CC BY
112
УДК 624.012 (07)
ИВАШЕНКО Ю. А.
Обеспечение надежности при проектировании зданий и сооружений с применением железобетона
В статье рассматриваются вопросы, связанные с обеспечением безопасности зданий и сооружений при проектировании их из железобетона в связи с действием закона № Э84-ФЗ от 30.12.2009 г. Автор рассказывает об опытной проверке отдельных положений закона в той части, где на надежность строительных конструкций влияют внутренние усилия в элементах конструкций, показывая необходимость уточнения отдельных положений закона.
Ключевые слова: безопасность, расчетные модели, физическая и геометрическая нелинейность, контроль надежности.
IVASHENKO Y. A.
RELIABILITY MAINTENANCE AT DESIGNING OF BUILDINGS AND CON-STRUCTIONS WITH FERROCONCRETE APPLICATION
The article discusses issues related to security of buildings and structures in the design of reinforced concrete. Security issues are discussed in connection with the operation of the law 384-FZ of30.12.2009. The author tells about the experimental verification of certain provisions of law in the part where the reliability of building structures affected by internal forces in structural elements. The author points to the need to clarify certain provisions of the law.
Keywords: security, computational models, the physical and geometric nonlinearity, control reliability.
Ивашенко
Юлий
Алексеевич
доктор технических наук, профессор ЮУрГУ
e-mail: ira-starosta@list.ru
В техническом регламенте о безопасности зданий и сооружений (Федеральный закон № 384-Ф3 от 30.12.2009 г.) установлены основные положения, исполнение которых должно обеспечить безопасность в строительстве.
Ниже рассматриваются положения закона, относящиеся к механической безопасности, и возможность их выполнения при проектировании зданий и сооружений. Кроме случайных факторов, влияющих на надежность строительных конструкций, существуют факторы, связанные с точностью определения внутренних усилий в элементах конструкций и установлением критериев разрушения материалов, из которых изготовлены эти конструкции.
Закон требует создавать расчетные модели, в которых должны учитываться следующие характеристики: пластические и реологические свойства материалов и грунтов, возможность образования трещин, а также особенности взаимодействия элементов строительных конструкций между собой и с основанием.
Эти требования фактически запрещают применение методов расчета, основанных на учете закона упругости. В практике проектирования реологические свойства материалов и грунтов основания не учитываются, и применяются программы, составленные на законе упругости. Поэтому при определении внутренних усилий совершаются ошибки, и оценка этих ошибок не производится. Таким образом, достоверность определения внутренних усилий, а также деформаций и перемещений, совершенно не ясна. Тем не менее, на основании значений этих внутренних усилий определяется количество арматуры в элементах конструкций.
При применении программ, основанных на законе упругости, совершенно игнорируется влияние времени на изменение внутренних усилий конструкции, несмотря на то, что многочисленными исследованиями установлено, что во времени внутренние усилия, деформации и перемещения могут изменяться в несколько раз по сравнению с «упругими значениями». В связи с этим можно указать на широко при-
меняемый программный комплекс «Лира». В нем имеется раздел, учитывающий физическую нелинейность объекта, включая принципы теории пластичности. Принять этот раздел для практики невозможно по двум причинам.
Первая состоит в том, что контролирующие процесс проектирования органы не требуют этого. Вторая заключается в том, что в комплексе «Лира» предлагаются различные варианты учета нелинейности при отсутствии рекомендаций по их применению для расчета конкретных конструктивных систем, а также экспериментальных обоснований. В таких условиях надежность проектирования не обеспечивается. Для обеспечения надежности конструкций проектировщики произвольно увеличивают количество арматуры, что ведет к удорожанию строительства и росту стоимости квадратного метра используемой площади. Инвесторы должны быть заинтересованы в обратном действии, так как оно повышает конкурентоспособность строительной продукции и сокращается время ее реализации.
Можно улучшить ситуацию благодаря применению методов расчета, основанных на теории ползучести. По мнению автора, эта теория является наиболее совершенной из ныне существующих для описания деформирования бетона и железобетона, что доказано многочисленными исследованиями [1, 2].
Разработка программных комплексов для расчета различных конструктивных систем на основе использования теории ползучести повысит надежность проектирования.
Автором статьи ведутся разработки по созданию методов расчета с использованием существующих «упругих программ» и принципов теории ползучести, включая рекомендации СП 52-101-2003 об учете коэффициента ползучести. Такой путь позволяет использовать достоинства «упругих программ» для расчета сложных, статически неопределимых конструктивных систем, повысить достоверность определения внутренних усилий и, следовательно, надежность проектирования. Соответственно, это приводит к снижению расхода бетона и арматуры в элементах конструктивных систем.
Рассматривая проблему деформирования бетона и учета его реологических свойств, необходимо отметить следующее. Имеются данные, свидетельствующие о том, что бетон, являясь структурно неоднородным материалом, проявляет свойства
анизотропии. Автором статьи проведены испытания бетонных призм размером 100 х 100 х 400 мм на сжатие, в результате которых отмечено различие поперечных деформаций по двум направлениям и появление деформации кручения. При создании в середине длины призм щели длиной 20 мм и толщиной 0,1 мм, расположенной под углами от нуля до 90 градусов по отношению к направлению действия сжимающего усилия, наблюдалось увеличение расхождения поперечных деформаций и кручения. Следует полагать, что в процессе нагружения объема в структуре бетона формируются ориентированные поверхности разрушения, вследствие чего возникает прогрессирующая анизотропия. Отсюда, одним из направлений совершенствования теории деформирования бетона является учет этого явления. Возможно, что свойство анизотропии деформаций влияет на формирование напряженного состояния конструкций. Необходимо установить степень его влияния на напряженно-деформированное состояние в конструктивной системе.
1. При разработке расчетных моделей закон требует учитывать особенности взаимодействия элементов строительных конструкций между собой. Это обусловлено тем, что элементы могут быть соединены между собой различными способами. В соединениях возникают усилия, под действием которых возникают деформации и перемещения, т. е. соединения являются «податливыми». За счет этого в статически неопределяемых системах происходит изменение внутренних усилий. Знание этих изменений повышает надежность проектирования зданий и сооружений. Для некоторых соединений известна податливость, но она рассматривается как «упругая».
Опытным путем автором установлено [3—5], что податливость состоит из двух величин: упругая (линейная) и неупругая, обусловленная ползучестью бетона в соединении, включая ползучесть сцепления бетона с арматурой. Вторая часть сопоставима с первой и может превысить ее в два и более раз. Учет этого необходим для увеличения надежности расчетов. Поскольку соединение является конструкцией, то под действием усилий развиваются повреждения, в том числе трещины. Это приводит к тому, что соединение «ведет себя» как анизотропное тело, т. е. компоненты усилий и перемещений в нем взаимосвязаны между собой.
Часто при проектировании зданий и сооружений в расчетных моделях соединяются геометрически разные элементы: стержни с пластинками или с объемными элементами, что приводит к результатам расчета в виде концентрации внутренних усилий или появлению дополнительных сил, которых в действительности не должно быть.
Наши исследования показали, что применение дополнительных соединительных элементов позволяет исключить появление таких эффектов.
2. В законе установлено требование учета геометрической нелинейности. Постановку этой задачи можно расширить, если ввести понятие «случайная расчетная модель». В этом случае необходимо учитывать следующие обстоятельства: возможные начальные случайные отклонения геометрических параметров, отклонения этих параметров, связанные с деформированием от действия нагрузок, последовательное возведение (монтаж) конструктивной системы, «растянутое» во времени, что также имеет случайный характер, появление зон увеличенного деформирования и зон трещинообразования. Это приводит к трансформированию расчетных моделей и схем, и плоские модели могут стать пространственными. Такая трансформация приводит к появлению дополнительных внутренних усилий, например, нормальных (распорных) сил. Наши исследования показали, что эти усилия в одних случаях дают положительный эффект (снижение количества арматуры), а в других — противоположный.
При учете указанных выше обстоятельств необходимо иметь в виду проявление реологических свойств бетона на основе теории ползучести. Например, учет изменения расчетной модели в процессе возведения конструкции иногда приводит к увеличению внутренних усилий по сравнению с моделью, рассмотренной в конечной стадии строительства в предположении мгновенного ее создания и нагружения. Если применять теорию ползучести, то увеличение внутренних усилий может не наблюдаться в результате перераспределения. Кроме того, в процессе постепенного возведения конструктивной системы из монолитного железобетона «нагружение элементов происходит в молодом возрасте» и дальнейшее нарастание прочности происходит под действием напряжений. Имеются исследования, которые показывают, что прочность бетона при таких условиях увеличивается. Применение таких моделей
при проектировании приведет к повышению надежности и экономии материалов.
Вышесказанное приводит к необходимости рассмотреть проблему учета фактического режима нагружения для объектов различного назначения. Например, для многоэтажных зданий собственный вес является основной нагрузкой, составляющей около 80%. Эта нагрузка является постоянной, но нарастающей со временем. Под ее действием в полной мере проявляются реологические свойства бетона и железобетона. Современный уровень развития вычислительных средств позволяет создать программы, учитывающие эти особенности.
Рассматривая проблему обеспечения надежности на основе совершенствования расчетных моделей, необходимо проанализировать задачу назначения или определения критериев разрушения материалов. В СП 52-101-2003 используется два критерия: в одних случаях предельное напряжение (усилие), в других — предельная деформация. Такое разделение является условным. В то же время опытами установлено, что напряжение не может быть критерием, если бетон деформируется с появлением нисходящего участка [6], а величина предельной деформации является величиной переменной. Изменение предельной деформативности обусловлено не только составом бетона, но и изменением режима деформирования в конструктивной системе. Автором предположен критерий, который учитывает совокупность факторов, влияющих на величину предельной деформации [7].
1 В законе записано требование об учете реологических свойств грунта основания при расчете конструктивных систем и особенностей их взаимодействия с основанием. Имеются исследования, подтверждающие такую необходимость. В то же время недостаточно экспериментальных и теоретических данных для привлечения теории ползучести в направлении учета этих свойств [8].
2 Закон устанавливает необходимость контроля безопасности. В связи с этим необходимо отметить, что в настоящее время в проектах зданий и сооружений отсутствует показатель безопасности. Однако действующие стандарты требуют его контроля. В таком контроле заинтересованы все участники строительства. При использовании «типовых» проектов из «типовых» деталей такой контроль осуществлялся
проведением испытаний и статистическим анализом свойств материалов. В современном строительстве из монолитного железобетона каждый проект является «уникальным» и его надежность остается неизвестной.
Автором предлагается в каждом проекте предусматривать проведение на начальной стадии строительства «контрольных» испытаний фрагментов. Это позволит по разработанной методике определить показатель безопасности и осуществить корректировку проекта, что может привести к экономии расхода материалов.
Заключение
1 Существующая практика проектирования во многих случаях не дает представления об уровне безопасности зданий и сооружений.
2 Необходимо совершенствовать расчетные модели для получения более достоверных расчетных данных, обеспечивающих надежность.
3 Необходимо вводить в практику проектирования и строительства методы контроля надежности путем контрольных испытаний отдельных фрагментов несущей конструктивной системы.
4 Контрольные испытания не должны приводить к разрушению конструкций, но призваны обеспечить получение данных, на основе которых может быть сделан достоверный прогноз коэффициента конструктивной безопасности.
Список использованной литературы
1 Бондаренко В. М., Бондаренко С. В. Инженерные методы нелинейной теории железобетона. М., 1982.
2 Арутюнян Н. Х., Зевин А. А. Расчет строительных конструкций с учетом ползучести. М., 1988.
3 Ивашенко Ю. А., Габбасов Н. Р. Исследование работы жесткого узла поперечной рамы каркаса одноэтажных промзданий // Исследование по строительной механике грунтов: сб. тр. ЧПИ. Челябинск, 1979. № 225. С. 154—158.
4 Ивашенко Ю. А., Палкин М. К. Методика теоретического определения неупругой податливости узлов соединения сборных железобетонных элементов с учетом длительности кратковременного нагружения // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1983. № 2. С. 8—11.
5 Каширский Ю. А., Ведерников А. А., Василенко П. К. и др.
Испытание сопряжений ригелей с колоннами главного корпуса ТЭС // Энергетическое строительство. 1967. № 8.
6 Ивашенко Ю. А., Лобанов А. Д. Исследование процесса разрушения бетона при разных скоростях деформирования / / Бетон и железобетон. 1984. № 11. С. 14—15.
7 Ивашенко Ю. А. Деформационная теория разрушения бетона // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1987. № 1. С. 33—38.
8 Швецов Г. И. Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты : учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М., 1997.
