Методи нормування тимчасових навантажень та оцінювання надійності будівельних конструкцій за умов неповної інформації

1. Встановлено параметри мінливості постійного навантаження на конструкції покриття для оцінювання їх надійності.

2. Досліджено властивості снігового навантаження на будівельні конструкції за останні 10 років в Українських Карпатах та, починаючи з 1933 року до 1996 року, для усієї України. Отримано закономірності та залежності властивостей снігового покриву від висоти над рівнем моря, експозиції схилу, від швидкості вітру в регіоні та ступеня захищеності снігомірного майданчика від дії вітру.

3. Одержані закономірності характеристик снігового та вітрового навантажень в Україні придатні як для традиційних розрахунків надійності, детермінованих розрахунків міцності та деформативності, так і для розрахунків інтервальними методами. Досліджено вплив кореляції між атмосферними навантаженнями (сніг, вітер) на коефіцієнт їх сполучення.

4. Показано переваги районування території над відокремленим поданням даних для окремого пункту спостережень, виконана робота з алгоритмізації географічного районування території для навантажень від впливу довкілля.

5. В результаті проведених досліджень реалізовано новий підхід до оцінювання надійності будівельних конструкцій за умови недостатньої обізнаності з параметрами мінливості фізико-механічних властивостей та геометричних розмірів будівельних конструкцій, зовнішнього навантаження та неточностей, пов'язаних з вимірюваннями та розрахунковими схемами.

6. Досліджено закономірності розподілів та їх характеристик для фізико-механічних параметрів виробів із залізобетону, різних класів бетонів та арматури, властивостей арматурних канатів.

7. На відміну від існуючих методів оцінювання надійності, що вимагають точного знання розподілів та їх параметрів, для визначення надійності при недостатній кількості вхідних даних запропоновано використовувати математичний апарат інтервального аналізу, що оперує не з розподілами величин, а лише з інтервалами або гістограмами, в межах яких ці величини розміщені. Методи, основані на математичному апараті інтервального аналізу, поєднуючи простоту реалізації та обґрунтованість, виглядають доцільнішими для проведення інженерного оцінювання надійності будівельних конструкцій. Показана перспективність застосування методів інтервального аналізу в розрахунках надійності будівельних конструкцій з гарантованою точністю.

8. Створено два підходи до оцінювання надійності конструкцій, обчисленої методами інтервального аналізу:

- на основі традиційної інтегральної формули розрахунку надійності, у припущенні рівномірного розподілу всередині інтервалів отримують оцінку забезпеченості конструкції у відсотках;

- на основі введеного інтервального коефіцієнта запасу одержують оцінку надійності конструкції чи її елемента, якщо інтервали міцності і навантаження не перетинаються між собою.

9. Введення поняття гістограмних коефіцієнтів запасу дає можливість проводити обернені розрахунки, попередньо задаючись забезпеченістю та мінливістю параметрів, знаходити допуски на виготовлення тих чи інших елементів, при яких їх надійність буде гарантовано забезпечена.

Порівняння результатів, одержаних ММК та інтервальними методами розв'язання СЛАР, дають задовільні результати, що дає змогу використовувати інтервальні методи для орієнтовних оцінок коливань параметрів при обмежених знаннях про геометричні і фізико-механічні властивості будівельної конструкції.

10. Розроблено розрахунок рам каркасу багатоповерхового будинку з неосьовою схемою ригелів, що підтверджує невідповідність традиційних розрахункових схем реальній роботі конструкцій. Спостережений резерв міцності може бути описаний не тільки виключно за рахунок розпору у вузлах, тому надалі можна рекомендувати користуватись класичними підходами до розрахунків, проте для підвищення їх точності з одночасним урахуванням реальної мінливості параметрів конструкційних матеріалів.

11. Урахування напрямку вітру для будівель та споруд, для яких це має вирішальне значення, може бути небезпечним або малоефективним. Тому під час проектування доцільно розраховувати споруди на однакове максимальне вітрове навантаження з усіх боків. У цьому випадку вишукувальні вимірювання спрощуються, оскільки достатньо використання лише давачів швидкості вітру, без урахування напрямку.

Список опублікованих праць

1. Кінаш Р. І., Бурнаєв О. М. Снігове навантаження в Україні. Львів: ВНТЛ, 1997. - 848 с.

2. Кінаш Р. І., Бурнаєв О. М. Вітрове навантаження і вітроенергетичні ресурси в Україні. Львів: ВНТЛ, 1998. - 1152 с.

3. Мурашко Л.А., Кінаш Р.І., Левчич В.В. Розрахунок міцності залізобетонних згинаних елементів за закордонними нормами. Львів: вид-во Державного університету ”ЛП”, 1999. - 236 с.

4. Кінаш Р.І., Бурнаєв О.М., Федик 1.3. Параметри мінливості снігового навантаження на ґрунт в Україні для інженерних розрахунків, К.: Держкомгідромет України, 1998. - 37 с.

5. Кінаш Р. І., Бурнаєв О. М., Шкоропад М. М. Проблеми районування території України за сніговим навантаженням для статистичних розрахунків надійності будівельних конструкцій. //Вісник Держ. ун-ту ”ЛП” “Теорія і практика будівництва” N 300. ДУ “ЛП” - 1996. - C.14-18.

6. Тимощук М.С., Кінаш Р.І. Статистичні дослідження розкриття тріщин попередньо напружених ферм покриття / Вісник Держ. ун-ту "ЛП". "Теорія і практика будівництва" N 335, Львів, ДУЛП, 1997. - С.175-181.

7. Кінаш Р.І., Бурнаєв О.М. Стихійні гідрометеорологічні явища в Україні. - Львів: Видавництво науково-технічної літератури, 2000. - 192 с.

8. Кінаш Р.І. Розрахунок надійності нормальних перерізів звичайних згинальних залізобетонних елементів/ Збірник наукових статей “Проблеми теорії і практики будівництва”. Том I. Львів, ДУЛП, 1997. - C. 91-96.

9. Кінаш Р.І., Гладишев Г.М., Гладишев Д.Г. Розрахунок рами каркасу багатоповерхового будинку з неосьовою схемою ригелів / Збірник наукових статей “Проблеми теорії і практики будівництва”. Том IV. Львів, ДУЛП, 1997. - C. 15-22.

10. Кінаш Р. І. Проблеми розрахунку надійності будівельних конструкцій/ Зб. наукових статей “Проблеми теорії і практики залізобетону”. Полтава, Полтавський ДТУ, 1997. - С.215-218.

11. Кінаш Р.І., Гладишев Г.М., Гладишев Д.Г. Вплив відношень погонних жорсткостей колон та ригелів в однопрогонних одноповерхових залізобетонних рамах на перерозподіл розрахункових зусиль / Зб. наукових праць, вип. 50, Київ, НДІБК, 1999. - С.101-106.

12. Кінаш Р.І. Статистичні дослідження міцнісних характеристик зварних з'єднань арматури і зварних виробів / Зб. наукових статей "Сталебетонні конструкції". Кривий Ріг, 1998. - С.88-92.

13. Кінаш Р.І., Федик І.З.Оцінка надійності залізобетонних конструкцій покриття / Вісник Держ. ун-ту "ЛП". "Теорія і практика будівництва" N 360, Львів, ДУЛП, 1998. - С. 90-97.

14. Кинаш Р.И. Расчет надежности строительных конструкций нестатистическими методами / Сб. научных трудов “Ползучесть в конструкциях”, Одесса, ОДАБА, 1998. - С.64-68.

15. Кінаш Р.І., Бурнаєв О.М., Гладишев Д.Г. Статистичні дослідження геометричних розмірів залізобетонних колон / Зб. наукових праць, вип. 2, Рівне, РДТУ, 1999. - С.95-101.

16. Кінаш Р.І., Бурнаєв О.М. Параметри для оцінки вітроенергетичного потенціалу /Вісник ДДАБА, вип. 99-2(16), Макіївка, 1999. - С. 155-158.

17. Кінаш Р.І. Зворотна задача надійності будівельних конструкцій в інтервальній постановці / Зб. наукових праць, вип. 3, Рівне, РДТУ, 1999. - С.150-154.

18. Кінаш Р.І., Бурнаєв О.М. Урахування напрямку вітру для оптимізації міцності конструкції /Вісник ДДАБА, вип. 99-3(17), Макіївка, 1999. - С. 85-93.

19. Кінаш Р.І. Порівняння класичного поняття надійності та гістограмного коефіцієнта запасу /Вісник ДДАБА, вип. 2000-1(21), Макіївка, 2000. - С.162-167.

20. Кінаш Р.І., Бурнаєв О.М. Вплив кореляції між атмосферними навантаженнями на коефіцієнт їх сполучення /Вісник ДДАБА, вип. 99-6(20), том.2, Макіївка, 1999. - С.35-43.

21. Кінаш Р.І. Оцінка надійності залізобетонних конструкцій/ Зб. наукових праць, вип. 51, Київ, НДІБК, 1999. - С.180-187.

22. Кінаш Р.І., Гладишев Д.Г. Гладишев Г.М. Методика випробування залізобетонних балок з моделюванням пружних горизонтальних переміщень опор в рамних системах / Вісник Львівського державного аграрного університету "Архітектура і сільськогосподарське будівництво" №1, Львів, ЛДАУ, 2000. - с.142-147.

23. Кочетков Ю.І., Кінаш Р.І. Дослідження фізико-механічних властивостей високоміцного бетону на особливо швидкотвердіючому цементі / Вісник Держ. ун-ту "ЛП" "Теорія і практика будівництва" N 409, 2000.-с. 90-97.

24. Кінаш Р.І. Надійність розрахункових формул оцінки визначальних параметрів залізобетонних плит / Зб. наукових праць “Галузеве машинобудування, будівництво, вип.6, ч.2, Полтава, ПДТУ, 2000. - С.56-60.

25. Кінаш Р.І. Розрахунок форми опорної площадки заданої забезпеченості залізобетонної колони із статистично представленими параметрами // Бетон и железобетон в Украине, № 2, Полтава, 2000. - С.3-6.

26. Кінаш Р.І., Шульчик І.В. Оцінка надійності залізобетонних ферм покриття на основі обмеженої кількості експериментальних даних /Вісник ДДАБА, вип. 2001-1(26), Макіївка, 2001. - С.110-115.

27. Кінаш Р.І., Гладишев Д.Г. Результати експериментальних досліджень залізобетонних балок з моделюванням пружних горизонтальних переміщень опор в рамних системах / Зб. наукових праць, вип.5, Рівне, РДТУ, 2000. - С.170-178.

28. Кінаш Р.І. Застосування R-функцій до формалізації побудови області неруйнування складних конструкцій / Зб. наукових праць “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій” вип.4, Львів, Каменяр, 2000. - С.447-454.

29. Kinash R. Inspection of the Built-up Reinforced Concrete on Reconstruction /Proceeding of 4-th International Conference on Inspection, Appraisal, Repairs & Maintenance of Buildings & Structures, Singapore, Hong Kong. 1995.- p. 107-110.

30. Барашиков А.Я., Кінаш Р. І., Бурнаєв О. М. Надійність залізобетонних конструкцій покриттів в регіоні Українських Карпат з урахуванням мінливості їх міцності та навантаження. //Збірник тез Першої Всеукраїнської науково-технічної конференції “Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону”. Київ, 1996. - C.50-51.

31. Kinash R. The failure cause analisia for reinforced concrete precast roofing slabs /Proceeding сonference naukovo-technikal “Awarie Budowlane'97". Miedzyzdroja-Szczecin, Poland 1997. - s.303-308.

32. Kinash R. Investigation of Initial Parameters for Calculating the Reliability of Products of Reinforced Concrete. / Proceedings the Sixth International Scientific Conference, Kosice. Slovakia. 1997.- р.134-139.

33. Kinash R. Creating software for reliability calculation of reinforced concrete structures // Proceedings of the XIIIth FIP Congress on Challenges for Concrete in the Next Millennium. Amsterdam, Netherlands, 1998. - p.823-827.

34. Kінaш P.І. Застосування інтервального коефіцієнта запасу мiцнocтi для оцінки надійності // Матеріали до 37-го Міжнародного семінару з моделювання і оптимізації композитів моделювання в матеріаловеденні.- Одеса: Астро, 1998.-с.153-154.

35. Гладышев Г.М., Кинаш Р.И., Гладышев Д.Г. Исследование работы многопролётной многоэтажной рамы с "неосевой" схемой ригелей для определения резервов несущей способности ригелей / Материалы ІІ Белорусского конгресса по теоретической и прикладной механике "Механика -99". Минск, 1999. - с. 146-152.

36. Kinash R. Application of interval and histogram methods to the task of reliability of building structures / Proceedings of the 14th FIP Congress, Praha, vol.2, 1999, p.535-536.

Анотація

Кінаш Р.І. Методи нормування тимчасових навантажень та оцінювання надійності будівельних конструкцій за умов неповної інформації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2001.

Статистично описані основні закономірності постійного, снігового та вітрового навантажень, мінливість міцнісних та деформативних характеристик бетону і арматури, геометричних розмірів, які визначають надійність залізобетонних конструкцій. Вперше розроблено метод районування за скалярною характеристикою, вільний від суб'єктивного впливу дослідника. Виявлено вплив кореляції між атмосферними навантаженнями на коефіцієнт їх сполучення. Запропоновано загальні інтервальний та гістограмний методи оцінювання надійності будівельних конструкцій при обмеженій кількості вхідних даних, розроблений препроцесор для обчислень з інтервальним та гістограмним представленням змінних, який дозволяє отримати результати з рівнем точності, співвимірним з рівнем точності вхідних даних, без жодних надлишкових операцій, як це має місце у методі Монте-Карло; методику встановлення інтервального та гістограмного коефіцієнта надійності будівельних конструкцій на основі обмеженої інформації про навантаження та несучу здатність конструкції.

Наведена методика розв'язання оберненої задачі надійності будівельних конструкцій в інтервальному формулюванні. Показана можливість розв'язання оберненої задачі надійності. Розв'язана у інтервальному формулюванні задача знаходження допуску, який гарантовано забезпечує наперед заданий рівень надійності.

Запропоновано методику розрахунку рам каркасу багатоповерхового будинку з неосьовою схемою ригелів, що підтверджує невідповідність традиційних розрахункових схем реальній роботі конструкцій.

Ключові слова: надійність, інтервальні методи, залізобетонні конструкції, тимчасові навантаження, коефіцієнт сполучення, гістограмний коефіцієнт надійності, розрахунок рам.

Аннотация

Кинаш Р.И. Методы нормирования временных нагрузок и оценки надежности строительных конструкций при неполной информации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2001.

Содержание диссертации. Во введении обоснованы актуальность, научная новизна и практическая значимость работы, дана ее общая характеристика.

В разделе 1 приведен обзор используемых литературных источников, рассмотрены состояние и перспективы развития методов нормирования временных нагрузок и оценки надежности строительных конструкций.

В разделе 2 статистически описаны основные закономерности постоянной, снеговой и ветровой нагрузок. Впервые разработан метод районирования по скалярной характеристике, свободный от субъективного влияния исследователя. Введено понятие и построена матрица принадлежности, что связывает статистически родственные пункты наблюдений независимо от их географического расположения. Получены зависимости для определения снеговой нагрузки в горных районах Украинских Карпат от высоты пункта наблюдения. Установлено влияние закрытости пункта наблюдения от действия ветра на величину снеговой нагрузки на грунт.

Предложены параметры распределений постоянной, снеговой и ветровой нагрузок для оценки надежности строительных конструкций. Выявлено влияние корреляции между атмосферными нагрузками на коэффициент их сочетания.

В разделе 3 исследованы изменчивость прочностных и деформативных характеристик бетона и арматуры, геометрических размеров типовых железобетонных конструкций, которые определяют их надежность.

Выполненный анализ характера трещинообразования в железобетонных фермах покрытия показывает, что оно имеет вероятностную природу и большой разброс значений от среднего.

Полученные данные статистических исследований показали явную их недостаточность для установления параметров распределений и поэтому они использованы в дальнейшем для оценки надежности железобетонных конструкций интервальными методами.

В разделе 4 предложены общие интервальный и гистограммный методы оценки надежности строительных конструкций при ограниченном количестве исходных данных, разработан препроцессор для расчетов с интервальным и гистограммным представлением переменных, что позволяет получить результаты с уровнем точности, соизмеримым с уровнем точности исходных данных, без избыточных операций, как это имеет место в методе Монте-Карло; методику получения интервального и гистограммного коэффициента надежности строительных конструкций на основе ограниченной информации о нагрузке и несущей способности конструкции.

В разделе 5 выполнена оценка надежности несущих железобетонных конструкций с учетом изменчивости нагрузки, геометрических размеров и прочностных характеристик бетона и арматуры.

Приведена методика решения обратной задачи надежности строительных конструкций в интервальной постановке. На примере показано решение обратной задачи надежности. Решена в интервальной постановке задача нахождения допуска, который гарантировано обеспечивает наперед заданный уровень надежности. Проведена оценка надежности железобетонных ферм покрытия на основе ограниченного количества экспериментальных данных с использованием результатов исследований изменчивости временных нагрузок, прочности материалов и их геометрических размеров.

В разделе 6 с использованием аппарата R-функций разработан подход к формализации (с целью машинного использования) построения области предельных состояний сложных конструкций на основе произвольных критериев (силовых, деформационных и т. п.) их несущей способности. Показано, что область предельных состояний не является выпуклой, что позволяет при конструировании "обходить" критические состояния, выбирая оптимальные пути нагружения конструкции.

Предложен расчет железобетонных рам каркасов многоэтажных зданий с “неосевой схемой” работы ригелей, что дает возможность реальнее оценить их фактическую работу и надежность в сравнении с традиционными методами.

Исследован учет направления ветра для зданий и сооружений, для которых это имеет решающее значение и может быть опасным или малоэффективным. Поэтому во время проектирования целесообразно принимать в расчетах сооружений одинаковую максимальную ветровую погрузку со всех сторон.

В выводах приведены полученные в работе результаты, отражающие научную новизну и решение научно-технической проблемы.

Осуществлено внедрение разработанных автором методов нормирования временных нагрузок и оценки надежности строительных конструкций в разработке Государственных строительных норм по нагрузкам и воздействиям, а также ДБН В.1.2 - 97 “Общие принципы обеспечения надежности и безопасности зданий, сооружений, строительных конструкций и оснований”. Внедрение также осуществлено в проектных институтах Львова и при оценке технического состояния ряда эксплуатируемых объектов Западного региона Украины.

Ключевые слова: надежность, интервальные методы, железобетонные конструкции, временные нагрузки, коэффициент сочетания, гистограммный коэффициент надежности, расчет рам.

Аbstract

Kinash R.I. Methods of standardisation of temporary loads and estimation of building structures reliability with scarce information availability.

Thesis for obtaining the scientific degree of the Doctor of Technical Sciences in specialty 05.23.01 - Building Constructions, Buildings and Structures. Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv, 2001.

The major peculiarities of permanent, snow and wind loads, variability of strength and strain characteristics of concrete and fixture, geometric dimensions that determine the reliability of reinforced concrete structures are statistically described. The method of creating regions according to scalar characteristics has been developed, the method being free from subjective contribution of the researcher. The effect the correlation between atmospheric loads has on the coefficient of their combination has been discovered. General interval and histogram methods of building structures reliability evaluation with scarce entrance data are proposed; a pre-processor for calculation with interval and histogram representation of variables which allows to obtain outcomes with the level of precision correlated with the level of precision of the basic data without any redundant operations that are necessary when using a Monte-Carlo method has been developed; a methodology of establishing interval and histogram reliability coefficient of building structures on the basis of scarce information about loads and carrying capabilities of the structures is presented.

The methodology of solution of the reverse task of building structures reliability in the interval setting is presented. The possibility of solution of the reliability reverse task is shown. The task of tolerance determination has been solved in the interval setting, the tolerance ensuring the pre-set level of reliability.

The methodology of calculation of separate frames in a framework of a multi-storey building with a non-axial slabs arrangement is offered, it confirming the existing inadequacy of traditional calculation schemes to real performance of structures.

Key words: reliability, interval methods, reinforced concrete structures, temporary loads, a factor of combination, a histogram reliability coefficient, frames calculation.

Размещено на Allbest.ru