Определение параметров надежности строительных конструкций

ВОЛЖСКИЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬСТВА  И ТЕХНОЛОГИИ

филиал

Волгоградского Государственного Архитектурно — Строительного Университета

Строительный факультет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по дисциплине: «Надежность  и долговечность зданий и сооружений»

На тему:«Определение параметров надежности строительных конструкций»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: ст. гр. ПГС-2-09

Андрющенко Игорь

Принял: Добринский Л.К.

 

 

 

 

 

г. Волжский 2012

Определение параметров надежности строительных конструкций

 

В условиях ускорения научно-технического прогресса происходит интенсивное совершенствование различных технологических процессов. Это влечет за собой замену устаревшего оборудования на новое, высокопроизводительное, работающее на более высоких скоростях, что может привести к повышению нагрузок, передаваемых на строительные конструкции. Создание гибких производств связано с изменением архитектурно-планировочных решений для эксплуатируемых зданий и сооружений. Реконструкция старого жилищного фонда и повышение его комфортности до современного уровня обусловливают необходимость оценки действительного состояния жилых зданий. Поэтому вопрос об их возможной дальнейшей эксплуатации, реконструкции или усилении конструкций является определяющим и связан с обследованием и подготовкой соответствующих рекомендаций.

Обследование строительных конструкций состоит из трех основных этапов:

— первоначальное ознакомление с проектной документацией, рабочими и исполнительными чертежами, актами на скрытые работы;

— визуальный осмотр объекта, установление его соответствия проекту, выявление видимых дефектов (наличие трещин, протечек, коррозии металла, дефектов стыковых сварных и болтовых соединений и т.д.), составление плана обследования здания или сооружения, проведение комплекса исследований неразрушающими методами;

— анализ состояния здания или сооружения и разработка рекомендаций по устранению выявленных дефектов.

Ознакомление с проектной и  исполнительной документацией позволяет  дать оценку принятым конструктивным решениям, выявить элементы здания или сооружения, работающие в  наиболее тяжелых условиях, установить значения действующих нагрузок.

Визуальная оценка здания или сооружения дает первую исходную информацию о  состоянии обследуемой конструкции, позволяет судить о степени износа элементов конструкции и решить вопрос о проведении статических или динамических испытаний. В первую очередь это связано с применением неразрушающих методов испытаний, т.е. методов, которые не приводят к разрушению отдельных элементов и конструкции в целом.

При обследовании широко применяются  методы инженерной геодезии, с помощью которых измеряются осадки зданий и сооружений, сдвиговые деформации грунта, параметры трещин и деформационных швов, прогибы и др. В последнее время эффективно развиваются методы лазерной интерференции.

Аналогичные методы используются при контроле качества изготовления элементов строительных конструкций и их монтажа на строительных площадках.

Обследование строительных конструкций, зданий и сооружений содержит в себе методы контроля качества изготовления и монтажа элементов строительных конструкций, обеспечивающие соответствие объекта проектным значениям и отображение действительной работы систем.

Материалы, применяемые для приготовления  бетонов, должны удовлетворять требованиям  ГОСТов на эти материалы и обеспечивать получение бетонов требуемых классов по прочности и марок по морозостойкости и водопроницаемости.

Изучение состояния монтируемой  или эксплуатируемой конструкции  при работе в реальных условиях обеспечивается теми же методами, что и при контроле качества их изготовления. Однако зачастую возникает ситуация, когда для эксплуатируемого объекта отсутствует проектная и рабочая документация, тогда ее восстановление связано с изучением реальных условий работы системы. К подобной ситуации отнесится и тот случай, когда необходимо определить работоспособность системы с учетом отклонения ее параметров от проектных.

Повышенные требования предъявляются  к методам обследования при анализе  причин аварий в результате повреждений  конструкций в процессе монтажа  и эксплуатации, а также катастроф — аварий, повлекших за собой человеческие жертвы. Проводимые обследования позволяют выявить наиболее характерные дефекты и разработать рекомендации по уточнению методов расчета тех или иных конструкций, совершенствованию конструктивных схем, технологии изготовления и монтажа строительных конструкций.

В современном строительстве широко применяются железобетонные, металлические  и деревянные конструкции. С каждым годом разрабатываются и осваиваются  все более совершенные, в том  числе предварительно напряженные железобетонные и металлические конструкции, большеразмерные железобетонные конструкции (фермы пролетом до 50 м, колонны высотой до 25 м, балки покрытий пролетом до 24 м, подкрановые балки пролетом 12 м и др.). 
Распространение таких конструкций стало возможным и экономически целесообразным главным образом в связи с повышением прочностных характеристик бетонов и сталей, а также благодаря появлению новых конструктивных решений.

Лабораторные испытания и практика применения таких конструкций показали их надежность и простоту изготовления. Однако несущую способность крупноразмерных конструкций необходимо тщательно проверять, так как в производственных условиях не исключена возможность отдельных нарушений технических условий и проектных указаний. Поэтому наряду с испытанием большинства внедряемых крупноразмерных конструкций в лабораторных условиях, на макетах или полигонах почти во всех случаях один или несколько образцов таких конструкций должны быть испытаны в тех условиях, в которых намечено их массовое изготовление. Только после испытания конструкции статической нагрузкой можно судить о ее фактической прочности, деформа-тивности, трещиностойкости. Надежность анкерных устройств в предварительно напряженных конструкциях, прочность сжатых и растянутых стыков при блочной сборке конструкций, прочность узлов при концентрации в них местных напряжений могут быть установлены только при испытаниях натурных фрагментов.

Общая проверка качества работ (например, правильность и точность сборки арматуры, плотность укладки бетона в конструкцию, прочность материалов, входящих в элемент здания) может быть выполнена также лишь на основе испытаний.

Необходимо отметить, что при  испытании конструкций, зданий и  сооружений не подменяют другие способы  контроля качества работ, например испытания контрольных кубов, призм, образцов арматуры, составление актов на скрытые работы.

Все эти способы контроля сохраняют  свое самостоятельное значение и  должны выполняться со всей тщательностью, несмотря на последующее испытание  конструкции в целом.

Можно сформулировать три основные задачи, которые решаются с помощью методов и средств испытания строительных конструкций зданий или сооружений:

первая — определение теплофизических, структурных, прочностных и деформативных свойств конструкционных материалов и выявление характера внешних воздействий, передаваемых на конструкции;

вторая — сопоставление расчетных схем строительных конструкций, действующих усилий и перемещений с аналогичными параметрами, возникающими в реальной конструкции;

третья — идентификация расчетных моделей, которая получила развитие в последние годы. Эта задача связана с синтезом расчетных схем, который следует из анализа результатов проведенных исследований. Теоретически решение этой задачи невозможно без применения кибернетики.

 

Надежность статически неопределимых конструкций

 

Понятие надежности и случайный  характер поведения конструкции  и нагрузки. Долгое время в практике проектирования понятия надежность и экономичность рассматривались  как взаимно противоречащие. Считалось, что обеспечение надежности конструкции непременно ухудшает ее экономические показатели. И наоборот, любое снижение расхода материала уменьшает размеры конструкции, а следовательно, и снижает ее надежность. Вследствие этого конструкция рассматривалась как пассивный экономический фактор. В действительности она представляет собой часть определенного объекта или системы и активно влияет на их экономичность. Это свойство конструкции проявится, если включить в расчет экономической оценки определенную вероятность возможного ущерба. Если увеличивать надежность конструкции, то вероятность возникновения такого ущерба будет уменьшаться. Последнее обстоятельство зачастую многократно компенсирует повышенные расходы (увеличение геометрических размеров сечений, расхода стали), необходимые для обеспечения надежности конструкции.

Само понятие надежности имеет  существенный недостаток, состоящий  в том, что оно преимущественно  субъективно. И, напротив, экономичность, или, точнее говоря, экономическая эффективность  конструкции, — понятие объективное, так как его можно удовлетворительно выразить в финансовом масштабе. Необходимо лишь обратить внимание на некоторые свойства конструкции и нагрузки, которые оказываются решающими при оценке ее надежности или экономической эффективности. Ниже рассмотрим надежность конструкции в соответствии с используемым в настоящее время подходом к проектированию.

Если изучать на большой серии  образцов некоторые из сопротивлений  конструкции, скажем, несущую способность, то выяснится, что ее величина будет  колебаться около определенного среднего значения. Такие изменения обычно очень хорошо описываются статистическими закономерностями. Причиной этою является случайный характер изменчивости механических свойств материала, размеров сечений, значения усилия предварительного напряжения и т. д. Аналогичная картина изменчивости наблюдается и у нагрузок, которая по форме часто весьма отличается от характера изменчивости сопротивления конструкции. Нельзя забывать и о статическом расчете, который сам по себе может служить источником случайных отклонений в действительном поведении конструкции от предполагаемого. Все три упомянутых фактора имеют место и при оценке надежности статически неопределимых конструкций.

Надежность конструкции контролируется с помощью так называемых условий надежности, которые представляют отношение между действующей нагрузкой или другими воздействиями S, с одной стороны, и некоторым из сопротивлений конструкции— с другой. В главе 3, п. 3 будут рассмотрены условия надежности при различных методах проектирования и их связь с перераспределением усилий. При этом важно уяснить, какие методы проектирования позволяют непосредственно использовать выгоды от перераспределения усилий или же каким образом перераспределение усилий может влиять на надежность конструкции. Необходимо заранее обратить внимание на некоторые моменты, важные с точки зрения надежности статически неопределимых конструкций, и при выполнении самого расчета.

Одновременное воздействие неблагоприятных факторов.

Многозначность определения понятия  несущей способности v статически неопределимых конструкций объясняется случайным характером их работы и действующей нагрузки. Кроме того, статически неопределимые конструкции имеют и другие специфические свойства, которые отличают ее от статически определимых систем.

В главе 2 было доказано, что несущая  способность статически неопределимых  конструкций, а также мера перераспределения  усилий в них, независимо от того, каким  способом их подсчитали, определяются свойствами большого количества критических  сечений и прилегающих к ним участков. Число таких критических сечений n_кр различно и зависит от конструктивной схемы и характера загружения. По меньшей мере, п_кр равно степени статической неопределенности конструкции п.

Свойства критических сечений не одинаковы. При перераспределении усилий и при достижении несущей способности конструкции далеко не все из них используются в одинаковой мере. В то время как предел трещинообразования наступает во всех критических сечениях, разрушающий момент может быть достигнут максимум в п+1 сечениях. Аналогично обстоит дело и с кривизнами при разрушении. Свойства сечений в некоторых критических зонах можно считать случайно переменными, что обусловливает случайный характер перераспределения усилий, и несущая способность конструкции будет также случайной величиной. Сам процесс перераспределения усилий не оказывает большого влияния на надежность конструкции. С несущей способностью дело обстоит несколько иначе. Рассмотрим поэтому последствия случайного характера изменчивости разрушающего момента (роль кривизны при разрушении не менее важна, однако выводы для нее будут те же самые).

Так как отдельные критические  сечения взаимоотстоят относительно далеко и характер изменчивости свойств  материала случаен, то можно предположить, что свойства сечения, а значит, и разрушающие моменты взаимонезависимы. (Более подробно эта тема изложена в работе М. Тихого и М. Ворличека. Это значит, что, к примеру, в одном сечении отклонение действительного значения разрушающего момента от среднего будет положительным, в другом оно вообще не будет отличаться от среднего значения и т. д.

Наименее благоприятным с точки  зрения надежности конструкции представляется такой случай, когда во всех критических  сечениях разрушающие моменты относительно небольшие и их отклонение от предполагаемого среднего значения отрицательно. Если принять предположение о том, что моменты М_р взаимонезависимы, то вероятность одновременного возникновения неблагоприятных разрушающих моментов во всех сечениях очень мала. Обозначим вероятность получения неблагоприятного значения М_р.мин через рм_р. Для упрощения предположим, что эта вероятность в каждом критическом сечении одинакова. Далее из общего числа вероятностей вытекает вероятность того, что для всех п_кр сечений будут справедливы выражения

 

 

В действительности же вероятность  во всех сечениях неодинакова, однако в наших рассуждениях это ничего не меняет.

Из выражения (25) следует, что с  ростом числа критических сечений  значение р*м_р уменьшается. Это очень выгодно с точки зрения надежности.

Другим важным свойством статически неопределимой конструкции, связанным со случайным характером ее работы, является возможность ее разрушения различными способами при данном загружении. Поясним оказанное на примере простой конструкции, изображенной на рис. 5. Из главы 1, п. 2 следует, что при заданном загружении Р₁, Р₂ расположение пластических зон, а следовательно, и схема разрушения зависят от свойств критических сечений. Так как эти свойства имеют случайный характер изменчивости, то и образование определенной схемы разрушения будет явлением случайным. Поэтому при заданном загружении разрушение может произойти по какой- либо одной из схем а, б или в рис. 5. Каждой из них соответствует определенная вероятность; отдельные вероятности взаиморазличаются. При большом числе возможных схем разрушения некоторые из вероятностей могут оказаться пренебрежительно малыми. При статическом решении необходимо принимать в расчет несколько схем. При точном решении следует учитывать то, что некоторые схемы разрушения зависят одни от других, так как некоторые критические сечения могут реализоваться в различных схемах.

В настоящее время при проектировании статически неопределимых конструкций  по общепринятым методам изложенные выше свойства таких конструкций  еще не используются. Только после внедрения в практику проектирования более точных статистических методов (см. ниже) появится возможность их применения.