в специально разработанном программном комплексе RAST, использующим математический аппарат программного комплекса MS EXCEL [9]. Для моделирования задавались исходные данные по исследуемым параметрам на основе экспериментальных данных об изменчивости случайных параметров [8], [10], [12]. Исходные данные для моделирования случайных параметров приведены в табл. 1.
В ходе проведения численного эксперимента получены графики распределения несущей способности стыкового соединения в зависимости от изменения одного контролируемого параметра (рисунок 2-5). При этом все остальные расчетные параметры принимались случайными нормально-распределенными величинами.
Сводный график влияния расчетных параметров на вероятность безотказной работы по-
0
55 »
£
55 т П 1
и
у
а
г
*
а б
казан на рисунке 6. На рисунке 7 приведен график весомости контролируемого параметра на вероятность отказа монолитного стыка. Весомость контролируемого параметра определялась вкладом изменчивости вероятности отказа в общую изменчивость при изменении параметров на величину +О
Таблица 1
Исходные случайные данные для статистического моде-
Параметр Математическое ожидание X Среднеквадратичное отклонение О
Расчетная прочность бетона за-моноличивания КЬ,топ, МПа 15 2
Расчетная прочность бетона стены , МПа 17 2,3
Размер монолитного участка по толщине стены —топ, мм 160 6,1
Размер по длине стены монолитного участка стыка ^топ, мм 1000 38
2.5
0
« » д
1 ^
— 9
—11 -1}
1 А -15
/ *
г К \ V
Рис. 2. Распределение несущей способности монолитного стыка при изменении расчетной прочности бетона замо-ноличивания от 9 до 21 мм
Экспериментальные исследования методом математического моделирования позволяют оценить влияние и весомость каждого отдельного параметра горизонтального монолитного стыка сборных стеновых элементов на вероятность его отказа, в общем случае зависящем от ряда случайных параметров. Границы изменения расчетного параметра приняты по правилу 3а. Установлено, что на надежность соединения наибольшее влияние оказывает прочность бе-
тона стены, несколько меньше - прочность бетона замоноличивания. Наименьшее влияние на надежность оказывают случайные значения геометрических характеристик конструкций.
-10-1
1 1 -" 7
л —1Т 1 1 -1М
Л —216 / \ -239
Рис. 3. Распределение несущей способности монолитного стыка при изменении расчетной прочности бетона стены от 10,1 до 23,9 Мпа
1,5
0,5
-141.7 -147 Л -153.9
-160 в. -1661
№ \ —тз А\Ж
II (Ж\
1 /// /.
Рис. 4. Распределение несущей способности монолитного стыка при изменении расчетной прочности бетона стены от 141,7 до 178,3 МПа
Рис. 5. Распределение несущей способности монолитного стыка при изменении длины монолитного участка стыка от 886 до 1114 мм
1
* 0,9 2
о Ов с
г
I*
Iм
е о.}
1« £ 0.1 о
145,4
—Бетон замоналичинний, Мм —ь:'Тон стс иы МПа -Ширина МУ. МА1 —Длина МУ. ми
| 21,63 „1«.4
-2о -о ' о 2о За
ВЕЛИЧИН.*отклонения контролируемого П.1 рЛ.ЧЙТрЗ
Рис. 6. График влияния расчетного параметра на вероятность отказа монолитного стыка
■ Бетон эамоколичиеэния, Мпа
■ Бетон стены, МП а
Рис. 7. График весомости контролируемого параметра на вероятность отказа монолитного стыка
Вывод. Исследование надежности горизонтального монолитного стыка стеновых элементов панельных зданий позволяют выявить наиболее значимые конструктивные параметры, что в свою очередь дает возможность в процессе производства строительно-монтажных работ или проектирования ограничить разброс случайной величины относительно ее математического ожидания путем контроля среднеквадра-тического отклонения или дисперсии параметра. Кроме того, при проведении обследования инженерно-технического состояния панельных зданий для целей реконструкции или реновации панельной застройки можно сфокусировать внимание эксперта на контроле наиболее значимых параметров, что позволит улучшить качество и достоверность результатов обследования, повысить отказоустойчивость и долговечность панельных зданий.
Литература
1. Тамразян А.Г., Дудина И.В. Влияние изменчивости контролируемых параметров на надежность преднапряженных балок на стадии
изготовления. Жилищное строительство. 2001. № 1. С. 16-17.
2. Клюева Н.В., Тамразян А.Г. Основополагающие свойства конструктивных систем, понижающих риск отказа элементов здания. Известия Юго-Западного государственного университета. 2012. № 5-2 (44). С. 126-131.
3. Снижение рисков в строительстве при чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера. А.Г.Тамразян [и др.]; под общ. ред. Тамразяна А. Г. Москва, 2012. Изд-во МИСИ-МГСУ, 304с.
4. Сатьянов С.В., Пилипенко П.Б., Котельников В.С., Четверик Н.П., Французов В.А., Тамразян А.Г., Бедов А.И. Риски в строительной деятельности при возведении, реконструкции и капитальном ремонте строительных объектов и их минимизация. Монтажные и специальные работы в строительстве. 2011. № 3. С. 12-13.
5. Тамразян А.Г. Основные принципы оценки риска при проектировании зданий и сооружений. Вестник МГСУ. 2011. № 2-1. С. 21-27.
6. Райзер В.Д. Теория надежности в строительном проектировании: монография. Москва, АСВ, 1998 г. - 304 с.
7. Моисеенко Р.П. Начальная надёжность элементов строительных конструкций. Методические указания - Томск: Изд-во Том. гос. ар-хит.-строит. ун-та, 2014. - 23 с.
8. Тамразян А.Г., Карпов А.Е., Дехтерев Д.С., Ласковенко А.Г. Определение расчетных параметров для оценки надежности платформенных стыков панельных зданий. С.413- 416. В сборнике: Современные проблемы расчета железобетонных конструкций, зданий и сооружений на аварийные воздействия: сборник докладов Международной научной конференции, посвященной 85-летию кафедры железобетонных и каменных конструкций и 100-летию со дня рождения Н.Н. Попова (19-20 апреля 2016 г., Москва) /под ред. А.Г. Там-разяна, Д.Г. Копаницы; М-во образования и науки Рос. Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т. Москва: НИУ МГСУ, 2016. С. 528.
9. Тамразян А.Г., Дехтерев Д.С. Оценка влияния конструкционных параметров на надежность платформенного стыка панельных зданий по методу статистического моделирования. Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 7. С. 20-25.
10. Нарушевич А.Н. Влияние дефектов платформенных стыков на напряженно-деформированное состояние конструктивных систем крупнопанельных зданий. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Новосибирск, 2015г.
11. Пособие по проектированию жилых зданий/ ЦНИИЭП жилища Госкомархитектуры. Вып. 3. Конструкции жилых зданий (к СНиП 2.08.0185). - М.Стройиздат, 1989. - 304 с.
О 55 К* £
55 т П 1
и
у
а
12. Промежуточный отчет на тему: «Разработка методики расчета напряженно-деформированного состояния и несущей способности 25-этажного жилого крупнопанельного дома типовой серии на базе расчетно-экспериментальных исследований». Шифр №К.254-14. - Москва, МГСУ, 2014 г.
13. Мкртычев О.В. Надежность многоэлементных стержневых систем инженерных конструкций /Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 2000.
Research of the reliability of monolithic horizontal joint of the prefabricated wall elements of panel buildings by method of statistical modeling Tamrazyan A.G., Dekhterev D.S.
National Research University «Moscow State University of Civil Engineering»
The work researched the effects of variability of individual parameters on the probability of failure of the monolithic joint of wall elements in panel buildings. To assess the impact of selected most meaningful parameters characterizing the strength properties and geometric characteristics of the wall panels and backfill concrete joint. Reliability analysis of butt joints was conducted using the method of statistical modelling, based on well-known Monte-Carlo. For the modeling used experimental data to the mathematical expectations and standard deviations of investigated parameters. The study obtained the graphs of the function of the bearing capacity, depending on the variability of the estimated parameters. The results of the work obtained a summary graph of the effects of design parameters on the probability of failure of the design of the butt joint, and a graph of the weight of the investigated parameters on the reliability of the connection.. Keywords. probability of failure, reliability, method of statistical modelling , monolithic joint, Monte-Carlo
References
1. Tamrazyan AG, Dudina I.V. Influence of the variability of the
controlled parameters on the reliability of prestressed beams at the manufacturing stage. Housing construction. 2001. № 1. P. 16-17.
2. Klyueva NV, Tamrazyan AG Fundamental properties of structural systems that reduce the risk of failure of building elements. Izvestiya South-Western State University. 2012. No. 5-2 (44). 126-131.
3. Reducing risks in construction in emergency situations of natural and man-made nature. AG Tamrazyan [and others]; under the Society. Ed. Tamraziana AG Moscow, 2012. Publishing House of the Moscow State University of Information Technologies and Communications, Moscow, Russia.
4. Satyanov SV, Pilipenko PB, Kotelnikov VS, Chetverik NP,
Frantsuzov VA, Tamrazyan AG, Bedov AI Risks in construction activities in the construction, reconstruction and major repairs of construction sites and their minimization. Assembly and special works in construction. 2011. № 3. P. 12-13.
5. Tamrazyan AG Basic principles of risk assessment in the
design of buildings and structures. Bulletin of MGSU. 2011. № 2-1. Pp. 21-27.
6. Raiser V.D. Theory of reliability in building design: monograph. Moscow, DIA, 1998 - 304 p.
7. Moiseenko R.P. Initial reliability of structural elements. Methodical instructions - Tomsk: Izd-vo Tom. state. architect-builds. University, 2014. - 23 p.
8. Tamrazyan AG, Karpov AE, Dekhterev DS, Laskovenko AG
Determination of design parameters for assessing the reliability of platform joints of panel buildings. P.413- 416. In the collection: Modern problems of the calculation of reinforced concrete structures, buildings and structures for emergency actions: a collection of reports of the International Scientific Conference dedicated to the 85th anniversary of the Department of Reinforced Concrete and Stone Structures and the 100th Anniversary of the Birth of N.N. Popova (19-20 April 2016, Moscow), ed. A.G. Tamrazyan, D.G. Kopanitsy; M-in education and science Ros. Federation, National. researches. Moscow. state. builds. un-t. Moscow: NIU MGSU, 2016. P. 528.
9. Tamrazyan AG, Dekhterev DS Evaluation of the effect of structural parameters on the reliability of the platform joint of panel buildings by the method of statistical modeling. Industrial and civil construction. 2016. № 7. P. 20-25.
10. Narushevich A.N. Influence of defects of platform joints on the stress-strain state of structural systems of large-panel buildings. Thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences. - Novosibirsk, 2015.
11. Manual for the design of residential buildings / TSNIIEP dwelling State Committee. Issue. 3. Construction of residential buildings (to SNIP 2.08.01-85). - M.Stroiizdat, 1989. - 304 p.
12. Interim report on the theme: "Development of a technique for calculating the stress-strain state and bearing capacity of a 25-storey residential large-panel house of a typical series based on computational and experimental studies." Cipher №K.254-14. - Moscow, MSSU, 2014.
13. Mkrtychev O.V. Reliability of multi-element rod systems of engineering structures / The dissertation author's abstract on competition of a scientific degree of a Dr.Sci.Tech. Moscow, 2000.
5
*
a
6
