Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема взаимодействия элементов железобетонных конструкций в системе знаний о железобетоне 12
1.1. Теория железобетона и предпосылки развития науки о железобетонных конструкциях 12
1.2. Анализ требований, предъявляемых к железобетонным конструкциям 17
1.3. Системный анализ экспериментально-теоретических исследований взаимодействия элементов железобетонных конструкций 27
1.3.1. Анализ структурных особенностей конструкций 27
1.3.2. Опыт исследований совместной работы элементов 37
1.3.3. Анализ методов расчета конструктивных систем 54
1.3.4. Анализ исследований функциональной надежности конструктивных систем 66
1.3.5. Анализ исследований эффективности взаимодействия . 73
1.4. Выводы по результатам анализа и задачи исследования . 82
2. Специализированная теория конструктивных систем - методология исследования железобетонных конструкций 87
2.1. Концепция развития строительных конструкций 87
2.2. Строительные конструкции как системы 91
2.3. Основные принципы и методы общей теории систем 96
2.4. Классификация железобетонных конструкций - основа специализированной теории систем 101
2.5. Вывод обобщенной модели конструктивной системы 108
2.6. Структура и особенности развития теории конструктивных систем 114
2.7. Методологические основы изучения взаимодействия элементов конструктивных систем 117
3. Взаимодействие элементов железобетонных изделий 110
3.1. Особенности системных исследований железобетонных изделий и их частей 139
3.2. Исследования изменчивости расчетных параметров арматуры 145
3.2.1. Изменчивость площади сечений стержневой арматуры 145
3.2.2. Влияние изменчивости расчетных параметров на надежность растянутой арматуры 150
3.2.3. Сопротивление растянутой арматуры при смешанном армировании 154
3.3. Системные модели прочности бетонных образцов 158
3.4. Вероятностный анализ прочности бетонных шпонок 164
3.5. Исследования круглопустотных плит 170
3.6. Исследования ребристых плит 184
3.7. Исследования предварительно напряженных ригелей с подрезками на опорах и уширением внизу 191
4. Взаимодействие элементов железобетонных настилов 202
4.1. Принципы системного исследования настилов 202
4.2. Особенности работы круглопустотных плит в системе настила 211
4.3. Прочность и надежность бетонных шпоночных швов 216
4.4. Развитие и совершенствование методов расчета сборных балочных настилов на поперечную нагрузку 222
4.4.1. Совершенствование расчета регулярных систем 222
4.4.2. Особенности статического расчета нерегулярных систем 231
4.4.3. Расчет экспериментального настила В.Н.Горнова 236
4.5. Системное проектирование сборных нерегулярных настилов 240
5. Взаимодействие элементов перекрытий, покрытий и других частей здания 252
5.1. Принципы исследования систем перекрытий и покрытий 252
5.2. Влияние опорных элементов на настил 260
5.3. Влияние настила на балочные ригели перекрытия 266
5.3.1. Механизм воздействия настила на ригели 266
5.3.2. Теоретические основы расчёта балочных ригелей сборных перекрытий 273
5.3.3. Рекомендации по практическому расчёту балок перекрытия и результаты расчётов 279
5.4. Экспериментальные исследования взаимодействия настила с балочными ригелями сборного перекрытия 282
5.5. Взаимодействие элементов покрытия 289
5.5.1. Результаты экспериментального исследования покрытия одноэтажного промздания 289
5.5.2. Резервы прочности решётчатых балок, работающих
совместно с плитами покрытия 292
5.6. Эффективность применения сборно-монолитного железобетона при реконструкции промзданий 299
5.7. Исследования распорного взаимодействия элементов несущих систем 305
5.7.1. Механизм и условия распорного взаимодействия 305
5.7.2. Распорное взаимодействие в системах с защемлением... 307
5.8. Взаимодействие элементов связевого каркаса малоэтажных зданий 313
5.9. Особенности взаимодействия несущих и ограждающих элементов жилых домов серии 1-
Общие выводы 322
Литература 327
- Анализ исследований функциональной надежности конструктивных систем
- Классификация железобетонных конструкций - основа специализированной теории систем
- Влияние изменчивости расчетных параметров на надежность растянутой арматуры
- Экспериментальные исследования взаимодействия настила с балочными ригелями сборного перекрытия
Анализ исследований функциональной надежности конструктивных систем
Стыки ригелей с колоннами могут быть: консольными и бесконсольными со сваркой выпусков арматуры и закладных деталей; на болтах; шарнирными, жесткими и др. [207]. В армированных стыках свай исследовалось применение клеев [273].
Имеются особенности соединений между стержневыми и плитными элементами; колоннами и фундаментами; колоннами и капителями; плитами перекрытий (покрытий) и ригелями и др. узловых связей. Характер этих связей определяется свойствами соединений и стыков сборных железобетонных элементов. Узлы - наиболее уязвимая часть сборных систем; они трудно поддаются расчету и составляют значительную долю (до 20%) стоимости конструкции [262]. Массовое применение узлов обусловливают необходимость их унификации.
Особое значение имеют соединения элементов несущих систем, к которым не предъявляют требования по расчету прочности. Такие соединения, называемые конструктивными, предназначены, прежде всего, для обеспечения конструктивной завершенности систем [221]. Так, для конструктивного обеспечения совместной работы элементов настилов применяют шпоночные связи, которые образуются при замоноличивании межплитных швов [78, 234]. Этим достигается необходимая жесткость дисков перекрытий в своей плоскости и включение в работу всех вертикальных несущих столбов (рам, колонн, ядер и диафрагм жесткости) многоэтажных зданий на действие горизонтальных нагрузок. Возмож ность применения бездиафрагменных решений отмечена для малоэтажных зданий со связевым каркасом [98, 108].
Многообразие элементов и соединений железобетонных конструкций обеспечивает широкие возможности для их развития и совершенствования конструктивных решений. Кроме бездиафрагменных зданий со связевым каркасом к последним достижениям можно отнести решение одноэтажных зданий с "крестом жесткости" [113], укрупненные безбалочные блоки из спаренных плит "на пролет" с применением предварительно напряженных связей [241] и др.
Состав и структуру железобетонных конструкций отражают на конструктивных или структурных схемах с указанием основных элементов и их характеристик (см. рис. 1.2). Эти схемы служат основой расчетных схем и моделей. Для привязки конструкций к внешней среде на конструктивных схемах указывают способы загружения систем. Виды нагрузок и воздействий в достаточной степени описаны в нормативной документации. Какие-либо общие правила структурного анализа железобетонных конструкций в нормах не приводятся. В наибольшей степени структурный анализ используют в методиках описания типовых серий сборных железобетонных конструкций [164, 260].
Таким образом, несмотря на отсутствие научной методологии исследования структуры железобетонных конструкций, следует признать, что принципу структурности придается большое значение и он в большинстве случаев реализуется достаточно полно. Это означает, что одна из сторон принципиальной модели конструктивной системы имеет хорошую, в первую очередь, эмпирическую основу. В аспекте проблемы взаимодействия элементов анализ опыта структурных исследований высветил моменты, требующие углубленного изучения. Это относится, главным образом, к конструктивным связям, их свойствам и роли в железобетонных системах, к контактным связям в распорных системах и к об общению структурных моделей взаимодействия элементов железобетонных конструкций.
Актуальность исследований совместной работы элементов железобетонных конструкций неоднократно подчеркивалась ведущими учеными и специалистами в области железобетона: А.А.Гвоздевым [54], В.Н.Байковым [14], С.М.Крыловым [152], В.А.Клевцовым [111], К.В.Михайловым [179], А.С.Семченковым [233] и др. Их общее мнение -выявление и учет взаимопомощи элементов дают экономический эффект и указания для более правильного конструирования; получено много данных, проблема не исчерпана и требует дальнейшей интенсивной разработки [55].
При исследовании железобетонных конструкций как несущих систем наиболее общей является проблема совместной работы основных элементов: бетона и арматуры. Механизм их взаимодействия обычно объясняют возникновением сдвигающих усилий по поверхности контакта элементов, которые уравновешиваются силами сцепления, склеивания и трения между арматурой и бетоном [107, 259].
Большое внимание уделяют изучению взаимодействия арматурных элементов. В этом плане актуальны исследования совместной работы отдельных стержней в конструкциях со смешанным армированием [134]. В комплексе исследований взаимодействия элементов пространственных систем с монолитными связями длительное время решали задачу по определению эффективной ширины плитных участков, включающихся в совместную пгб.ату с ребрами изгибаемых конструкций. Результаты отдельных решений, полученные почти 30 лет назад на основании опытных данных, используют до сих пор. Ограниченность размеров и числа опытных изделий, а также видов испытательных нагрузок не помешали обобщить результаты исследований на любые практические случаи и включить их в нормы. Например, при испытании широкополочных изгибаемых балок таврового сечения опытные образцы загружали только по ребрам, другие виды загружения не учитывали. В целом совместную работу полки и ребер объясняли действием сдвигающих усилий в контактных плоскостях, разделяющих эти элементы (рис. 1.6) [33, 172]. Недостатки исследования выявили еще в 1969 г. при попытках использования их результатов для изучения работы сборных железобетонных ребристых плит [236]. Трещиностойкость, деформативность и прочность опытных плит оказалась ниже, чем по расчету их как балок таврового сечения в соответствии с рекомендациями норм. При анализе опытных результатов был сделан вывод о работе ребристых плит как пространственных систем [237]. Исследование позволило уточнить роль полки в работе ребер и плиты в целом.
Классификация железобетонных конструкций - основа специализированной теории систем
Классификация как форма научного знания генетически предшествует теории, нередко с ней сосуществует и взаимодействует. В наиболее общем определении - это система понятий, классов объекта, используемая как средство для установления связей между ними, а также для точной ориентации в многообразии понятий. Классификация способствует определению места объекта теории в системе и позволяет упорядочить процесс его изучения. Ыаиболее важное значение классификации в том что она содействует развитию науки со ступени "мпнг.ического накопления знаний на уровень теоретического синтеза и системного подхода. С этих позиций, в первую очередь, целесообразно уточнить место железобетонных конструкций как систем в многообразии типов систем -объектов специализированных теорий.
В специальной литературе приведены классификации различных систем. Конструктивные системы среди них не упоминаются. Конструкции по ряду признаков на разных этапах создания и применения близки к системам механическим, техническим, материальным или абстрактным, неорганическим и открытым (по характеру взаимоотношения с внешней средой), образованным конечным множеством элементов с непосредственными или опосредственными связями между ними. Например, одна из монографий В.В.Болотина посвящена исключительно конструкциям как механическим системам, которые отличаются большим разнообразием структуры и свойств. Механические системы классифицируют обычно по характеру поведения в зависимости от числа и длительности воздействий, от числа степеней свободы и от числа измерений системы [35].
В работе [6] приведена классификация технических систем - объектов конструирования, к которым, очевидно, следует отнести и системы железобетонных конструкций (рис. 2.2). Авторы считают эту классификацию открытой, допуская ее расширение по новым или углубление по дополнительным признакам в зависимости от потребности более детального изучения системных свойств объектов. Кроме признаков, отмеченных на рис. 2.2, представляют интерес признак функционирования, раскрывающий особенности взаимодействия элементов систем, а также признак сложности.
В некоторых случаях различают системы по функциональной сложности и конструктивной сложности исполнения. К конструктивно простым, например, относят системы, состоящие из относительно небольшого числа элементов и связей между ними ( / 10 V Функциональную сложность связывают с предсказуемостью поведения. В теории надежности важным является подразделение технических систем на простые и сложные (малые и большие) в зависимости от характера влияния отказов [263]. Простая система при отказе нерезервированного элемента полностью прекращает выполнение своих функций; если же отказавший элемент резервирован, то простая система продолжает работать. Сложные системы обладают функциональной избыточностью и при отказе отдельных элементов продолжают выполнение задачи при некотором снижении характеристик эффективности.
Уже отмечалось, что современные сооружения - это сложные системы, предназначенные для выполнения разнообразных функций, из которых обычно выделяют функции полезные, определяющие качество системы. Повышение качеств систем, сохранение их в течение всего срока эксплуатации - основное содержание технического прогресса. Следует отметить, что возникновение общей теории систем связано с увеличивающейся сложностью объектов исследования, с возрастанием требований к ним и познавательными трудностями при их изучении [175]. Скачок в сложности зданий, переход к их системному изучению должен повлечь за собой перемены в технике проектирования и исследования.
Вопросы проектирования, создания, испытания и эксплуатации сложных систем изучает научно-техническая дисциплина системотехника, основным содержанием которой являются общесистемные проблемы -закономерности функционирования объекта в целом [186]. Имеются особенности проектирования и исследования сложных систем, отличающие их от простых.
Сложные технические системы - это совокупности значительного числа разнообразных по сложности компонентов, имеющих сложную переплетающуюся связь и переменные, изменяющиеся во времени нагрузки. В противоположность простым, детерминированным системам сложные системы ведут себя случайно, стохастически. Важной особенностью сложных систем является недопустимость выделения из них простых обособленных частей (подсистем) и изучение каждой в отдельности, как принято в традиционном проектировании железобетонных конструкций из элементов массового изготовления.
Если разработка и изучение простых систем опираются на анализ работы конструкции, методов их расчета и конструирования, то разработка сложных систем предполагает синтез простых, что является очень сложной задачей статистической динамики. В реальном проектировании учитывается, что в сложных системах, как правило, значимость частей для целого неодинакова, поэтому почти всегда их можно привести к модели, состоящей из простых частей, объединяющихся по уровням в подсистемы, которые могут самостоятельно характеризоваться входными, выходными и системными параметрами [218, 219].
Влияние изменчивости расчетных параметров на надежность растянутой арматуры
Начало цикла (поз. 1) на каждом этапе модернизации - это условная исходная модель конструкции (системы). С увеличением числа этапов модернизации модель получает все больше информационных связей с предыдущим опытом исследования и правильное их использование повышает эффективность каждой последующей модели и конструкции в целом.
Таким образом, в любом случае конструкция предстает в многообразии вариантов (исполнений), особенно, если речь идет о неоднократном применении системы. Многообразие вариантов - основа выбора, оптимизации, получения эффективной системы (конструкции). Эффективность системы при этом следует понимать не только как экономичность решения, но прежде всего как критерий выбора из множества, критерий принятия решения. В этом смысле принцип эффективности конструктивных систем является результатом конкретизации принципа множественности описания системы общей теории систем.
Принцип иерархичности применим не для всех систем. Причина его ограничения - так называемый иерархический парадокс (решение задачи описания любой системы возможно лишь при условии решения задачи описания этой системы как элемента более сложной системы, а решение задачи описания как элемента возможно лишь при условии решения задач описания данной системы как системы). Не любая система располагает инструментом выхода из этого парадокса. Конструктивная система предполагает использование для этого различных методов расчета, одним из которых является метод последовательных приближений. Именно в использовании метода последовательных приближений, позволяющего оперировать неполными и заведомо ограниченными представлениями о системе, рекомендуется искать выход из иерархического и подобных системных парадоксов. В этом отношении расчетный принцип конструктивных систем является результатом конкретизации иерархического принципа общей теории систем. Иерархический принцип по существу есть один из способов системного познания. Аналогичный способ познания конструктивных систем - это расчетный принцип: если конструкция не может быть рассчитана, то возникают проблемы с ее теоретическим изучением.
Таким образом, поскольку основные принципы конструктивных систем конкретизируют принципы общей теории систем, можно считать, что теоретическая модель конструктивной системы в виде принципиальной схемы (см. рис, 2.5) является результатом конкретизации общесистемной модели. Так как конкретизация общесистемных принципов выполнена в соответствии с требованиями и принципами проектирования железобетонных конструкций, то полученные результаты подтверждают правильность выбора исходных позиций специализированной теории конструктивных систем.
Разработкой обобщенной модели конструкции завершен первый этап формирования специализированной теории конструктивных систем - методологии исследования железобетонных конструкций. Как любая научная теория она имеет все необходимые компоненты в своей структуре: эмпирическую и теоретическую основы, содержание и логику [99].
Исходная эмпирическая основа теории включает множество зафиксированных в области железобетонных конструкциях фактов, полученных в ходе экспериментов, наблюдений, обследований и требующих теоретического объяснения. Эмпирическая основа - одна из сторон обобщенной модели конструктивной системы. Из-за большого объема эмпирической информации нереален полный анализ ее в данной работе, цель которой - исследование взаимодействия элементов железобетонных конструкций, т.е. принципа функционирования конструктивной системы. Системный анализ опытных данных по совместной работе элементов железобетонных конструкций выполнен в главе 1.
Исходную теоретическую основу составляет классификация конструктивных систем (см. рис. 2.3) и обобщенная модель в виде принципиальной схемы (рис. 2.5), иллюстрирующей процесс теоретического раскрытия свойств конструкции. Принцип структурности раскрывает внутренние свойства, строение и состав; принцип функционирования - общесистемные свойства или поведение; принцип надежности - внешние свойства, определяемые условиями эксплуатации, а принцип эффективности - качество системы, обусловливающее ее пригодность удовлетворять определенные потребности. Расчетный принцип - это инструмент взаимодействия всех сторон принципиальной модели. Теоретическая модель предусматривает возможность повторения циклов познания в зависимости от сложности решаемой проблемы и способа развития объекта исследования.
Характер теоретической модели соответствует основному понятию теории конструктивных систем. Объект теории - конструктивная система - это модель здания, инженерного сооружения или их частей, структурные элементы которых эффективно взаимодействуют между собой и внешней средой.
Системный подход определяет логику теории конструктивных систем, т.е. правила логических выводов и доказательств, которые должны допускаться в рамках теории. Логика вытекает из главного системного принципа - познание от общего к частному или к части через целое. Это означает, что для выводов и доказательств по теории конструктивных систем применяется дедуктивный метод, а теория в целом относится к типу дедуктивных.
Основное содержание теории на данном этапе развития составляют понятия и принципы обобщенной модели конструкции.
Экспериментальные исследования взаимодействия настила с балочными ригелями сборного перекрытия
Результатом функционального анализа несущей конструктивной системы могут быть схемы напряженных состояний отдельных элементов (сечений, стержней, стыков и т.п.) и системы в целом. Один из аспектов функционального анализа - функционально-экономический анализ -подразумевает такое изучение всех параметров, компонентов системы, при котором могут быть получены и оценены сведения о соответствии конструкции и внешней среды, о целесообразности включения тех или иных элементов в конструктивную систему. Функционально-стоимостной анализ, другой аспект функционального анализа, представляет возможность стоимостной оценки отдельных функций системы, которые предварительно классифицируют по ряду признаков. Согласно классификации (рис. 2.8) функция взаимодействия элементов конструкции относится к основным, внутренним.
Таким образом, принцип функционирования теории конструктивных систем применительно к рассматриваемой проблеме означает, что взаимодействие элементов железобетонных конструкций - это основная внутренняя функция, заключающаяся в способности элементов, в том числе связевых, сопротивляться тем или иным воздействиям через совместную работу элементов. Без взаимодействия элементов железобетонные конструкции не могут функционировать.
Расчетный принцип определяет способы теоретического познания конструктивной системы и выполнения основных требований на уровне моделей конструкций. Большое число задач, возникающих при этом, обусловливает множественность расчетных моделей. Наибольшее внимание уделяют трем группам моделей несущих конструкций: методу сечений, стержневым моделям и методу конечных элементов [88].
Основным принципам теории конструктивных систем соответствуют четыре группы расчетов несущих конструкций: статических или динамических, конструктивных, расчетов на надежность и эффективность. Каждая группа является предметом соответствующих теорий и дисциплин: расчета сооружений (строительной механики), железобетона, надежности и эффективности. Основными методами расчета взаимодействия элементов железобетонных конструкций являются статические или динамические методы теории сооружений, определяющие характер расчетных моделей взаимодействия.
Для современного расчета строительных конструкций методами теории сооружений характерен системный подход, вызывающий необходимость рассматривать конструктивную систему в целом. Как одну из своих важнейших задач, строительная механика решает проблему пространственного расчета конструкций без расчленения на отдельные элементы. Считается, что такой подход дает возможность использовать запасы несущей способности, которые не могут быть выявлены при поэлементном расчете. Однако вследствие многократной статической неоппелелимости сложных железобетонных конструкций и изменчивости различных факторов пространственные расчеты в настоящее время могут быть только проверочными [218]. После анализа конструктивных схем и механизма взаимодействия элементов конструкций применяется определенный алгоритм проверочных расчетов: вычисление жесткостных параметров и обобщенных усилий; уточнение усилий в элементах и усилий взаимодействия; проверка прочности и деформативности отдельных элементов в основном методами предельных состояний.
Прогнозируя развитие методов расчета строительных конструкций, А.А.Гвоздев предполагал, что в обозримом будущем будет неизменным положение о цели расчета, которая должна состоять в том, чтобы сделать достаточно малой вероятность каждого из опасных или нежелательных предельных состояний [54]. Предостерегая от замены поэлементных расчетов сложных сооружений расчетами как единого целого, А.А.Гвоздев оперировал следующими аргументами: во-первых, предельное состояние отдельных элементов может наступать независимо от соседних; во-вторых, второстепенные элементы, влияющие очень сильно на общее состояние сооружений при невысоком уровне нагрузки, могут перестать оказывать помощь целому при более интенсивном нагружении. Поэтому лучше было бы говорить не о расчете сооружения и его основания как целого взамен поэлементного расчета, а об учете совместной работы элементов зданий и сооружений на разных стадиях изучаемых воздействий.
В связи с компьютеризацией процессов исследования и проектирования представляется возможность значительного усложнения расчетов, в том числе пространственных с учетом совместной работы элементов. Следствием этого является также развитие сложных вероятностных методов, применение деформированных схем, ужесточение требований по точности расчета и т.д. Однако даже при использовании быстродействующих ЭВМ все факторы в одном расчете железобетонных конструкций учесть практически невозможно. Поэтому решение задач рекомендуется выполнять путем выделения тех или иных особенностей в поведении конструкции, во взаимодействии их элементов, которые проявляются по разному при строительстве и эксплуатации.
Расчетный принцип взаимодействия элементов ориентирует на выявление совместной работы элементов железобетонных конструкций и сводится к количественной оценке взаимодействия с учетом специфики деформирования основных и связевых элементов в различных условиях изготовления и эксплуатации.
Основные задачи исследования надежности взаимодействия элементов железобетонных конструкций заключаются в обосновании требова-ний к элементам и конструкции в целом в виде отношений входных и выходных параметров, в выборе принципиальных направлений и способов обеспечения их выполнения. К исследованию надежности приступают после выбора структурной и расчетной моделей конструкции и установления механизма взаимодействия элементов, поэтому принципы надежности и эффективности реализуют в основном при принятии решений.
Похожие диссертации на Научные основы исследований взаимодействия элементов железобетонных конструкций
