Методологія нормування навантажень на будівельні конструкції

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЛТАВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА

УДК 624.042.1

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

МЕТОДОЛОГІЯ НОРМУВАННЯ НАВАНТАЖЕНЬ НА БУДІВЕЛЬНІ КОНСТРУКЦІЇ

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Пашинський Віктор Антонович

Полтава - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Полтавському державному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти України

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Горохов Євген Васильович, Донбаська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри, ректор (м. Макіївка);

Доктор технічних наук, професор Гордєєв Вадим Миколайович, ВАТ "Український науково-дослідний інститут "Проектстальконструкція" Дер-жавного Комітету України у справах будівництва, архітектури і житлової політики, заступник директора з наукової роботи (м. Київ);

Доктор технічних наук, професор Фурсов Вадим Вікторович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури (м. Харків).

Провідна установа:

Науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Державного Комітету України у справах будівництва, архітектури і житлової політики (м. Київ)

Захист відбудеться “29” червня 1999 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 25.01.02 при Полтавському державному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою:

314601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24, ауд. 234.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 314601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

Автореферат розісланий 27 травня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.В.Семко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

будівельний надійність несучий атмосферний

Економічна ефективність будівництва вирішальним чином залежить від якості проектування несучих конструкцій будівель і споруд. Головне завдання проектного розрахунку за методом граничних станів полягяє в забезпеченні достатнього рівня надійності конструкцій при мінімально можливих витратах матеріалів. При цьому слід враховувати, що економічна ефективність конструкцій визначається не лише їх вартістю, але й експлуатаційними витратами. В ряді випадків необхідне збільшення несучої здатності конструкцій призведе до зростання їх вартості, але дозволить підвищити рівень надійності, зменшити витрати на експлуатацію і ремонтно-відновлювальні роботи і тим самим підвищити економічність будівельного об'єкта в цілому.

Цю проблему можна вирішити шляхом вибору оптимальних рівнів надійності, застосування ефективних конструктивних форм, адекватного урахування експлуатаційних факторів та точного визначення розрахункових параметрів. Найбільш мінливими та найменш дослідженими факторами, які необхідно враховувати при проектуванні несучих конструкцій, є зовнішні навантаження та впливи експлуатаційного середовища. Дослідження та уточнення саме цих факторів може привести до найістотніших змін показників якості та ефективності будівельних конструкцій.

Актуальність даної роботи обумовлюється тим, що в Україні не розроблені власні норми навантажень на будівельні конструкції, а діючі СНиП 2.01.07-85 мають ряд істотних недоліків:

прийнята схема нормування не завжди відображує фізичну природу процесів навантаження і не дозволяє враховувати строк служби та рівень надійності споруди при проектуванні конструкцій;

принципова різниця в методах нормування навантажень різних видів приводить до неспівставимості результатів;

неповне урахування географічних та кліматологічних особливостей території України привело до надто грубого і не завжди коректного територіального районування України за сніговими та вітровими навантаженнями.

Розробка національних норм навантажень, враховуючих усі досягнення будівельної науки та гармонізованих зі світовим досвідом нормотворення, є надзвичайно важливим та актуальним завданням. Особливо це стосується норм атмосферних навантажень та впливів, які обов'язково повинні враховувати географічні та кліматологічні особливості території України. Дана робота присвячена вирішенню важливої наукової та народно-господарської проблеми: розробці методології нормування навантажень на будівельні конструкції та нормуванню снігових і вітрових навантажень для території України.

Зв'язок роботи з науковими програмами та темами. Тема дисертації відповідає напрямку досліджень та планам наукової роботи кафедри конструкцій з металу, дерева та пластмас Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка. Дослідження пов'язані з виконанням держбюджетних науково-дослідних робіт N 28/94 "Розробка пропозицій по удосконаленню норм проектування будівельних конструкцій на основі дослідження їх надійності" та N 43/96 "Розробка методів розрахунку надійності будівельних конструкцій і нормування навантажень на них", які виконувалися за планами Міністерства освіти України. Дисертація є також складовою частиною комплексу робіт, які виконуються за міжурядовою угодою на розробку міждержавних нормативних документів та стандартів (наказ міністра у справах будівництва і архітектури України N 86 від 11 червня 1993 року).

Мета і задачі дослідження: на основі імовірнісного підходу розро-бити загальну методологію нормування навантажень на будівельні конструкції, а також пропозиції щодо встановлення розрахункових значень снігового та вітрового навантажень для території України.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити такі задачі:

1) розробити схему регулювання надійності та принципи нормування навантажень, які забезпечать проектування несучих будівельних конструкцій методом граничних станів з урахуванням встановленого строку служби і заданого рівня надійності;

2) для мінімально необхідного набору імовірнісних моделей, адекватно відображаючих переважну більшість навантажень на будівельні конструкції, розробити методи обчислення та оцінювання точності розрахункових значень усіх видів;

3) розробити ефективний метод територіального районування розрахункових параметрів атмосферних навантажень з урахуванням строку служби конструкцій та випадкових похибок вихідних даних;

4) шляхом порівняльного аналізу вибрати оптимальні імовірнісні моделі для відображення снігового та вітрового навантажень, сформувати банк метеорологічних даних, виконати їх статистичну обробку і пронормувати необхідні розрахункові значення снігового та вітрового навантажень для території України;

5) розробити та апробувати на характерних прикладах методи нормування навантажень та впливів інших видів (постійних, кранових, температурних, від ожеледі).

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1) розвинуті методи нормування експлуатаційних, граничних, циклічних та квазіпостійних розрахункових значень змінних навантажень з урахуванням заданого рівня надійності та строку служби несучих конструкцій;

2) вперше запропоновано загальний метод та робочі формули для оцінювання точності експлуатаційних і граничних розрахункових значень змінних навантажень на будівельні конструкції, обчислених за різними імовірнісними моделями та різними обсягами статистичних даних;

3) розроблено новий метод територіального районування розрахункових значень атмосферних навантажень, який забезпечує вибір оптимальних меж територіальних районів та урахування встановленого строку служби конструкцій при наявності випадкових флуктуацій даних окремих метеостанцій;

4) удосконалено метод граничних станів, що дозволяє проектувати несучі конструкції з урахуванням встановленого строку служби та рівня надійності, а також диференціювати підходи до перевірки жорсткості конструкцій;

5) шляхом порівняльного аналізу вибрані оптимальні імовірнісні моделі для нормування снігового, вітрового та інших навантажень і впливів на будівельні конструкції.

Практичне значення одержаних результатів:

1) виконане нормування снігового та вітрового навантажень для території України, результати якого можуть бути безпосередньо використані при проектуванні несучих конструкцій та при розробці національних норм навантажень;

2) розроблені карти територіального районування України за основними статистичними характеристиками снігового та вітрового навантажень, чим створене інформаційне забезпечення розрахунків надійності несучих будівельних конструкцій.

3) розроблені методи нормування та отримані робочі формули, які можна застосувати для обчислення розрахункових значень змінних навантажень на унікальні об'єкти та об'єкти, що перебувають в експлуатації;

4) за результатами метеорологічних спостережень сформовано банк даних, який дозволяє досліджувати і нормувати снігове та вітрове навантаження для території України.

Результати досліджень впроваджені та прийняті до впровадження в Державні будівельні норми України: ДБН 362-93 "Оцінка технічного стану сталевих конструкцій виробничих будівель і споруд, що знаходяться в експлуатації", ДБН В.1.2-...-97 "Система забезпечення надійності та безпеки будівельних об'єктів. Загальні принципи забезпечення надійності і безпеки будівель, споруд, будівельних конструкцій та основ" (проект), ДБН В.1.2-... "Система забезпечення надійності та безпеки будівельних об'єктів. Навантаження та впливи. Норми проектування" (в розробці), а також використані при виконанні госпдоговірних науково-дослідних робіт за замовленнями ряду підприємств.

Особистий внесок здобувача. Викладені в дисертації ідеї, наукові розробки та практичні результати отримані здобувачем особисто та опубліковані в одноосібних роботах. В дослідженнях, виконаних та опублікованих разом зі співавторами, особистий внесок здобувача полягає в наступному:

наукове обгрунтування і написання пункту 2.31 [2];

наукове обгрунтування і написання пунктів 2.16, 2.19, 2.22, 3.23 [3];

наукове обгрунтування та написання підрозділу 5.2, а також пунктів 4.5.2, 4.5.3, 5.3.3 - 5.3.4 [4];

розробка методики досліджень та вивід робочих формул для урахування впливу згинів двотаврових віток наскрізних колон [6];

постановка задач, методика досліджень, програми статистичної обробки даних [7], [9], [14], [15], [26], [34];

участь в натурних обстеженнях, статистична обробка результатів, статистичні дослідження та нормування навантажень на несучі конструкції [10], [11], [27], [28], [32];

новий вид закону розподілу резерву міцності конструкції та його обгрунтування методом Монте-Карло [29], [30];

ідея методів територіального районування навантажень з урахуванням строку служби конструкцій, вивід основних формул [31];

постановка задачі та виведення формули для інтервала кореляції суми випадкових процесів [16];

методика та результати статистичного аналізу даних [36], [37];

наукове обгрунтування та написання підрозділів монографії [24];

принципи перевірки жорсткості конструкцій, класифікація та принципи нормування розрахункових значень змінних навантажень [39].

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на Всесоюзній конфеpенції "Проблеми оптимізації та надійності в будівельній механіці (Вільнюс, 1988 рік), конференції "Удосконалення методів розрахунку та проектування сучасних видів будівельних конструкцій" (Ровно, 1988 рік), школі-семінарі "Прогресивні методи ведення проектних і дослідницьких робіт при реконструкції сталевих каркасів будівель та споруд" (Київ, 1991 рік), Всесоюзній конференції "Випробування будівельних металевих конструкцій в умовах діючих підприємств" (Магнітогорськ, 1991 рік), Четвертій та П'ятій Українських науково-технічних конференціях з металевих конструкцій (Сімферополь, 1988 рік та Київ, 1992 рік), конференції "Надійність будівель і споруд" (Черкаси, 1993 рік), Першій Європейській та Другій Євроазіатській конференціях з вітроінжинерії (Варшава, 1994 рік та Генуя, 1997 рік), Першій Міжнародній науково-технічній конференції "Технічна метеорологія Карпат" (Львів, 1998 рік), засіданнях Української групи Міжнародної Асоціації з вітроінжинерії (Полтава, 1996 рік та Київ, 1997 рік), на засіданні кафедри металевих та дерев'яних конструкцій Київського національного університету будівництва та архітектури (дисертація у повному обсязі), а також на щорічних наукових конференціях Полтавського інженерно-будівельного інституту (1988-1994 роки) та Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка (1995-1998 роки).

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані в одній одноосібній монографії, трьох брошурах, 20 статтях в наукових журналах та збірниках, двох депонованих рукописах, а також в 13 матеріалах та тезах конференцій.

Обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел з 380 найменувань та чотирьох додатків. Вона викладена на 609 сторінках, з яких 292 сторінки основного тексту, 41 сторінка списка використаних джерел, 158 сторінок додатків. Основна частина роботи містить 76 таблиць на 32 сторінках та 136 рисунків на 86 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі виконано огляд результатів досліджень в галузі розрахунку надійності будівельних конструкцій, імовірнісного подання та нормування навантажень різних видів, а також методів урахування їх сумісної дії при розрахунках несучих конструкцій.

Основні положення теорії надійності та методи оцінювання показників безвідмовності несучих будівельних конструкцій розробляли А.Я.Барашиков, В.В.Болотін, Є.В.Горохов, І.Д.Грудєв, А.Я.Дрівінг, О.В.Лужин, Т.Е.Кесккюла, М.Б.Краковський А.П.Кудзіс, О.С.Личов, А.В.Перельмутер, С.Ф.Пічугін, В.Д.Райзер, О.Р.Ржаніцин, М.М.Складнєв, М.С.Стрілецький, Ю.Д.Сухов, С.А.Тімашев, С.Б.Усаковський, Е.І.Федоров, В.П.Чірков, G.Augusti, A.Baratta, F.Casciati, J.Murzevski, C.J.Turkstra, Y.K.Wen та інші вчені. Ними запропоновані методи оцінювання надійності несучих конструкцій, що базуються на різних імовірнісних моделях навантажень та на використанні математичного апарату випадкових величин чи випадкових процесів різного виду. Різні аспекти проблеми забезпечення надійності будівельних конструкцій розглядалися також в дослідженнях Є.І.Белені, П.Ф.Вахненка, В.М.Гордєєва, М.М.Жербіна, О.І.Кікіна, Ф.Є.Клименка, В.П.Корольова, В.Ф.Мущанова, В.О.Пермякова, А.В.Сильвестрова, Л.І.Стороженка, В.В.Трофімовича, Б.Б.Ужполявічуса, Л.М.Фоміци, В.В.Фурсова, В.М.Шимановського, О.Л.Шагіна та ряду інших вчених.

Розрахунки масових конструкцій доцільно виконувати за методом граничних станів, обгрунтуваню якого присвячені дослідження О.О.Бать, В.А.Балдіна, В.В.Болотіна, А.А.Гвоздєва, А.В.Геммерлінга, І.І.Гольденблата, В.М.Келдиша, В.О.Отставнова, А.В.Перельмутера, С.Ф.Пічугіна, В.Д.Райзера, О.Р.Ржаніцина, М.М.Складнєва, М.С.Стрілецького, Ю.Д.Сухова. Головні переваги методу граничних станів полягають у можливості регулювання та диференціювання рівня надійності конструкцій шляхом відповідного вибору розрахункових параметрів. При цьому розрахунки носять звичний для інженера детермінований характер, а імовірнісні властивості конструкцій та діючих навантажень враховуються при нормуванні розрахункових параметрів.

Загальні методи нормування навантажень на будівельні конструкції запропоновані в дослідженнях А.Я.Барашикова, О.О.Бать, В.В.Болотіна, В.О.Отставнова, А.В.Перельмутера, С.Ф.Пічугіна, В.Д.Райзера, О.Р.Ржаніцина, М.М.Складнєва, М.С.Стрілецького, Ю.Д.Сухова, С.А.Тімашева, В.П.Чіркова, G.Augusti, A.Baratta, F.Casciati, E.Gumbel, J.Murzevski, J.A.Zuranski.

Статистичні дослідження, розробка імовірнісних моделей і нормування снігового та вітрового навантажень виконувалися в роботах згаданих вище вчених, а також А.М.Айзена, Л.Е.Анапольської, Р.П.Бернгардта, І.М.Беспpозванної, О.Г.Виноградова, Л.Б.Гарцмана, Г.А.Гриневича, А.Я.Дрівінга, М.В.Заваріної, Р.І.Кінаша, Л.В.Клєпікова, Б.М.Кошутіна, Н.Ф.Мазуріна, А.С.Розенберга, Д.М.Ротштейна, І.А.Сергєєвої, А.Г.Соколова Б.П.Строкатова, М.В.Сидоренка, Б.Ю.Уварова, Е.І.Федорова, В.В.Філіппова, G.Solari, W.Shiraki, J.Wieringa. Як правило, для обчислення розрахункових значень вказаних навантажень використовувалася схема незалежних випробувань. Снігове навантаження нормувалося з використанням річних максимумів ваги снігового покриву, отриманих у результаті снігомірних зйомок. Вітровий тиск визначався за розподілами результатів строкових вимірювань, а також річних чи місячних максимумів швидкості вітру. Значний вклад в дослідження динамічної складової вітрового навантаження внесли М.Ф.Барнштейн, М.І.Казакевич, В.В.Кулябко, Г.К.Савицький.

Відмічена наявність ряду досліджень технологічних навантажень від мостових та підвісних кранів, маси матеріалів у складських приміщеннях, корисних навантажень в житлових приміщеннях та інших. Досить повно вирішена задача урахування сумісної дії кранових та атмосферних навантажень на території України.

Виконаний аналіз дозволив виявити недоліки чинних норм навантажень, які значною мірою обумовлені відсутністю єдиної методології нормування навантажень на будівельні конструкції. За результатами аналiзу літературних джерел зробленi висновки та сформульованi завдання дисертацiйної роботи.

У другому розділі запропонована інженерна методика розрахунків надійності, яка базується на імовірнісному поданні змінних навантажень у формі послідовностей максимальних значень, а постійного навантаження та несучої здатності елемента конструкції - у вигляді нормально розподілених випадкових величин. Розподіл резерва несучої здатності елемента конструкції описується лінійною комбінацією розподілів Гумбеля і Гаусса з параметрами, визначеними через математичне сподівання, стандарт та коефіцієнт асиметрії розподілу резерву несучої здатності. Такий підхід дозволяє визначати імовірність безвідмовної роботи елементів несучих конструкцій з урахуванням діючих процесів навантаження та встановлених строків служби конструкцій.

З використанням розробленої методики досліджені залежності рівня надійності елементів будівельних конструкцій від впливаючих факторів. На імовірність відмови найсильніше впливають коефіцієнт варіації навантаження та рівень забезпеченості його розрахункового значення. Виявлено, що розрахункові параметри методу граничних станів є взаємно залежними, а коефіцієнт надійності за призначенням не забезпечує планомірного регулювання надійності.

Найбільш точне регулювання рівня надійності при проектуванні несучих конструкцій забезпечується шляхом прямого імовірнісного розрахунку, але такий підхід не може бути використаний для проектування масових конструкцій. Доцільніше скористатися методом граничних станів, визначаючи його параметри у порядку, вказаному на рисунку 1. Строк служби конструкції враховується при визначенні розрахункових навантажень , а необхідний рівень надійності встановлюється коефіцієнтом відповідальності .

Мінімально необхідний рівень надійності елементів несучих конструкцій виявлено за даними літератури, а також в результаті аналізу імовірностей безвідмовної роботи типових сталевих ферм покриттів. З урахуванням постійного навантаження від покрівель різних видів та снігового навантаження для різних географічних районів встановлено, що 85% розглянутих ферм мають імовірність безвідмовної роботи, не вищу за P = 0,99 при строкові служби 50 років. Цей рівень надійності надалі вважається мінімально достатнім і нормування навантажень виконується, виходячи з нього. Перехід до інших рівнів надійності забезпечується відповідним вибором коефіцієнта відповідальності.

Нормування розрахункових значень усіх навантажень з одним і тим же рівнем забезпеченості приводить до різної надійності елементів несучих конструкцій. Точне рішення по забезпеченню рівнонадійності зводиться до індивідуального вибору розрахункових параметрів у кожному випадку, а тому воно не може бути реалізоване на практиці. Найбільш прийнятним варіантом є вибір ряду забезпеченостей розрахункових навантажень та розрахункових опорів будівельних матеріалів таким чином, щоб добитися приблизної рівнонадійності конструкцій. При цьому забезпеченість розрахункового навантаження має залежати лише від його статистичних характеристик, а забезпе-ченість розрахункового опору - лише від матеріалу конструкції.

Для вирішення поставленої задачі розглянуто елемент конструкції, імовірність безвідмовної роботи якого залежить від коефіцієнта варіації несучої здатності (міцності матеріалу) та навантаження , а також від рівнів забезпеченості відповідних розрахункових значень та :

. (1)

Записуючи (1) для ряду значень параметрів, отримуємо систему рівнянь, яка вирішена у середньоквадратичному методом випадкового пошуку. Результати розрахунків показали, що оптимальні забезпеченості розрахункових опорів суттєво відрізняються від тих, що прийняті в існуючих схемах контролю якості будівельних матеріалів. При традиційному підході до нормування розрахункових опорів залежність рівня забезпеченості розрахункового навантаження від коефіцієнта варіації максимума цього навантаження за строк служби конструкції при встановленому вище рівні надійності апроксимована виразом

. (2)

З метою адекватного урахування умов роботи конструкцій запропоновані способи визначення коефіцієнта умов роботи. При корозійному зношуванні він є функцією строку служби конструкції в агресивному середовищі, а у випадку механічних пошкоджень може не залежати від строку служби.

В третьому розділі сформульовані основні принципи та розроблені практичні методи нормування розрахункових значень навантажень, описаних різними імовірнісними моделями. Класифікація навантажень та їх розрахункових значень розроблена з урахуванням фізичних властивостей процесів навантаження та розрахункових ситуацій, у яких вони використовуються. При цьому реалізовано новий підхід до перевірки жорсткості конструкцій, згідно з яким усі конструкції розділені на два класи: для одних норма жорсткості може бути перевищена один раз за певний період, а для інших - протягом певної частки строку служби. Перші розраховуються на дію граничного, а другі - на дію експлуатаційного розрахункового значення.

Експлуатаційне розрахункове значення обчислюється залежно від частки строку служби конструкції , протягом якої воно може перевищуватися, з рівняння:

, (3)

де - закон розподілу ординати випадкового процесу навантаження.

Виходячи з (3), отримані робочі формули для найпоширеніших законів розподілу навантаження Гаусса, Гумбеля, Вейбулла, експоненціального та поліномо-експоненціального.

Граничне розрахункове значення дорівнює максимуму процеса навантаження, який з заданою забезпеченістю не може бути перевищеним протягом встановленого строку служби конструкції . Допустима частота його перевищення дорівнює

. (4)

Робочі формули для визначення граничних розрахункових значень змінних навантажень отримані, виходячи з вказаних вище законів розподілу та чотирьох імовірнісних моделей: схеми незалежних випробувань, послідовності максимальних значень, імпульсного та диференційовного випадкового процесу.

Циклічні розрахункові значення використовуються для розрахун-ків на втомлюваність і визначають гармонічний процес, еквівалентний за впливом на конструкцію до реального випадкового процесу навантаження. Для їх обчислення рекомендується застосовувати схему середніх амплітуд, яка приводить до простого рішення, незалежного від матеріалу конструкції, і дає найбільш пошкоджуючий вплив на конструкцію. При цьому встановлюються мінімальне та максимальне розрахункові значення, відповідно рівні математичним сподіванням поточного мінімума та поточного максимума процесу навантаження. Частота завантажень звичайно відповідає частоті перевищень випадковим процесом навантаження моди його розподілу. Виходячи з наведених передумов, отримані формули для визначення циклічних розрахункових значень навантажень з нормальним та вейбулівським законами розподілу ординати.

Квазіпостійне розрахункове значення встановлюється з умови рівності реологічних ефектів, що виникають від його дії та від дії реального випадкового процесу навантаження. При відомій залежності реологічного ефекту від величини навантаження q, часу його дії t та віку конструкції сумарний реологічний ефект можна обчислити за принципом суперпозиції впливів. Прирівнявши його до реологічного ефекту від дії еквівалентного квазіпостійного розрахункового значення , отримуємо рівняння

, (5)

де L[.] - узагальнюючий оператор, дія якого звичайно зводиться до інтегрування елементарних впливів ;

- випадковий процес змінного навантаження, заданий густиною розподілу ординати f(q,) та характеристиками частотної структури.

Пошукуване квазіпостійне розрахункове значення змінного навантаження визначається у результаті аналітичного чи числового розв'язку рівняння (5).

Для урахування повзучості бетону під дією змінного навантаження згідно з теорією старіння визначена сумарна деформація повзучості пружно-повзучого тіла, завантаженого протягом часу t випадковим процесом навантаження . При t = отримуємо аналог рівняння (5), розв'язок якого має вигляд:

, (6)

де b = 0,04 1/рік - характеризує швидкість затухання деформацій повзучості бетону.

Розрахункове значення визначається як квантиль випадкової величини (6) для необхідної забезпеченості P.

При нормуванні навантажень розрахункове значення будь-якого виду завжди обчислюється за вибіркою чи реалізацією скінченого обсягу, що обумовлює випадковий характер результату. Виходячи з відомих загальних формул та методів, отримані конкретні формули для обчислення дисперсій оцінок статистичних характеристик випадкових процесів різного виду та випадкових величин з розподілами, характерними для навантажень на будівельні конструкції. Дисперсії розрахункових значень навантажень отримані шляхом лінеаризації формул для обчислення цих значень або за методом Монте-Карло.

Запропонована нова характеристика точності , яка названа нормованою похибкою оцінки розрахункового значення:

, (7)

де - обсяг вибірки даних, використаної для оцінювання розрахункового значення Q.

Отримані робочі формули для визначення нормованих похибок (7) експлуатаційних та граничних розрахункових значень змінних навантажень, обчислених за різними імовірнісними моделями. Характеристика точності (7) дозволяє оцінювати імовірні відносні похибки % та визначати обсяги даних Nmin, необхідні для нормування розрахункових значень з заданою точністю. Це відкриває можливість порівнювати різні методи обчислення розрахункових навантажень за точністю результатів та необхідними обсягами вихідних даних.

На базі отриманих результатів сформульовані принципи порівняльного аналізу імовірнісних моделей змінних навантажень та методів обчислення розрахункових значень.

В четвертому розділі проаналізовані особливості метеорологічних даних та їх вплив на результати нормування атмосферних навантажень. Запропоновані способи урахування впливу пропусків даних, квантування за рівнем і часом, а також цензурування наявних вибірок.

Внаслідок впливу мікрометеорологічних факторів та випадкових похибок вимірювань дані окремих метеостанцій відхиляються від загальної закономірності зміни навантаження по території. Задача територіального районування атмосферних навантажень полягає у встановленні районних значень розрахункових параметрів та меж територіальних районів таким чином, щоб значення розрахункового параметра для кожної метеостанції найкраще відповідали встановленим районним значенням.

Просторова мінливість розрахункових параметрів атмосферних навантажень описується імовірнісною моделлю випадкового поля, математичне сподівання якого визначається шляхом згладжування ординат, а стандарт обчислюється в результаті статистичної обробки залишків від згладжування. Крок градації територіальних районів повинен бути по можливості невеликим, але таким, щоб в основному перекривати випадкові флуктуації даних деяких метеостанцій. Такий підхід дозволяє мінімізувати імовірності віднесення окремих метеостанцій до невідповідних районів. Запропонований метод територіального районування розрахункових параметрів атмосферних навантажень дозволяє встановити оптимальний крок градації, районні значення розрахункового параметра та географічні межі територіальних районів. При цьому враховуються точності оцінювання розрахункового параметра на кожній метеостанції та бажані запаси територіального районування.

Граничні розрахункові значення змінних навантажень є функціями строку служби конструкції, обчисленими за методикою, викладеною в розділі 3. Аналіз різних способів територіального районування цих залежностей показав, що найкраще виконувати територіальне районування граничного розрахункового навантаження, що відповідає деякому базовому строкові служби конструкції. Перехід до інших строків служби виконується за нормованою залежністю, осередненою в межах досліджуваної території. Найменші похибки територіального районування снігового та вітрового навантажень виникають при базовому строкові служби T = 40 років. За тим же принципом районуються залежності експлуатаційних розрахункових значень від частки строку служби, протягом якої вони можуть перевищуватися.

Розроблений метод територіального районування реалізований в програмі для персонального комп'ютера, яка забезпечує побудову карт районування за обчисленими значеннями розрахункових параметрів атмосферних навантажень.

П'ятий розділ присвячено статистичному дослідженню та нормуванню вітрового навантаження для території України. Розглядається статична складова вітрового навантаження на висоті 10 м над поверхнею землі, яка відповідає десятихвилинному інтервалові осереднення швидкості вітру. Для дослідження використані результати восьмистрокових спостережень, виконаних протягом 21 року на 195 метеостанціях України.

На прикладі даних 23 метеостанцій, розташованих в різних районах України, виконано порівняльний аналіз 12 можливих імовірнісних моделей вітрового навантаження, який дозволив узгодити їх параметри та співставити похибки оцінювання розрахункових значень. Для нормування вітрового навантаження доцільно використовувати модель диференційовного випадкового процесу швидкості вітру, яка дає найменші значення похибок. Розподіл ординати апроксимується законом Вейбулла з параметрами, визначеними в результаті статистичної обробки даних метеорологічних щомісячників. Ефективну частоту можна вважати однаковою для усіх українських метеостанцій: = 5,5 1/добу.

За даними тих же метеостанцій та методикою, розробленою в розділі 3, обчислені циклічні та квазіпостійні розрахункові значення вітрового навантаження. Аналіз показав, що середня складова вітрового навантаження не виявляє істотного впливу на витривалість і на повзучість конструкцій, а тому нормування циклічних та квазіпостійних розрахункових значень не має сенсу.

Граничні розрахункові значення вітрового навантаження обчислені за даними 195 метеостанцій з урахуванням необхідної забезпеченості та строків служби від 5 до 200 років. Вони змінюються в досить широких межах, приймаючи найбільші значення в районах Карпат, Криму та в Приазов'ї. Різка відмінність даних високогірних метеостанцій від суміжних районів спонукала до нормування вітрового навантаження для рівнинних місцевостей та окремого урахування висоти над рівнем моря.

Територіальне районування України за граничними розрахунковими значеннями вітрового навантаження з урахуванням встановленого строку служби конструкцій виконане методом, розробленим в розділі 4. Карта районування для базового строку служби = 40 років, наведена на рисунку 2, має 5 територільних районів з розрахунковими значеннями в межах від 300 до 800 Па. Користуючись картою та зображеною на рисунку 3 узагальненою для усієї території України залежністю від строку служби, граничні розрахункові значення середньої складової вітрового навантаження рекомендується обчислювати за формулою:

. (8)

Експлуатаційні розрахункові значення вітрового навантаження обчислені за даними тих же метеостанцій для широкого діапазону часток строку служби конструкцій, протягом яких вони можуть перевищуватися. Закономірності територіальної мінливості отриманих значень загалом близькі до граничних розрахункових навантажень.

Порівняння трьох способів територіального районування показало, що найбільш точним та зручним для використання є спосіб, аналогічний до районування граничних розрахункових навантажень. На рисунку 4 наведена карта територіального районування експлуатаційних розрахункових значень вітрового навантаження для базового значення частки строку служби = 0,01, на якій виділено 5 територіальних районів з районними значеннями від 60 Па до 150 Па.

Користуючись картою та зображеною на рисунку 5 узагальненою для території України залежністю експлуатаційних розрахункових значень від частки строку служби, протягом якої вони можуть перевищуватися, можна обчислювати експлуатаційні розрахункові значення вітрового навантаження за формулою:

. (9)

Розроблені карти територіального районування є досить детальними і в середньому по території України забезпечують незначне зменшення розрахункових значень вітрового навантаження порівняно з чинними СНиП 2.01.07-85. Разом з тим, у деяких районах Криму та Приазов'я розрахункові значення вітрового навантаження необхідно збільшити.

Аналіз залежностей граничного розрахункового значення вітрового навантаження від напрямку вітру показав, що урахування орієнтації будівель може дати значний економічний ефект при проектуванні несучих конструкцій. Отримані та в першому наближенні узагальнені для окремих регіонів України коефіцієнти напрямку вітру подекуди можуть знижувати вітрове навантаження майже в два рази .

З метою інформаційного забезпечення розрахунків надійності будівельних конструкцій виконане територіальне районування України за статистичними характеристиками імовірнісних моделей диференційовного випадкового процесу та послідовності місячних максимумів вітрового навантаження.

Шостий розділ містить результати статистичного дослідження та нормування снігового навантаження для території України. Вихідними даними є результати регулярних снігозйомок на 240 пунктах спостереження за період 16 - 40 років. Більше 80% українських метеостанцій розташовані на рівнинній місцевості, не захищеній від дії вітру. Оскільки саме такі географічні умови є характерними для України, розглядається вага снігового покриву на поверхні землі на відкритій рівнинній місцевості. Висоту над рівнем моря, більшу за 400 м, та захищеність площадки від дії вітру слід враховувати додатковими коефіцієнтами.

Виходячи з результатів порівняльного аналізу можливих імовірнісних моделей, граничні розрахункові значення снігового навантаження обчислені за послідовностями річних максимумів ваги снігового покриву з використанням робочих формул та забезпеченостей, отриманих в розділах 2 та 3. Карта територіального районування України за граничними розрахунковими значеннями снігового навантаження для базового строку служби 40 років подана на рисунку 6. На ній виділено шість територіальних районів з розрахунковими навантаженнями від 0,8 до 2,2 КПа. Залежність від строку служби має такий же вигляд, як і для вітрового навантаження, у зв'язку з чим граничні розрахункові значення снігового навантаження слід обчислювати за формулою (8), у якій Q0 - значення з карти 6.

Для обчислення експлуатаційних розрахункових значень снігового навантаження використані розподіли ненульових значень ваги снігового покриву, описані поліномо-експоненціальним законом розподілу. На рисунку 7 наведена карта територіального районування України за експлуатаційними розрахунковими значеннями снігового навантаження , які можуть перевищуватися протягом 1% строку служби будівельних конструкцій. Перехід до інших часток строку служби виконується за формулою

, (10)

у якій - значення з карти 7.

З розроблених карт видно, що для забезпечення достатнього рівня надійності несучих конструкцій розрахункові значення снігового навантаження необхідно збільшити порівняно зі СНиП 2.01.07-85 в 1,3 - 2,2 рази . Виконані в розділі 7 приклади розрахунку показують, що при невеликому збільшенні матеріаломісткості це приводить до кардинального зростання надійності несучих конструкцій покриттів.

Квазіпостійні розрахункові значення снігового навантаження обчислені для урахування повзучості бетону на основі методики, розробленої в розділі 3. У випадку квазістаціонарного диференційовного випадкового процесу снігового навантаження квазіпостійні розрахункові значення залежать від календарного моменту завантаження конструкції, а тому вони обчислені для невизначеного часу початку експлуатації. Розроблена карта територіального районування України за квазіпостійними розрахунковими значеннями снігового навантаження, на якій виділено шість районів з розрахунковими значеннями від 100 КПа до 600 КПа (рисунок 8). При необхідності можна перейти до квазіпостійного розрахункового значення, що відповідає найневигіднішому моменту початку експлуатації конструкції, за формулою:

. (11)

Дослідження довготривалої мінливості снігового навантаження виконане за даними 23 метеостанцій, для яких наявні досить довгі (більше 40 років) ряди спостережень. Багатосніжні зими, що періодично спостерігаються на півдні України, є досить рідким, але не надзвичайним явищем. Виявлена періодичність у зміні малосніжних та багатосніжних зим, яка відкриває можливість короткотермінового прогнозування граничних розрахункових значень снігового навантаження.

З метою інформаційного забезпечення розрахунків надійності будівельних конструкцій виконане територіальне районування України за основними статистичними характеристиками квазістаціонарного випадкового процесу снігового навантаження та послідовностями його річних максимумів.

У сьомому розділі розроблені імовірнісні моделі та методи нормування деяких природних та технологічних навантажень, розглянуті особливості нормування навантажень на об'єкти, що перебувають в експлуатації, а також виконані приклади розрахунків несучих конструкцій із застосуванням отриманих результатів нормування снігового та вітрового навантажень.

За даними метеостанції Чорнобиль обчислені граничні розрахункові значення снігового та вітрового навантаження для періодів повторюваності до 10000 років та експлуатаційні - для часток строку служби конструкцій, більших за 0.00001. Такі дані можуть використовуватися в розрахунках особливо відповідальних конструкцій.

Товщина шару ожеледі подана у вигляді імпульсного випадкового процесу, що дозволяє обчислювати її граничні розрахункові значення. На прикладі шести українських метеостанцій досліджені також густина ожеледі, температура повітря та швидкість вітру при ожеледі. Виявлені взаємні залежності параметрів ожеледного навантаження вказують на можливість уточнення розрахункового значення густини ожеледі та вітрового тиску під час ожеледі.

Зміни середньодобової температури повітря описані імовірнісною моделлю квазістаціонарного диференційовного випадкового процесу з річним періодом нестаціонарності. Температура конструкції є випадковим процесом, отриманим у результаті поточного згладжування температури повітря на інтервалі, що залежить від теплової інерції конструкції. Шляхом інтегрування випадкового процесу температури повітря розроблена практична методика обчислення розрахункових значень температурних впливів на несучі конструкції. Виконані дослідження дозволяють пронормувати температурні впливи на несучі конструкції з урахуванням їх теплової інерції, строку служби та географічного положення.

Статистичний аналіз технологічних температур сталевих конструкцій цехів з надлишковими виділеннями тепла дозволив представити їх у формі нормальних стаціонарних випадкових процесів, що забезпечує обчислення граничних, експлуатаційних та циклічних розрахункових значень. З використанням експериментальних даних Ю.О.Ананьїна встановлено, що розрахункові температури можуть перевищувати 200С і виявляти значний вплив на роботу несучих будівельних конструкцій. На окремих прикладах проаналізовані закономірності зміни технологічних температур конструкцій по висоті та по довжині цеху.

Вертикальні навантаження від мостових кранів досліджені з використанням опублікованих результатів експериментально-статистичних досліджень Б.М.Кошутіна та Ю.С.Куніна. Подання вертикальних навантажень у формі нормальних стаціонарних випадкових процесів дозволило обчислити граничні, експлуатаційні та циклічні розрахункові значення. З метою узагальнення результатів досліджувані крани згруповані за технологічними ознаками цехів, у яких вони використовуться. Отримані оцінки частот циклічних навантажень (частота наскрізних проїздів вздовж підкранової конструкції в межах від 250 до 1950 1/добу), необхідні для розрахунків підкранових конструкцій на втомлюваність.

Постійне навантаження від маси конструкцій можна нормувати двома способами: відповідно до діючих СНиП 2.01.07-85, а також шляхом роздільного встановлення експлуатаційних і граничних розрахункових значень розмірів конструкцій та густини будівельних матеріалів. Встановлені залежності забезпеченостей розмірів і густини від коефіцієнтів варіації цих характеристик. При нормуванні постійного навантаження слід враховувати зволоження ізолюючих шарів внаслідок проникнення пари з середини будівлі, яке неминуче виникає в стаціонарному режимі експлуатації. Випадок повного насичення водою при порушенні щільності гідроізоляції доцільно вважати аварійним навантаженням.

Подання просторової мінливості постійного навантаження у формі випадкового поля дозволило встановити залежність граничного розрахункового значення від розмірів вантажної поверхні несучої конструкції. На реальних даних, отриманих при натурних обстеженнях покрівель, показано, що за рахунок осереднення по вантажній поверхні розрахункове значення рівномірно розподіленого постійного навантаження на крокв'яну ферму може бути на 10% - 20% меншим від навантаження на плиту покриття.

Розроблені імовірнісні моделі та методи аналізу застосовані також для орієнтовного прогнозування вітроенергетичних ресурсів України. Розглядаючи потужність вітроенергетичного агрегата як випадковий процес, отриманий через процес швидкості вітру та енергетичну характеристику вітроагрегата, розроблена методика визначення гарантованої продуктивності вітроагрегата. Як приклад, збудована карта територіального районування України за річною продуктивністю вітроенергетичного агрегата 56-100 фірми Windpower, які вже працюють в Україні.

Методика використання запропонованих нормативів вітрового та снігового навантажень показана на прикладах розрахунку сталевої балки покриття та колони каркаса складської будівлі. Отримані поперечні перерізи балки та колони порівнювалися з перерізами, запроектованими на навантаження згідно зі СНиП 2.01.07-85. Імовірність безвідмовної роботи балки покриття при строкові служби 60 років збільшується з 0,89 при проектуванні за СНиП до 0,995 при проектуванні на рекомендовані в розділах 5 та 6 розрахункові значення атмосферних навантажень. Отже, запропоноване в роботі збільшення снігового навантаження при порівняно незначному (на 8%) зростанні матеріаломісткості каркаса гарантує принципове підвищення надійності несучих конструкцій, а тому є цілком оправданим і необхідним.

ВИСНОВКИ ЗА РЕЗУЛЬТАТАМИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Результати дисертаційного дослідження свідчать про вирішення крупної науково-технічної проблеми: розробки загальної методології нормування навантажень на будівельні конструкції та нормування снігового і вітрового навантажень для території України. Таким чином, поставлену мету роботи можна вважати досягнутою. Аналіз отриманих результатів дозволяє зробити наступні висновки:

1. Чинні норми проектування не забезпечують достатньо точного регулювання надійності та урахування строку служби при розрахунках несучих будівельних конструкцій, а імовірнісні методи розрахунку не можуть безпосередньо використовуватися для проектування масових конструкцій внаслідок складності розрахункової процедури та відсутності необхідного інформаційного забезпечення.

2. Нормування навантажень за методикою, покладеною в основу СНиП 2.01.07-85, приводить до значного заниження граничних розрахункових значень снігового навантаження, що може стати однією з причин аварій покриттів у південних районах України. Територіальне районування СНиП недостатньо детальне та приводить до заниження розрахункових значень атмосферних навантажень майже для половини метеостанцій.

3. Проектування несучих будівельних конструкцій з урахуванням встановленого строку служби та заданої імовірності безвідмовної роботи можна вести з використанням запропонованої модифікації методу граничних станів, у якій розрахункові значення навантажень нормуються, виходячи з заданої імовірності їх неперевищення (забезпеченості) протягом встановленого строку служби, а необхідний рівень надійності конструктивного елемента регулюється коефіцієнтом відповідальності. Визначені забезпеченості розрахункових навантажень, які відповідають мінімально необхідному рівню надійності елементів несучих конструкцій.

4. Для нормування переважної більшості навантажень та впливів на будівельні конструкції доцільно використовувати імовірнісні моделі розподілу результатів поточних вимірювань, послідовності максимальних значень навантаження за характерні проміжки часу, імпульсного та диференційовного випадкових процесів. Відповідно до запропонованої класифікації навантажень та їх розрахункових значень, розроблені методи визначення параметрів вказаних моделей та отримані робочі формули для обчислення граничних, експлуатаційних, циклічних та квазіпостійних розрахункових значень змінних навантажень.

5. Розрахункові значення навантажень, обчислені з використанням скінченого обсягу статистичних даних, можуть мати методичні, систематичні та випадкові похибки. Розроблені методи оцінювання цих похибок і запропонована характеристика точності, яка дозволяє визначити випадкову похибку та довірчі межі для розрахункового значення, обчисленого за обраною імовірнісною моделлю та певним обсягом статистичних даних.

6. Розроблено метод територіального районування розрахункових параметрів атмосферних навантажень з урахуванням строку служби конструкцій (чи його частки для експлуатаційних значень) та випадкових похибок вихідних даних.

7. За даними близько 200 метеостанцій України сформовано банк метеорологічних даних, який містить інформацію про виміряну анеморумбомірами 10-хвилинну середню швидкість вітру та визначену у процесі снігозйомок вагу снігового покриву на поверхні землі. Проаналізовано вплив особливостей метеорологічних спостережень на результати нормування атмосферних навантажень.

8. Шляхом порівняльного аналізу вибрані оптимальні імовірнісні моделі для нормування атмосферних навантажень:

диференційовний випадковий процес швидкості вітру - для обчислення усіх розрахункових значень вітрового навантаження;

послідовність річних максимумів ваги снігового покриву - для обчислення граничних розрахункових значень снігового навантаження;

квазістаціонарний диференційовний випадковий процес - для обчислення експлуатаційних та квазіпостійних розрахункових значень снігового навантаження.

9. За вказаними імовірнісними моделями обчислені та районовані по території України розрахункові значення снігового і вітрового навантажень. Розроблені карти територіального районування дозволяють визначати розрахункові значення навантажень:

граничні - для заданого географічного району та строку служби конструкції;

експлуатаційні - для заданого географічного району та частки строку служби, протягом якої воно може перевищуватися;

квазіпостійні - для заданого географічного району.

Порівняння з відповідними даними СНиП 2.01.07-85 показало, що у середньому по території України вітрове навантаження майже не змінюється. Для забезпечення достатнього рівня надійності несучих конструкцій покриттів граничні розрахункові значення снігового навантаження необхідно збільшити порівняно зі СНиП у середньому в два рази.

10. Розроблені карти територіального районування України за основними імовірнісними характеристиками снігового та вітрового навантажень, які можуть бути використані в розрахунках надійності несучих будівельних конструкцій.

11. Виконане нормування снігового та вітрового навантажень за даними метеостанції Чорнобиль для великих періодів повторюваності, що відповідають вимогам до особливо відповідальних конструкцій Запропоновані та обгрунтовані на окремих прикладах імовірнісні моделі, які забезпечують нормування навантажень від ожеледі та температурних впливів. Розглянуті особливості нормування навантажень від мостових кранів та від маси будівельних конструкцій.

12. На прикладі проектування каркаса складської будівлі показано, що запропоноване в роботі збільшення розрахункових значень снігового навантаження забезпечує доведення надійності несучих конструкцій покриттів до мінімально необхідного рівня при порівняно невеликих додаткових витратах сталі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Монографія:

1. Пашинський В.А. Атмосферні навантаження на будівельні конструкції на території України.- К.: УкрНДІпроектстальконструкція, 1999.- 185 с.

Брошури:

2. Пособие по проектированию усиления стальных конструкций (К СНиП 11-23-81).- М.: Стройиздат, 1989.- 159 с.

3. ДБН 362-93. Оцінка технічного стану сталевих конструкцій виробничих будівель і споруд, що знаходяться в експлуатації / Держбуд України.- К.: Укрархбудінформ, 1995.- 46 с.

4. ДБН В.1.2-...-97. Система забезпечення надійності та безпеки будівельних об'єктів. Загальні принципи забезпечення надійності і безпеки будівель, споруд, будівельних конструкцій та основ. (Проект).- К.: УкрНДІПСК, 1997.- 57 с.

...