Повышение надежности конструкций зданий и сооружений в условиях экстремальных атмосферных нагрузок и воздействий Севера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Повышение надежности конструкций зданий и сооружений в условиях экстремальных атмосферных нагрузок и воздействий Севера

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В Стратегии национальной безопасности Российской Федерации до 2020 года одним из путей обеспечения безопасности в чрезвычайных ситуациях указано совершенствование и развитие единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера (в том числе территориальных и функциональных сегментов). Анализ аварий металлоконструкций зданий и сооружений, произошедших на территории Северо-Востока России, показывает, что основное количество аварий приходится на несущие конструкции покрытия в виде стальных стропильных ферм и арочные конструкции. Причинами, вызвавшими обрушение стальных стропильных ферм, явились: неучтенные снеговые и снеголедовые накопления, ошибки при проектировании, наличие значительного количества разного рода дефектов и повреждений, некачественное выполнение монтажных узлов, возникновение местных нагрузок, скопление производственной пыли на покрытии, неравномерные осадки фундаментов. Анализ обрушений покрытий сводчатого типа показывает, что основные причины аварий арочных конструкций обусловлены превышением снеговой нагрузкой в некоторых районах нормативных значений, несовпадением фактического распределения снеговой нагрузки с регламентированными схемами нагружения, ошибками при проектировании, низким качеством изготовления металлических арок.

Обобщение материалов аварий и результатов натурных обследований показывает, что для обеспечения надежности рассматриваемых в работе металлических конструкций (стальных ферм и арок) в условиях Севера, первостепенное значение имеет необходимость научно-обоснованной формулировки нормативных требований к снеговой и ветровой нагрузкам. Стремление к унификации в отечественных нормах приводит к тому, что при нормировании снеговых нагрузок в один снеговой район включены территории с весьма большим разбросом снеговых нагрузок вследствие градации интервальных параметров. Согласно метеоданным в некоторых районах Якутии годовые снеговые максимумы превышают расчетные значения веса снегового покрова на земле по строительным нормам в 1,5-2 раза. В отечественных и зарубежных нормах снос снега с покрытия здания определяются весьма приблизительно, а понижающий коэффициент не учитывает климатические условия эксплуатации зданий.

В действующих нормах СНиП 2.01.07-85^* использована карта районирования по давлению ветра, составленная почти 50 лет назад. Значительная часть территорий отнесена к малоизученным районам и значения скоростей ветра не представлены. Применение единого значения коэффициента надежности по ветровой нагрузке при переходе от нормативных к их расчетным значениям не позволяет учитывать разброс переменных значений коэффициентов вариаций годовых максимумов, что в итоге приводит к неравной надежности проектируемых конструкций.

В условиях повышения со стороны государства требований к энергоэффективности исключительно остро стоит проблема сокращения потерь тепловой энергии через ограждающие конструкции зданий и сооружений, что особенно актуальна для условий Северо-Востока России. В последнее время большинство жилых и общественных зданий с несущим железобетонным каркасом для северных регионов проектируются и строятся с применением различных теплоизоляционных материалов, в том числе с вентилируемыми фасадными системами (ВФС). Многие из них не адаптированы для экстремальных условий и не учитывают особенности Севера. В результате они обладают низкой эксплуатационной надежностью и долговечностью.

Материалы многолетних натурных обследований промышленных зданий с металлическим каркасом, жилых и общественных зданий на северных территориях страны и отмеченные обстоятельства требуют повышения надежности стальных конструкций покрытий и ограждающих конструкций зданий с учетом региональных особенностей, атмосферных нагрузок и воздействий.

Исходя из актуальности проблемы исследования и из предпосылок, изложенных выше, цель работы заключается в комплексном решении и развитии научной и практической проблемы повышения надежности металлических покрытий и ограждающих конструкций зданий в условиях Севера и разработке нормативных требований к проектированию конструкций.

Для достижения намеченной цели в диссертации определены следующие задачи:

1. Оценить эксплуатационную надежность несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений на основе комплексного анализа особенностей природно-климатических условий эксплуатации, режима нагруженности и причин аварий металлоконструкций зданий и сооружений, результатов натурных обследований их технического состояния.

2. Провести вероятностную оценку данных об общих искривлениях стержней ферм, экспериментальные исследования устойчивости сжатых искривленных стержней в системе элементов фермы, разработать методику расчета элементов ферм на устойчивость с учетом реальной жесткости узлов.

3. Выполнить факторный анализ атмосферных нагрузок и воздействий на конструкции покрытия в условиях Севера, разработать методику обработки статистических данных по снеговым и ветровым нагрузкам, провести районирование территории Якутии по расчетному значению веса снегового покрова на земле и расчетному давлению ветра.

4. Научно обосновать нормативные требования к снеговой нагрузке для различных схем покрытий зданий, разработать методику учета совместного действия снеговых и ветровых нагрузок.

5. Оценить эксплуатационную надежность вентилируемых фасадных систем зданий на основе данных натурных обследований и экспериментальных исследований.

6. Разработать рекомендации по нормированию снеговых и ветровых нагрузок на конструкции зданий и сооружений, формированию требований к надежности металлических конструкций покрытия, повышению эксплуатационной надежности вентилируемых фасадных систем.

Научная новизна работы заключается в решении вопросов повышения надежности металлических конструкций покрытий и ограждающих конструкций зданий в условиях Севера и разработке нормативных требований к проектированию конструкций. При этом получены следующие основные научные результаты:

· Разработана методика определения расчетных длин сжатых элементов решетки ферм с учетом габаритов фасонок, выявлен запас несущей способности элементов решетки ферм с исходными искривлениями и определены предельные значения допустимых погибов.

· Предложена методика нормирования снеговых нагрузок, основанная на непосредственной аппроксимации опытных данных годовых максимумов веса снегового покрова земли и методика экстраполяции данных хвостовой части распределений максимумов снеговых нагрузок при малой выборке данных.

· Проведено районирование территории Якутии по расчетным значениям веса снегового покрова на земле, ветрового давления и средней скорости ветра за зимний период.

· Предложена методика определения на вероятностной основе коэффициента сочетания снеговых и ветровых нагрузок, получены коэффициенты сочетаний для отдельных районов Якутии.

· Проведена оценка эксплуатационной надежности вентилируемых фасадных систем зданий на основе анализа их фактического состояния в период эксплуатации, результатов натурного эксперимента на реальной конструкции.

Практическая значимость определяется тем, что в результате предложенных методов и проведенных исследований было достигнуто следующее:

· при проектировании конструкций покрытий рекомендованы конструктивные схемы, снижающие влияние осадок фундаментов, выявлен запас устойчивости деформированных сжатых элементов решетки стальных ферм, предложена методика учета жесткости узлов в стальных фермах из уголков;

· разработана методика статистической обработки данных по снеговым и ветровым нагрузкам;

· проведено районирование территории Северо-Востока России по снеговым и ветровым нагрузкам, разработаны расчетные схемы снеговых нагрузок на покрытиях различного очертания с учетом специфических климатических условий эксплуатации;

· разработаны конструктивные мероприятия по повышению эксплуатационной надежности вентилируемых фасадных систем зданий.

Результаты исследований учтены при составлении следующих документов:

- Территориальных норм и правил РС(Я) ТСН 20-301-97 «Нагрузки и воздействия. Снеговые нагрузки», Якутск: Минстрой РС(Я), 1998 г.;

- Рекомендаций по проектированию, монтажу и эксплуатации вен-тилируемых фасадных систем зданий с железобетонным каркасом в условиях Республики Саха (Якутия). - Якутск, Минстрой РС(Я), 2010 г.

Результаты работы на протяжении более 20 лет используются в учебном процессе Якутского государственного университета им. М.К. Аммосова.

На защиту выносятся результаты решения сформулированных автором задач, обеспечивающих достижение цели диссертационной работы:

· анализ климатических условий эксплуатации конструкций зданий и сооружений на Севере;

· анализ аварий металлических конструкций покрытий зданий и сооружений в условиях Севера, результаты вероятностной оценки данных об общих искривлениях стержней ферм и экспериментальных исследований устойчивости сжатых искривленных стержней в системе элементов фермы;

· методика учета габаритов фасонок в фермах со стержнями из двух уголков;

· методика обработки статистических данных по снеговым и ветровым нагрузкам, районирование территории Северо-Востока России по весу снегового покрова на земле и ветровому давлению, методика учета совместного действия снеговых и ветровых нагрузок;

· анализ действительного состояния вентилируемых фасадных систем, результаты экспериментальных исследований работы ВФС в условиях устойчивой низкой температуры воздуха;

· предложения по нормированию снеговых нагрузок на покрытиях зданий различной конфигурации, методика учета сноса снега ветром с покрытия в условиях низкой температуры наружного воздуха.

Достоверность результатов проведенных исследований определяется следующим:

· комплексным характером работы, базирующимся на результатах статистической обработки данных обследований значительного количества каркасов производственных зданий и вентилируемых фасадов жилых и общественных зданий, их сопоставление с имеющимися в литературе данными;

· использование общепринятых и широко используемых расчетных предпосылок;

· хорошим соответствием результатов расчетов на основе разработанных методов данным экспериментальных исследований, выполненных в диссертации, и материалам, опубликованным отечественными и зарубежными авторами;

· соответствием основных выводов практическому опыту проектирования и эксплуатации металлических конструкций покрытий и фасадных систем зданий в условиях Севера.

Апробация работы. Основные результаты выполненных по теме диссертации НИР и положения диссертации доложены на следующих научных конгрессах, конференциях и симпозиумах международного, всероссийского и регионального уровня:

- школе - семинаре «Прогрессивные методы ведения проектных и исследовательских работ при реконструкции стальных каркасов зданий и сооружений», Киев, 1991;

- всесоюзной конференции «Усиление и реконструкция промзданий и сооружений, построенных в металле», Киев, 1992 г.;

- региональной научно-практической конференции «Проблемы строи-тельства в Республике Саха(Якутия)», Якутск, 1994 г.;

- всероссийской конференции «Прогрессивные строительные кон-струкции для условий Дальнего Востока», Хабаровск, 1994 г.;

- региональной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы освоения природных ресурсов Южной Якутии», Нерюнгри, 1996 г.;

- региональной научно-практической конференции «Наука-невос-требованный потенциал», Якутск, 1996 г.;

- международной конференции «Стихия. Строительство. Безопасность», Владивосток, 1997 г.;

- городской научно-практической конференции «Современные технологии в строительстве-образование, наука и практика: материалы», Москва, 2001 г.;

- международных научных чтениях «Приморские зори-2003. Экология, безопасность жизнедеятельности, защита в чрезвычайных ситуациях, охрана, безопасность, медицина, гигиена труда, устойчивое развитие Дальневосточных территорий», Владивосток, 2003 г.;

- республиканской научно-практической конференции «Актуаль-ные проблемы строительного и жилищно-коммунального комплексов РС(Я)», Якутск, 2004 г.;

- республиканской научно-практической конференции «Наука-строительному комплексу Севера», Якутск, 2006 г.;

- 64-й научно-практической конференции Новосибирского ГАСУ (Сибстрин), Новосибирск, 2007 г.;

- XVIII научных чтениях «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии», Белгород, 2007 г.;

- I Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение», Якутск, 2008 г.;

- международной конференции «Стихия. Строительство. Безопасность», Владивосток, 2008 г.;

- международной научно-практической конференции «Строи-тельный комплекс России: наука, образование, практика», Улан-Удэ, 2008 г.;

- научно-техническом совете Министерства строительства и про-мышленности строительных материалов РС(Я), Якутск, 2009 г.;

- международном симпозиуме по развитию стран Балтийского региона, Санкт-Петербург, 2010 г.;

- IX международном симпозиуме по развитию холодных регионов «Iscord 2010», Якутск, 2010 г.;

- научной конференции - II академических чтениях памяти академика Г.Л. Осипова «Актуальные вопросы строительной физики - энергосбережение и экологическая безопасность», Москва, 2010.

Полученные в настоящей работе данные реализованы при оценке технического состояния производственных зданий АК (ЗАО) «АЛРОСА», ОАО «Якутскэнерго», ОАО «Якутуголь», ОАО «Якутзолото», жилых зданий г. Якутска, и при разработке рекомендаций по использованию продукции компании «Isover».

Основное содержание диссертации освещено в 75 печатных работах, в т.ч. в 1-й монографии и 3-х учебных пособиях. Получен 1 патент на изобретение.

Личный вклад автора. Все положения диссертационной работы выдвинуты и обоснованы лично ее автором. Материалы других авторов, использованные для обоснования положений диссертации, приведены с точными ссылками, включенными в «Библиографию» диссертации. Личный вклад автора заключается в оценке эксплуатационной надежности металлоконструкций покрытия и ограждающих конструкций зданий и сооружения в условиях Севера на основе комплексного анализа особенностей природно-климатических условий эксплуатации, режима нагруженности и причин аварий металлоконструкций, результатов натурных обследований их технического состояния, в развитии методики расчета элементов ферм на устойчивость с учетом реальной жесткости узлов, в разработке методики определения предельных снеговых и ветровых нагрузок, в развитии методики расчета температурно-влажностного режима ограждающих конструкций с вентилируемым фасадом, в разработке нормативных требований к проектированию металлоконструкций покрытия и ограждающих конструкций с учетом региональных особенностей. Во всех необходимых случаях отмечается уровень участия отдельных специалистов под руководством автора диссертации в разработке содержащихся в диссертационном исследовании предложений по комплексному повышению эксплуатационной надежности металлических конструкций покрытий и фасадных систем зданий.

Автор выражает глубокую благодарность всем коллегам и участникам творческих коллективов, в среде которых шел процесс формирования основных идей представленной диссертации.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает введение, пять глав, заключение и приложение. Каждая глава завершается параграфом «Выводы по главе…», а работа в целом - разделами «Заключение», «Библиография».

Полный объем диссертации составляет 390 страниц, включая 128 рисунков и 48 таблиц. Основной текст (без заглавия, оглавления, библиографии, рисунков и таблиц) занимает 301 страницы, в том числе 1 приложение на 11 страницах. Список литературы включает 290 источников и размещен на 30 страницах.

Основное содержание работы

снеговой север ветровой здание

Во введении раскрыта актуальность проблемы исследования, определена цель и поставлены задачи диссертационной работы.

В главе 1 «Обеспечение эксплуатационной надежности металлических конструкций покрытия и ограждающих конструкций зданий в условиях Севера» проведен анализ климатических особенностей эксплуации строительных конструкций и формирования атмосферных нагрузок, показано действительное состояние металлических конструкций покрытия и ограждающих конструкций зданий, выполнен анализ аварий металлоконструкций покрытий зданий, представлены основные положения нормирования снеговых и ветровых нагрузок, требований теплозащиты зданий.

Приведены результаты анализа и технического состояния стальных конструкций покрытия промышленных зданий. Промышленные здания и сооружения в пределах республики в основном построены в стальном варианте. В эксплуатации находятся несколько десятков тысяч тонн строительных металлоконструкций. В работе подробно рассмотрены случаи обрушений и аварийных ситуаций конструкций покрытия производственных и общественных зданий. В каждом конкретном случае обрушения конструкций покрытия или аварийной ситуации прослеживается стечение нескольких обстоятельств. Например, обрушение стропильных ферм машинного зала Нерюнгринской ГРЭС (1984 г.) произошли из-за потери устойчивости стойки фермы под местной нагрузкой, которая возникла по причине образования наледи на кровле в месте расположения вентиляционной трубы. Потере устойчивости стойки фермы в значительной мере способствовали повышенная гибкость узловой фасонки из плоскости фермы и смещение фасонки относительно стенки верхнего пояса из тавра. Основными причинами обрушения стальных конструкций покрытия филиала автобазы в г. Мирном (2006 г.) явились неравномерные осадки фундаментов и низкие отрицательные температуры. При этом для многопролетного здания, с общей шириной 69 м, неверно принято жесткое сопряжение стропильных конструкций с колоннами. Обрушение арочных конструкций в г. Алдан (1997 г.) произошло вследствие значительных снеговых нагрузок, превышающих проектные значения.

Вместе с тем, имеются и характерные для всех случаев общие причины: образование запроектных снеговых нагрузок, скопления производственной пыли или наледи на вентиляционных трубах; возникновение дополнительных усилий в элементах и узлах конструкций от осадок фундаментов; наличие дефектов и повреждений, которые возникли в период транспортировки и монтажа. В некоторых случаях, были отмечены случаи взрывных воздействий на конструкции покрытия при расположении производственного объекта недалеко от карьера.

В результате натурных обследований ряда производственных объектов установлены наиболее часто встречающиеся дефекты и повреждения наиболее распространенных типов ферм покрытия из уголков, составленных в тавр: общие искривления стержней из плоскости и в плоскости ферм; местные погибы; искривления узловых фасонок; несоблюдение необходимого зазора между сварными швами крепления элементов решетки и пояса; отсутствие отдельных элементов или необходимых соединений; некачественное выполнение сварных швов; расцентровка стержней в узлах; отклонение ферм от вертикали.

Общие искривления стержней стальных ферм возникают в основном из-за механических воздействий во время транспортировки и монтажа. Количество стержней искривленных из плоскости фермы больше числа общих погнутостей в плоскости фермы в 5 раз. Установлено, что удельное количество искривлений элементов решетки уменьшается от центральной зоны к крайним участкам ферм. Показано, что количество дефектов ферм покрытия увеличивается с возрастанием дальности транспортировки и усложнением условий перевозки. Например, в труднодоступных районах повреждаемость стальных ферм в виде общих искривлений стержней увеличивается практически в 2 раза.

Представлены результаты натурных обследований стеновых конструкций с вентилируемыми фасадами зданий г. Якутска. Установлено действительное состояние ВФС, которое во многом зависит от правильности их монтажа. Наиболее грубая ошибка - использование полиэтиленовой пленки в качестве ветрозащитного слоя привело к преждевременному старению теплоизоляционных материалов. Так, в фасадных системах современных учебных корпусов университета в результате вскрытия облицовочных плит выявлены изменение внешнего вида, разрыхление поверхности и расслоение волокон минераловатных плит.

Одной из проблем ВФС является применение облицовочных материалов, не апробированных для условий низкой температуры. Например, на одном из зданий г. Якутска возникшие вследствие температурных воздействий многочисленные деформации и разрывы облицовочных листов из композитного материала импортного производства вынудили провести полную замену фасада.

Основными причинами, ухудшающими теплозащитные свойства ВФС являются низкое качество теплоизоляционных работ и уменьшение воздушного зазора. К уменьшению воздушного зазора между облицовочными плитами и теплоизоляционным слоем приводят нерегламентированные отклонения каркаса здания от вертикали и применение горизонтальных элементов в подоблицовочной конструкции. На основе результатов тепловизионной съемки установлены характерные участки стеновых ограждений, где происходит утечка тепла. Наиболее проблематичными участками фасада здания являются угловые зоны наружных стен, особенно внутренние. Одной из актуальных задач остается исследование тепловлажностного режима работы вентилируемых фасадов зданий в условиях устойчивой, особо низкой температуры, долговечности теплоизоляционных материалов, надежности крепления кронштейнов подоблицовочной конструкции.

Особое место среди климатических факторов занимает продолжительная низкая температура окружающего воздуха в зимний период. Продолжительность периода с отрицательными суточными температурами изменяется от 312 дней на дальних арктических островах до 202 дней в Южной Якутии. В Центральной Якутии в зимний период 50-60 дней имеют температуру ниже -40^оС, а 10-15 дней - ниже -50^оС.

Отрицательная температура воздуха существенно сказывается на работе конструкций на всех этапах функционирования. Транспортирование и монтаж металлоконструкций очень редко удается осуществить в теплое время года. Кроме того, северная строительно-климатическая зона характеризуется сложной транспортной схемой доставки конструкций. Это вызывает многочисленные перевалки и перегрузки металлических конструкций, некачественный монтаж, приводящие к увеличению числа дефектов и повреждений. При этом эксплуатация металлических конструкций производственных зданий осуществляется в условиях резких сезонных 80-90°С и суточных до 35°С колебаний температур, динамических нагрузок, воздействия ветровых и снеговых нагрузок, интенсивного воздействия водных растворов различной степени агрессивности при мокрых технологических процессах.

Грунтовые условия северной строительно-климатической зоны характеризуются наличием многолетней мерзлоты. Из-за образования чаши оттаивания неравномерные осадки фундаментов приводят к появлении в конструкциях неучтенных при проектировании дополнительных усилий. Этот важнейший фактор не нашел должного отражения в нормах проектирования строительных металлических конструкций.

Своеобразный климат Якутии существенно влияет на формирование снегового покрова. Снежный покров в Якутии устанавливается одновременно с наступлением устойчивых морозов в начале октября. Атмосферные осадки в зимний период по всей территории республики выпадают только в виде снега. Продолжительность снегового покрова составляет в среднем: на арктическом побережье - 250-260 дней, в Северной Якутии - 230-240 дней, в Центральной и Южной (горной) Якутии - 200-220 дней, в Южной (равнинной) Якутии - 190-200 дней. Длительному сохранению снегового покрова в Якутии способствуют низкие температуры зимы, практически без оттепелей.

Закономерности формирования снегового покрова, его свойства и характеристики в европейской части России исследованы достаточно подробно В.А. Отставновым, И.Д. Копаневым, В.И. Липовской, Г.Д. Рихтером, Н.К. Жуковой, Э.Г. Коломициным, В.М. Котляковым, Э.Д. Кат-Хут и др. На территории Якутии наиболее полные исследования свойств снежного покрова принадлежат А.Л. Арэ, в которых детально рассмотрены структура и стратиграфия снежного покрова Центральной Якутии, и показано, что плотность снежного покрова и его структура резко отличаются от данных, полученных на европейской части России. В первой половине зимы плотность снега составляет 130-150 кг/м³, во второй - 170-220 кг/м³. Процесс метафорфизации снегового покрова от снежинки до льда при очень низкой температуре воздуха происходит крайне медленно.

Анализ действующих норм по назначению снеговых нагрузок на покрытиях зданий показал, что основные положения норм базируются на исследованиях по формированию снегоотложений на покрытиях различного профиля, главным образом, в районах с умеренными зимними температурами. В работе приводится подробный анализ отечественных норм, европейских норм EN №1, американского стандарта ASCE 7-95, канадского стандарта NBCC-85, материалах ряда зарубежных авторов O'Rourke M., Tailor D., Sack R., Sllindwood B. применительно к назначению снеговых нагрузок на покрытиях различной конфигурации. Показано, что в действующих нормах недостаточно точно проведено районирование северных территорий по весу снегового покрова на земле и не учтены специфические особенности формирования снегового покрова на покрытиях зданий в условиях устойчивой низкой температуры.

Известно, что большая часть территории РФ относится к 1-й климатической зоне, отличающейся продолжительной и суровой зимой. В настоящее время одной из наиболее важных проблем является экономия энергоресурсов, а также снижения энергозатрат при эксплуатации зданий. Нормативное сопротивление теплопередаче стен по сравнению с требованиями до 2000 г. увеличено примерно в 3,3-3,4 раза с целью доведения норм требований к теплозащите стен до уровня норм стран северной Европы. Число градусосуток отопительного периода для районов Якутии (ГСОП), отражающее суровость северного климата, превышает число ГСОП населенных пунктов Западной Европы в 2-3 и более раз, что, в свою очередь, требует внедрения эффективных видов стеновых конструкций в зданиях и сооружениях, одним из которых являются вентилируемые фасадные системы.

В главе 2 приведены результаты комплексной оценки технического состояния металлических конструкций покрытия зданий. Приведены результаты вероятностной оценки наиболее распространенных видов повреждений стержней ферм - общих искривлений. Большинство обследованных ферм покрытия имеют очертание с параллельными поясами и трапециевидную с двумя скатами. Стержни ферм покрытия выполнены из двух уголков, составленных в тавр. Район строительства обследованных объектов характеризуется отдаленностью от центров поставок металлоконструкций на значительное расстояние. Пролеты ферм изменяются от 9 до 45 метров, сроки службы к моменту обследования составляли от 2 до 25 лет, количество ферм на каждом объекте изменяется от 4 до 38. При обработке статистических данных стрелки общих искривлений стержней были рассмотрены в виде безразмерных относительных величин , где f - максимальная стрелка погиба; l - длина элемента. Для оценки влияния гибкости стержней на величину искривления все имеющиеся данные сгруппированы по гибкостям.

Наиболее трудоемкой задачей статистического анализа является определение теоретических законов распределения. Серьезное затруднение при анализе погибов создает отсутствие данных по малым искривлениям в связи с технической невозможностью их измерения. Определение теоретических законов по имеющимся статистическим данным стандартным способом - методом моментов по стандартным программам показал, что наиболее согласующимся распределением является экспоненциальный закон. Однако полученные при этом критерии согласия Пирсона показывают на низкий уровень значимости согласия между эмпирическим и теоретическим законом распределения. Поэтому для обработки данных об искривлениях стержней ферм предложена методика непосредственной аппроксимации эмпирических данных. Для описания эмпирических данных использовано выражение

, (1)

которое является, по сути, интегральной функцией двухпараметрического экспоненциального распределения. Постоянные параметры функции b₀ и S можно подобрать по первому и второму моментам выборки. Однако, в данном случае целесообразно пользоваться вариационным способом, т.е. значения искомых констант определять по условиям минимума квадратичного отклонения на выбранных экспериментальных точках. Учитывая то, что статистические данные, в силу небольшой точности измерения стрелок небольших искривлений стержней, являются сгруппированными, для упрощения вычислений для одного значения принималось среднее значение вероятности сгруппированных данных. Полученные теоретические кривые наилучшим образом описывают экспериментальные точки в области маловероятных событий в силу определения параметров b₀ и S через линеаризирующие преобразования (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость вероятности Р_i от величины относительного искривления стержня из плоскости фермы при л_у=90 и его теоретическое описание: 1 - теоретическая функция, 2 - данные натурных обследований

Наиболее важным для вероятностной оценки реальных погибов стержней является анализ их в области малых вероятностей. В связи с этим на основе полученных распределений построены зависимости от гибкости относительных величин погибов стержней ферм при различных вероятностях. Проверка по критерию Фишера указывает на наличие тесной связи между величинами относительных погибов и гибкостью стержней. С увеличением гибкости искривления элементов из плоскости фермы с малой вероятностью также, как и статистические характеристики, возрастают более интенсивно, чем в плоскости фермы. Значения относительных погибов стержней из плоскости фермы с вероятностью их появления 0,1 превышают нормативную относительную величину искривления для сжатых элементов (1/1000) начиная с гибкости 80, при вероятности 0,05 при л_y >55, при вероятностях 0,01 и 0,005 - во всех рассмотренных диапазонах гибкостей. Кривые для погибов стержней в плоскости фермы при вероятностях 0,01 и 0,005 также лежат выше допускаемого значения искривления. При вероятностях 0,05 и 0,1 превышение предельно-допустимых погибов наблюдается начиная соответственно с гибкостей 73 и 100.

Для оценки влияния транспортировки статистическая обработка данных об искривлениях стержней выполнена отдельно для ферм, изготовленных на местах строительства объектов. Анализ и сравнение полученных зависимостей относительных величин погибов от гибкости с аналогичными для транспортированных ферм подтверждает предположение о росте количества искривлений в процессе транспортировки.

С целью постановки экспериментально-теоретических исследований стальных ферм с искривленными стержнями выполнен подробный обзор работ С.Д. Лейтес, С.Н. Никифорова, Б.С. Мелкумян, А.И. Конакова, В.А. Косорукова, Б.Н. Кошутина, А.И. Пиковского, А.Р. Ржаницына, Г.А. Шапиро и др. Стропильные фермы подавляющего большинства производственных зданий с металлическим каркасом изготовлены из парных уголков с использованием узловых фасонок. Применительно к этой конструктивной форме детально исследованы вопросы влияния местных и общих искривлений на несущую способность сжатых стержней, решены соответствующие задачи устойчивости, учитывающие геометрическую и физическую нелинейность, в трудах В.А. Косорукова и Б.Н. Кошутина, Г.И. Белого, И.Д. Грудева, Н.Ю. Симон и др. При решении задачи о возможности дальнейшей эксплуатации ферм покрытия с искривленными сжатыми стержнями возникает целесообразность в использовании более точных расчетных схем, максимально приближенных к действительным условиям их работы. Значительный практический результат может быть достигнут за счет специального обоснования используемых в расчетах устойчивости коэффициентов приведения длин сжатых стержней.

С целью уточнения действительной работы сжатого искривленного стержня в составе стальной фермы проведены экспериментальные исследования моделей стальной фермы. Моделирование стальной фермы из парных уголоков с параллельными поясами типовой серии выполнено на основе метода безразмерных параметров. При проведении эксперимента установлены особенности работы сжатых раскосов при разных величинах их искривления из плоскости и в плоскости ферм, проведена оценка общей деформативности фермы при искривлении отдельных элементов и проверка соответствия существующих расчетных предпосылок действительной работе искривленного элемента в составе фермы.

При испытании моделей с прямолинейными стержнями установлено, что потеря несущей способности моделей происходит из-за потери устойчивости опорного раскоса. Предельные узловые нагрузки превысили теоретические значения, определенные на основе действующих норм, на 16%. В результате испытаний моделей с искривленными из плоскости фермы раскосами установлено:

- несущая способность сжатых стержней при искривлении до 1/300 длины не снижается, потеря устойчивости элемента происходит внезапно с «хлопком» при малом развитии пластических зон по полке в середине элемента (рис. 2);

- с увеличением стрелки начального погиба повышается упруго-пластическая область работы сжатого элемента, зоны пластичности развиваются как по толщине сечения, так и по длине стержня.

- экспериментальные значения критических усилий превышают теоретические, установленные по рекомендациям ЦНИИПСК, на 25-33%.

Рис. 2. Экспериментальные зависимости «усилие-прогиб» для опорных раскосов при искривлениях из плоскости фермы

Серия испытаний моделей с искривленными в плоскости фермы сжатыми раскосами указала на их значительную несущую способность. Резерв несущей способности погнутых элементов обусловлен теми запасами, которые связаны с назначением завышенных нормативных значений коэффициентов приведения длин. Анализ материалов эксперимента показал, что расчетная длина сжатых промежуточных раскосов существенно зависит от направления углов поворота узлов под нагрузкой.

При несимметричном загружении модели средний узел верхнего пояса поворачивается в направлении противоположном направлению прогиба искривленного раскоса, тем самым повышая степень защемления элемента. При симметричной нагрузке верхний узел не препятствует повороту элемента от искривления. Таким образом полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что коэффициенты расчетных длин для сжатых раскосов существенно ниже тех значений, которые рекомендует СНиП П-23-81*. Главная причина этого обстоятельства - неучет габаритов фасонок при определении расчетной длины сжатых элементов решетки ферм.

В конструктивных решениях стальных ферм из парных уголков в средних раскосах решетки фасонки занимают 14-21% от их геометрической длины, в стойках - 15-23%, в опорных раскосах - 16-26%. В работе предлагается методический подход к определению расчетных длин элементов фермы с учетом габаритов фасонок.

Ферма с жесткими узлами представляет собой статически неопределимую систему. Исследование устойчивости сжатых элементов решетки в составе стержневой системы проведено методом деформаций. Для упрощения определения критических параметров для сжатых элементов приняты некоторые допущения. Все узлы фермы, кроме узлов на концах рассматриваемого элемента, считаются шарнирными, учитывая, что влияние отдаленных элементов на степень заделки сжатого элемента мало. Ошибка, допущенная при пренебрежении влиянием вторичных элементов на свободную длину рассматриваемого элемента по данным Ф. Блейха составляет не более 4%. Также в запас устойчивости не учитывается защемляющее действие других сжатых элементов, примыкающих к узлам рассматриваемого стержня.

В методе деформаций основная система получается путем введения дополнительных связей, препятствующих повороту жестких узлов. Уравнения равновесия в смежном, искривленном состоянии записывается с использованием матрицы жесткости

R=0. (2)

Ненулевое решение системы (2), соответствующее состоянию смежного равновесия 0, возможно лишь в случае обращения в ноль определителя матрицы R

|D(R)|= 0. (3)

Неизвестные коэффициенты r_jk системы - элементы матрицы D определяются в основной системе как реакции по i-му направлению от z_k с учетом продольно-поперечного изгиба сжатых стержней.

Анализ конструктивных решений ферм из уголков показал, что жесткость (ЕJ) элементов в зоне фасовки повышается не менее чем в 20 раз, т.е. практически в этой зоне имеются абсолютно жесткие по отношению к самим стержням. В связи с этим стержневая система рассмотрена с абсолютно жесткими вставками на концах стержней. Используя метод начальных параметров, определены реакции стержня с жесткими вставками, заделанного двумя и одним концом, нагруженного продольной силой Р, при повороте левой опоры на единичный угол ц =1. Полученные выражения для опорных реакций стержней с различными закреплениями на концах позволяют рассчитывать системы ферм с фасонками методом деформаций путем введения в узлы жестких вставок.

На основе результатов расчета по предложенной методике проведен анализ влияния условий работы сжатых стержней решетки ферм с фасонками на их расчетную длину в плоскости фермы. Установлено, что коэффициенты приведения расчетной длины сжатых элементов решетки в плоскости фермы зависят от условия работы в системе элементов, соотношения погонных жесткостей рассматриваемого сжатого элемента решетки и примыкающих растянутых стержней, габаритов фасонок в узлах. В результате расчетов получены номограммы коэффициентов приведения расчетной длины для сжатых элементов решетки (рис. 3).

а)

б)

Рис. 3. Номограммы коэффициентов приведения длины для сжатого раскоса в случаях примыкания в верхнем узле растянутого раскоса (а) и сжатого (б) раскосов

Для сжатого раскоса с примыкающим в верхнем узле растянутым раскосом коэффициент приведения длины при степени защемления концов от 0 до 1 и габаритах фасонки нижнего узла, составляющей от 1/8 до 1/15 геометрической длины стержня, изменяется от 0,39 до 0,719; при тех же параметрах защемления концов расчетная длина сжатого раскоса с примыкающим в верхнем узле сжатым раскосом составляет 0,5330,707 геометрической длины. Ошибка, допущенная при пренебрежении влиянием отдаленных от рассматриваемого элемента узлов, не превышает 5,5% и позволяет при определении расчетной длины ограничиваться рассмотрением группы примыкающих элементов. Проведены экспериментальные исследования моделей ферм с различными жесткими вставками в узлах.

В главе 3 приводятся результаты исследований снеговых и ветровых нагрузок на строительные конструкции зданий и сооружений. В большинстве работ, сязанных с назначением снеговых нагрузок, принимается, что изменчивость максимумов веса снегового покрова на земле наилучшим образом аппроксимируется двойным экспоненциальным распределением Гумбеля. В данной работе показано, что применение такого подхода к обработке метеоданных имеет ряд недостатков, например: параметры распределения Гумбеля определяются через среднее значение и стандартное отклонение всей выборки, а следовательно окончательный результат зависит как от статистики многоснежных зим, так и от статистики малоснежных зим; в большинстве случаев распределение Гумбеля в интересующей «хвостовой» области не совпадает с опытными данными.

Предложена методика непосредственной аппроксимации данных годовых снеговых максимумов. В методике принят ряд гипотез: равноправность или независимость опытных данных, снеговая нагрузка имеет конечное значение, величина нормативного значения не должна зависеть от статистики малоснежных и среднеснежных зим. Из N опытных данных определяется среднее значение аргумента, дисперсия и стандартное отклонение (), которое используется для перехода к безразмерной величине нагрузки (). Выборка в целом разбивается на интервалы, каждый из которых состоит из n_r << N соседних опытных точек. Положение каждого интервала определяется его наименьшим, начальным, значением (как по аргументу q, так и по вероятности Р). Таким образом, общее число интервалов равно . В средней части выборки величина интервала остаётся постоянной, а в хвостовых частях уменьшается вплоть до единицы. Начальное значение варьируется в пределах с шагом равным единице. Для i - го интервала определяются его средние значения и - координаты центра тяжести точек, а также тангенс угла наклона прямой, проходящей через точку и наилучшим образом аппроксимирующей опытные точки в i - ом интервале. Условие наилучшей аппроксимации соответствует минимуму суммарного квадратичного отклонения точек от аппроксимирующей прямой

, где . (4)

Соседние интервалы частично перекрываются и для i - го значения тангенса угла наклона принимается его среднее значение из перекрывающихся интервалов. Значения по определению представляют собой плотность статистического распределения , поэтому для получения интегрального распределения необходимо численно проинтегрировать эту функцию в пределах от до , что было выполнено методом трапеций. В результате интегрирования в крайних точках при и получаются значения , при помощи которых определяются предельные значения аргумента по формулам

при ; при (5)

За расчетное значение снеговой нагрузки предложено принять предельное значение нагрузки при вероятности Р=1. При таком подходе решение задачи становится детерминированным, и снимаются такие вопросы, как определение долговечности сооружений или уровень допустимой надёжности нормативных значений. В качестве примера на рис. 4 приведены результаты обработки данных веса снегового покрова на земле для г. Якутска в графическом виде.

Рис. 4. Результаты обработки данных веса снегового покрова на земле. г. Якутск (N=60)

При обработке данных метеостанций для определения уровня снеговых нагрузок часто возникает вопрос об ограниченности ряда данных. Например, если рассматривать территорию Якутии, данные о годовых максимумах снеговых нагрузок в течение 50 лет и более имеются только на 4-х станциях, от 40 до 50 лет - на 15 станциях, от 30 до 40 лет - на 37 станциях из 220, на остальных станциях имеются наблюдения сроком до 30 лет. В этой ситуации для обработки ограниченного количества данных предложено использовать метод линейной экстраполяции. Для этого через каждую пару (ij) из отобранных точек проводится прямая до пересечения с горизонталью Р=1, точка пересечения даёт значение

(6)

Данная методика позволяет рассматривать только последние (хвостовые) точки в количестве не более пяти-шести штук и значительно снижает риск неверного выбора предельного значения снеговой нагрузки (рис. 5). Проведен сравнительный анализ предлагаемых методик обработки данных веса снегового покрова земли со стандартными способами.

Рис. 5. Метод экстраполяции в графическом виде по данным ст. Горелый

В соответствии с разработанными методиками проведена обработка метеорологических данных о наибольших ежегодных значениях запаса воды в снеговом покрове 220 станций и постов, расположенных на территории Якутии. Проведено сравнение полученных результатов оценки веса снегового покрова земли на отдельных метеостанциях с расчетными значениями снеговых нагрузок по действующим нормам СНиП 2.03.07-85^*. Для примера в табл. 1 приведены некоторые результаты обработки данных веса снегового покрова на земле. На станциях с периодом наблюдений 20 лет и менее применение метода экстраполяции приводит к небольшому запасу. Значения при обработке с применением закона Гумбеля рассмотрены при Р=0,99 (как можно ближе к Р=1). Сравнение их с результатами расчетов по предлагаемым методикам показывает, что применение закона Гумбеля приводит к значительному завышению значений снеговых нагрузок.

Таблица 1

N	Станция	Коли-чество дан-ных	Среднее значение нагрузки, кПа	Стандарт-ное отклонение , кгс/м2	qо при P=1, кгс/м2	qо при P=0,99, кгс/м2 закон Гумбеля
					Метод аппроксимации	Метод экстраполяции
1	Якутск	60	0,57	0,12	0,83	0,85	0,98
2	Алдан	22	1,89	0,37	2,78	2,85	3,32
3	Сунтар	47	0,80	0,16	1,33	1,35	1,35
4	Ыныкчан	33	0,87	0,34	2,35	2,35	2,13
5	Селеннях	12	1,25	0,33	1,10	1,16	1,63
6	Гнус	12	0,64	0,12	0,98	1,19	1,47
7	Горелый	16	1,49	0,28	2,73	2,85	3,77
8	Чокурдах	13	0,53	0,16	1,31	1,31	1,60
9	Енюка	12	0,98	0,14	1,28	1,35	1,58
10	Ольчан	13	0,99	0,34	0,78	0,79	0,98
11	Нижнеянск	13	0,91	0,25	1,59	1,60	1,96
12	Тополиный	12	0,53	0,11	0,79	0,79	1,01

Рассмотрены особенности снегоотложения на плоских покрытиях зданий, в том числе с парапетами и перепадами высот. На основании факторного анализа показана возможность сноса снега с плоских покрытий при небольших скоростях ветра в условиях низкой температуры наружного воздуха. Полученные данные натурных наблюдений по формированию снеговых отложений позволили покрытия с малыми уклонами разбить на две группы. Первая группа покрытий объединяет покрытия шириной до 60 м, на которых происходит равномерный снос снега со срединной части покрытия при умеренных ветрах до 2 м/с. Ко второй группе отнесены покрытия, имеющие ширину более 60 м. В этой группе перенос снега с покрытия носит неравномерный характер.

В результате натурных наблюдений выявлены величины снеговых нагрузок и характер изменения формирования снегового покрова на каждом конкретном покрытии. Характерной особенностью снегоотложения на плоских покрытиях является повышенный снос снега в средней части покрытий и протяженные участки снегонакопления около парапетов и перепадов высот. Например, установлено, что около парапетов фактические снеговые нагрузки на 10-30% выше нормативных.

На основании анализа результатов натурных наблюдений в различных районах Якутии установлено, что схема снегоотложения на сводчатых и близких к ним покрытиях зависит от очертания покрытия, типа кровельного материала, основного направления ветра. В результате статистического анализа получены зависимости коэффициентов перехода к снеговой нагрузке от угла наклона покрытия с различной обеспеченностью для сводчатых покрытий разной конфигурации и вида кровельного материала, которые значительно отличаются от нормативных значений (рис. 6). Основное отличие фактических схем распределения нагрузки на сводчатых покрытиях наблюдается для несимметричных случаев нагружения при переносе снега.



а - покрытия полукруглого очертания с применением оцинкованных листов

б - покрытия полукруглого очертания с применением рубероида

Рис. 6. Границы распределения коэффициентов м с различной обеспеченностью для сводчатых покрытий

В диссертации приведены результаты статистического анализа ветровых нагрузок по данным метеостанций. Используя методику непосредственной аппроксимации ежемесячных максимумов скоростей ветра, соответствующей 10-минутному интервалу осреднения, для отдельных населенных пунктов Якутии определены расчетные значения скоростей ветра и соответственно ветрового давления при Р=1. Для примера на рис. 7 приведены результаты обработки данных скоростей ветра для г. Якутска. Проведено сравнение полученных расчетных значений ветрового давления с данными районирования по действующим нормам. Для определения понижающего коэффициента, учитывающего снос снега с покрытий, для северных регионов предложено использовать среднюю скорость ветра за весь зимний период. В целях охвата всей территории Якутии при определении скоростей ветра проведено районирование по средней скорости ветра за весь зимний период.

Рис. 7. Результаты обработки данных скоростей ветра. г. Якутск (N=209)

Предложена методика определения коэффициента сочетания снеговых и ветровых нагрузок на покрытия на основе вероятности одновременного появления пиковых значений данных нагрузок в реальном времени. На основе разработанной методики, используя многолетние декадные значения снеговых и ветровых нагрузок, получены коэффициенты сочетаний нагрузок для конкретных населенных пунктов Якутии. Значения коэффициентов сочетаний снеговых и ветровых нагрузок имеют достаточно большой разброс и находятся в пределах от 0,56 до 0,9.

В главе 4 рассмотрена работоспособность вентилируемых фасадных систем при экстремальных температурных воздействиях. Показано, что разность давлений наружного и внутреннего воздуха при характерном для северных регионов в зимний период диапазоне температур наружного воздуха от -35^оч-50^оС по сравнению с величиной разности давления воздуха при температуре -10^оС увеличивается в 2 и более раз. В этих условиях усиливается влияние фильтрации воздуха на теплозащитные свойства волокнистых теплоизоляционных материалов, что создает специфические условия работы вентилируемых фасадных систем в условиях особо низкой температуры воздуха. Всесторонние исследования данного явления проведены Р.Е. Брилингом, Ф.В. Ушковым, К.Е. Фокиным и др. Применительно к современным вентилируемым фасадам влияние продольной фильтрации на примере межоконного простенка рассмотрено В.Г. Гагариным и К.Е. Козловым. В этом вопросе имеется ряд расхождений относительно величины влияния продольной фильтрации, параметров воздушного зазора и роли на теплозащиту стеновой конструкции в целом.

С целью исследования работы вентилируемой фасадной системы (ВФС) здания в условиях устойчивой низкой температуры проведен натурный эксперимент на реальной стеновой конструкции с ВФС при наружной теплоизоляции с помощью стекловолокнистых плит фирмы «Isover» двух видов и каменноватных плит «Базалит ДВ». Получены многочисленные данные распределения температуры по толщине ограждающей конструкции с ВФС в течение двух зимних периодов. В целом, результаты натурного эксперимента показали более высокие значения температуры внутри ограждающей конструкции с применением теплоизоляции из стекловолокнистых плит фирмы «Isover» с применением кашированной плиты в качестве наружного слоя теплоизоляции (1-й участок) по сравнению с ограждающей конструкцией с применением теплоизоляции из минплиты на основе каменного сырья завода «Базалит ДВ». Анализ результатов эксперимента показал, что распределение температуры в отдельных слоях стеновой конструкции с различным коэффициентом теплопроводности имеет четкий линейный характер.

...