Принципы теории надежности строительных конструкций

 

принципы теории надежности строительных конструкций, надежность строительных конструкций

В 20-х годах XX в. новая отрасль промышленности — самолетостроение стимулировала поиски более точных основ определения коэффициента запаса. Разумное его уменьшение, не создающее опасности для надежности сооружения, естественно, дает экономию материалов и денежных средств. Это важно в строительстве, но особенно в самолетостроении, так как слишком тяжелый самолет вообще не сможет взлететь. Поэтому коэффициент запаса в конструкциях самолетов значительно меньше, чем в зданиях, однако этот более низкий запас прочности сочетается с тщательным контролем качества материалов, частой проверкой состояния конструкций, заменой поврежденных частей, точностью методов проектирования конструкций, основанных на математических расчетах. Методы проектирования, разработанные для самолетостроения, в определенной степени повлияли на проектирование зданий.

Кроме того, поиски теории прочности конструкций зданий, прекратившиеся в XIX в., возобновились в 20-е годы XX в.. Теория упругости была, с одной стороны, достаточно развита, а с другой стороны, ее положения критически осмысливались.

До этого времени почти не уделялось внимания проблеме целесообразной длительности эксплуатации зданий. Пирамиды были построены навечно. То же можно сказать о средневековых соборах и, вероятно, дворцах эпохи Ренессанса. Эксплуатация самолета ограничена во времени — около 30 тыс. летных часов или примерно 10 лет. К 1920 г. стало очевидным, что большинство зданий имеют конечные сроки существования. Санитарно-гигиенические удобства, считавшиеся прекрасными в 1870 г., к 1920 г. стали едва удовлетворительными и иногда проще было снести здание и построить новое, чем улучшать инженерное оборудование старого здания. Промышленная технология и деятельность конторских учреждений постепенно изменяются. Следовательно, промышленные и административные здания и многоквартирные жилые дома имеют ограниченные сроки эксплуатации и существование конструктивной основы здания, которое пережило свое назначение, теряет смысл.

Целесообразный срок эксплуатации здания, зависящий от ожидаемых изменений в той области, которой оно служит, как правило, может быть от 50 до 100 лет. Только отдельные монументальные здания могут рассчитываться на более долгое существование.

Приемлемая вероятность разрушения здания также может быть определена. Значение, придаваемое человеческой жизни, все еще различно в различных точках мира, но в целом смертельные случаи от аварий зданий значительно менее часты, чем вследствие дорожных катастроф. Из данных официальной статистики I960 г. по штату Новый Южный Уэльс, вероятность того, что проектировщик здания погибнет в автомобильной катастрофе в период 50 лет, в 130 раз больше, чем вероятность серьезной аварии конструкций в одном из спроектированных им зданий за тот же период.

После 1946 г. теория вероятности, созданная в течение второй мировой войны, стала применяться при расчете конструкций зданий. Здесь неизбежны компромиссы, так как чем надежнее конструкция, тем больше ее стоимость.

Приемлемая вероятность местного повреждения конструкции, не ведущего к ее разрушению, составляет 1 из 10 тыс. случаев, или 4. Эти цифры подводят приемлемый баланс между допустимым уровнем надежности и стоимостью конструкций.

Теперь необходимо определить вероятность того, что нагрузка, на которую рассчитывается конструкция при проектировании, будет превышена, и вероятность снижения прочности материала ниже расчетной. Ответ на первый вопрос лежит в исследованиях природы нагрузок, ответ на второй вопрос достигается соответствующей программой испытаний.

Если результаты испытания материалов, проводящиеся на множестве образцов, нанести на график, то образуется кривая, показывающая небольшое число образцов с очень небольшой прочностью, большое число образцов со средними показателями и снова небольшое число с очень высокой прочностью. Форма кривой была установлена примерно в 1800 г. и с тех пор названа кривой Гаусса по имени Карла Фридриха Гаусса. Чем уже кривая, тем выше уровень контроля качества. После построения кривой можно определить среднюю прочность материала, по которой видно, какой процент случаев, например 1:10 или 1:20, будет ниже минимально допустимой прочности, принятой для того или иного материала.

Хотя контроль качества использовался в американской промышленности с начала века, статистические методы стали основным элементом контроля продукции только во время второй мировой войны. В 1940 г. Американская ассоциация стандартов провела исследование, результатом которого было появление Американских стандартов обеспечения безопасности. В них определялись методы контроля качества, базирующиеся на статистических методах. Институт британских стандартов принял их в 1942 г., а Ассоциация стандартов Австралии — в 1943 г.

Статистический метод оценки результатов испытаний бетона на сжатие, принятый Американским институтом бетона в 1957 г., привел к значительной экономии этого широко используемого в строительстве материала. Затем этот метод был принят Европейским комитетом по бетону и включен в нормы по железобетонным конструкциям Англии и Австралии.

Взвешивание всех передвижных предметов в административных зданиях и регистрация данных взвешивания — процедура весьма утомительная и длительная. Последние предложения основывались главным образом на применении автоматических взвешивающих и регистрирующих устройств. Так, работа Митчелла содержала примеры 32 административных зданий, занятых более чем 100 организациями, с общей площадью в 160 тыс. м2.

Другие исследования касались торговых зданий, складских помещений, промышленных зданий, церквей и театров, а также жилых зданий.

Взвешивание мебели, передвижного оборудования, нагруженных шкафов, книг и других предметов является объективной оценкой нагрузки и при достаточно больших масштабах исследования результат такого измерения должен быть достаточно надежным. Более сложен вопрос определения нагрузки в складских помещениях и торговых зданиях, в которых количество хранящихся грузов может быть различным, но и здесь задача решается путем достаточно правильного выбора примеров для обследования.

Исследователи расходились в оценках веса людей, находящихся в зданиях. Данхэм давал одно решение, по которому учитывался вес людей, действительно находившихся на месте в момент обследования. По другому решению, если помещение было бы заполнено людьми, вес принимался в пределах 60 фунтов на кв. фут, что соответствовало условиям наибольшего скопления людей, как например, при широкой распродаже товаров или при пожаре. Так, полезная нагрузка по исследованиям, проводившимся в секции мужской обуви в нью-йоркском универмаге в 1950 г., составила 10,6 фунтов на кв. фут, а в условиях скопления людей нагрузка увеличилась до 43,6 фунтов на кв. фут. Однако на складах того же универмага, закрытых для публики, нагрузка оставалась неизменной — 57 фунтов на кв. фут.

Митчелл, исследования которого выполнялись 20 лет спустя, был уже в состоянии достичь более точного учета эффекта максимального скопления людей, проводя наблюдения за числом людей в обеденное время, в свободные дни недели, во время распродажи или непосредственно перед праздником в зависимости от назначения магазина и его размещения. Это дало исследователю величину нагрузки в 50 фунтов на кв. фут от толпы на верхней части лестницы и у выходов из магазинов. Таким образом, более точные исследования имеют тенденцию к снижению первоначальных величин максимальных нагрузок.

Снеговая нагрузка играет существенную роль только в высокогорных местностях или в странах, близких к Арктике, особенно в Канаде, Скандинавии и России. Определение снеговой нагрузки сравнительно несложно, но последние исследования направлены больше на разработку в проектах мер предотвращения скопления снега, чему способствуют фонари, ендовы и перепады уровня крыш. Солнечная радиация может уменьшить снеговую нагрузку, так как снег тает даже при температуре воздуха не выше 0°С, если предусмотрено соответствующее устройство для отвода воды. Но когда за таянием последует замораживание, может возникнуть ледяной барьер на краю скатной крыши, ведущий к увеличению толщины снежного покрова.

Статический расчет здания в настоящее время основывается на данных средней скорости ветра, измеряемой при помощи анемометра в течение многих лет, обычно на открытых пространствах или на крышах метеорологических станций. Недавно в США и различных европейских странах был проведен ряд наблюдений на зданиях, что позволяет сравнить действительные скорости ветра с данными метеорологических бюро.

Сильные порывы ветра, очень непродолжительные по времени могут более чем вдвое превышать среднюю скорость ветра. Это имеет большое значение при проектировании кровли и навесных стен, особенно если порывы ветра могут привести к отсосу. В этом случае возможны повороты конструкций, что создает дополнительную поверхность для воздействия ветра и может повести к быстрому разрушению.

Архитектурные сооружения слишком массивны, чтобы они могли разрушаться от действия порывов ветра, по крайней мере, если исключить легкие жилые дома. Поэтому при статическом расчете зданий учитывается средняя скорость ветра. Конечно, весьма важно, чтобы многоэтажные здания были защищены от разрушения под действием ветровой нагрузки. Практически этого никогда не происходит. Было отмечено весьма небольшое число случаев серьезных повреждений многоэтажных зданий от ветровых нагрузок и только в одном случае произошло повреждение стального каркаса. С другой стороны, разрушение жилых домов и небольшие повреждения многоэтажных зданий в результате атмосферных явлений отмечаются достаточно часто. Многое можно сделать, чтобы свести к минимуму последствия атмосферных воздействий, но полностью исключить возможность повреждений зданий в результате стихийных бедствий, вероятно, нельзя по экономическим соображениям.

 Хотя в проектировании конструкций при расчете на статические нагрузки используются данные о средней скорости ветра, кратковременные порывы ветра, по-видимому, влияют на динамический режим зданий. Очень высокие здания со стальным каркасом, выстроенные в США после 60-х годов имели заметные колебания с частотой порядка 0,1 Гц. Для их уменьшения может потребоваться включение в схему каркаса вязкоупругих демпферов. Аэродинамические колебания таких зданий привлекли к себе внимание только сравнительно недавно.

Динамические критерии проектирования каркасов зданий определяются ощущениями находящихся в здании людей. Речь идет не только о предотвращении разрушения зданий из-за динамической неустойчивости, как произошло с Такомским мостом вблизи Сиэтла. Если в здании возникают ощутимые колебания чаще, чем раз в 10 лет, то обеспечить достаточную плату при сдаче его в наем весьма затруднительно. Какова действительно приемлемая для обитателей здания амплитуда его колебаний, в момент написания книги еще не было определено.

В связи со сложностью динамического расчета большинство задач решалось путем исследований на моделях в аэродинамических трубах, в которых достаточно точно моделировались условия окружающей среды — шероховатая или гладкая поверхность земли и особенно влияние соседних зданий. Кроме того, исследуемые здания должны моделироваться с учетом их геометрической формы, жесткостей и распределения масс, чтобы воссоздать колебания и нагрузки в аэродинамической трубе, которые дали бы возможность предсказать поведение реальных зданий.

Источник материала: grensi.com

Категория: Архитектура
 
Предыдущая статья
Коэффициент запаса против разрушения
  Следующая статья
Землетрясения
 
Нравится  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Комментариев нет
 
 
Оставьте комментарий
Имя*:      
Ваш e-mail*:     (не отображается)
Адрес веб-сайта:      
 
 
Имя:  
Цитата:  
    Закрыть
 
 
 
 
* - обязательные поля
 
 
Сайт продается, присылайте
свои предложения на
cloudinfo@ya.ru