МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА

СЕМКО ОЛЕКСАНДР ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 624.016:519.24

НАДІЙНІСТЬ СТАЛЕЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ

05.23.01 – „Будівельні конструкції, будівлі та споруди”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Полтава – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: | доктор технічних наук, професор Стороженко Леонід Іванович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, професор кафедри конструкцій з металу, дерева і пластмас;

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Барашиков Арнольд Якович, Київський національний університет будівництва та архітектури, завідувач кафедри залізобетонних і кам’яних конструкцій;

доктор технічних наук, професор Молодченко Геннадій Анатолійович, Харківська національна академія міського господарства, завідувач кафедри будівельних конструкцій;

доктор технічних наук, професор Кінаш Роман Іванович, Національний університет „Львівська політехніка”, завідувач кафедри архітектурних конструкцій.

Провідна установа: | Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, відділ надійності будівельних конструкцій, Міністерство будівництва, архітектури та житлово-комунального господарства України, м.Київ.

Захист відбудеться “14” березня 2006 р., о 13год. 20хв., на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 44.052.02 при Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою: 36601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24, ауд.218.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 36601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

Автореферат розісланий “2” лютого 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Чернявський В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток будівництва в Україні супроводжується відходом від типових збірних залізобетонних конструкцій, що пов’язано із загальною економічною ситуацією і старінням матеріальної бази заводів залізобетонних виробів та домобудівельних комбінатів. Ведеться інтенсивний пошук нових конструктивних рішень, що поєднують бетон, сталеві профілі й арматуру для раціональної сумісної роботи. Ці фактори разом із прагненням замовників мати індивідуальні, пристосовані під конкретні задачі проекти, сприяють широкому застосуванню комплексних сталезалізобетонних конструкцій (СЗБК), які поєднують кращі властивості сталевих, залізобетонних (збірних та монолітних) конструкцій.

Незважаючи на досить широке використання сталезалізобетону, в Україні відсутні нормативні документи, які б узагальнили досвід його проектування і будівництва. Розрахунки й проектування сталезалізобетону ведуться в основному згідно з діючими СНиП ІІ-23-81* „Стальные конструкции”, СНиП 2.03.01-84* „Бетонные и железобетонные конструкции” та посібниками до них: „Руководство по проектированию железобетонных конструкций с жесткой арматурой” (М.,1978); „Рекомендации по проектированию монолитных железобетонных перекрытий со стальным профилированым настилом” (М., 1987). Ці нормативні документи не перекривають усе поле нинішнього використання сталезалізобетону в будівництві.

Зростаюче використання більш потужної обчислювальної техніки, накопичення експериментального матеріалу і багаторічного досвіду спостережень за несучими конструкціями з урахуванням фактичних навантажень та впливів надають можливість подальшого розвитку методу граничних станів для сталезалізобетону, а саме :

- розрахунок надійності конструкцій з урахуванням імовірнісних характеристик фізико-механічних властивостей матеріалів;

- урахування фізичної нелінійності, дійсних діаграм деформування матеріалів;

- урахування впливу експлуатаційних пошкоджень та дефектів, а також підсилення, на надійність сталезалізобетонних конструкцій, що утворюються при підсиленні й реконструкції.

Отже, дисертаційна робота присвячена актуальній науково-технічній проблемі розроблення методів розрахунку надійності сталезалізобетонних конструкцій як нових типів, так і тих, що працюють в експлуатованих будівлях та спорудах, виробленню на цій основі рекомендацій і створенню нормативних документів із розрахунку сталезалізобетонних конструкцій за методом граничних станів та розробленню і впровадженню нових типів сталезалізобетонних конструкцій.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає напрямам науково-технічної політики держави в галузі оцінювання технічного стану будівель і споруд згідно з Постановою Кабінету Міністрів України №409 від 05 травня 1997 р. „Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будівель, споруд та мереж”, Постановою Кабінету міністрів України №1313 від 20 серпня 2000 р. „Про затвердження програми запобігання і реагування на надзвичайні ситуації технічного і природного характеру на 2000-2005 роки з метою комплексного вирішення проблем захисту населення і територій від надзвичайних ситуацій техногенного і природного характеру і в інтересах безпеки окремої людини, суспільства, національного надбання та навколишнього середовища”, рішенням науково-технічної ради Держкомітету будівництва, архітектури та житлової політики (Держбуду) України від 16.11.2001 р. №63 „Про досвід НДІБК щодо вирішення науково-технічних проблем обстеження, оцінки технічного стану та підсилення конструкцій і будівель в умовах стислих термінів будівництва та реконструкції”.

Дисертація виконувалася в рамках держбюджетних дослідних тем у ПолтНТУ імені Юрія Кондратюка „Розробка пропозицій до вдосконалення норм проектування будівельних конструкцій на основі дослідження їх надійності” (державний реєстраційний номер 6194U040038); „Розробка методів розрахунку, проектування і будівництва трубобетонних конструкцій на основі дослідження їх дійсної роботи” (державний реєстраційний номер 0193U009180), „Дослідження об’ємного напружено-деформованого стану елементів із стальних труб, заповнених бетоном при складних навантаженнях” (державний реєстраційний номер 0196U006060), „Розробка методів розрахунку надійності будівельних конструкцій та нормування навантажень на них” (державний реєстраційний номер 0196U000999).

Метою роботи є розробка комплексних методів оцінки та управління надійністю сталезалізобетонних конструкцій шляхом визначення часткових коефіцієнтів надійності методу граничних станів для проектування таких конструкцій.

Задачі досліджень:

- аналіз параметрів дійсного напружено-деформованого стану різних типів сталезалізобетонних конструкцій;

- статистичний аналіз результатів експериментальних досліджень міцності та деформативності елементів і складових сталезалізобетонних конструкцій;

- експериментальні дослідження (в тому числі і натурні) розроблених нових типів сталезалізобетонних конструкцій;

- формування моделей і методів розрахунку ймовірності відмови як забезпеченості міцності елементів сталезалізобетонних конструкцій;

- розробка методів розрахунку і визначення показників надійності комплексних рамних сталезалізобетонних конструкцій як складних багаторівневих систем;

- розробка теоретичних основ оцінки ризику при проектуванні та експлуатації будівель і споруд із сталезалізобетонних конструкцій;

- розробка методу визначення коефіцієнтів методу граничних станів розрахунку сталезалізобетонних конструкцій на основі ймовірнісних розрахунків;

- упровадження результатів досліджень при проектуванні нового будівництва і реконструкції та підсиленні сталезалізобетонних конструкцій;

- складання нормативного документа щодо проектування сталезалізобетонних конструкцій.

Об’єкт досліджень – сталезалізобетонні конструкції будівель та споруд.

Предмет досліджень – надійність сталезалізобетонних конструкцій.

Методи досліджень:

- експериментальні методи дослідження напружено-деформованого стану і несучої здатності при випробуваннях сталезалізобетонних конструкцій;

- методи математичної статистики й теорії ймовірності при аналізі результатів експериментальних досліджень сталезалізобетонних конструкцій і їх елементів, а також методи теорії надійності при аналізі надійності та ризиків;

- методи будівельної механіки при чисельному аналізі напружено-деформованого стану нових і експлуатованих сталезалізобетонних конструкцій будівель та споруд.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- вперше проведене комплексне дослідження проектних рішень відомих та запропонованих нових СЗБК із порівнянням їх надійності;

- суттєво розвинуто статистичний аналіз імовірнісних характеристик результатів експериментальних досліджень міцності й деформативності елементів та складових сталезалізобетонних конструкцій;

- розвинуті методи розрахунку забезпеченості міцності сталезалізобетонних конструкцій з урахуванням фізичної нелінійності матеріалів;

- суттєво розвинуті методи розрахунку надійності статично невизначених сталезалізобетонних рам, багатоелементних вузлів сталезалізобетонних конструкцій з урахуванням стадійності навантаження;

- розроблена методика визначення на ймовірнісний основі розрахункових коефіцієнтів методу граничних станів для нормування розрахунку сталезалізобетонних конструкцій;

- запропонована модель розрахунку апостеріорної надійності сталезалізобетонних конструкцій байесовськими методами;

- дістала подальший розвиток методика виконання експериментальних досліджень натурних зразків та фрагментів рам з нових типів сталезалізобетонних конструкцій;

- вперше отримано розрахункову модель для визначення коефіцієнта надійності за призначенням СЗБК у просторі актуарних страхових ризиків;

- отримано залежності між імовірністю безвідмовної роботи конструкцій із дефектами до та після підсилення для визначення страхової доцільності підсилення.

Практичне значення одержаних результатів роботи:

- запропоновані та впроваджені в будівництво нові ефективні типи сталезалізобетонних конструкцій, захищені патентами;

- експериментально підтверджена (проведенням випробування на діючих будівлях) можливість застосування комплексних збірно-монолітних сталезалізобетонних конструкцій;

- розроблена методика розрахунку нових типів сталезалізобетонних конструкцій з урахуванням стадійності завантаження, черговості включення елементів в сумісну роботу;

- подані пропозиції до українських норм розрахунку та проектування сталезалізобетонних конструкцій;

- розроблені методи, що дозволяють визначати й порівнювати надійність і ризики при проектуванні нових та підсиленні існуючих конструкцій різних типів.

Впровадження результатів роботи: Результати досліджень прийняті для використання при розробленні зведених правил „Сталезалізобетонні конструкції” до нового нормативного документа України „Бетонні і залізобетонні конструкції”.

Результати роботи лягли в основу розроблення, проектування та будівництва сталезалізобетонних конструкцій виконаних:

- інжиніринговою компанією ТОВ „Етуаль” – при будівництві виробничих цехів Кременчуцької та Полтавської кондитерських фабрик, Радомишльського та Полтавського пивзаводів, Жашківського лікеро-горілчаного заводу, Київського заводу „Керамін”, адміністративно-побутових корпусів Кременчуцької та Прилуцької тютюнових фабрик;

- підприємством ТОВ „ЕКФА” – при реконструкції формувального цеху й естакади Кременчуцького сталеливарного заводу, випробуваннях сталезалізобетонних конструкцій підсилення Полтавського алмазного заводу, в проектах надбудови магазинів „Пасаж” та „Магнат” в м. Полтава;

- Світловодським заводом залізобетонних конструкцій швидкомонтуємих будівель, де запроектовано, випробувано та широко впроваджено в будівництво на об’єктах України та Росії два типи сталезалізобетонних ригелів прольотом 12 м та шестиметровий сталезалізобетонний понижений ригель у складі рами із залізобетонними колонами. Затверджено рішенням Держбуду України №29 від 10.06.2005 технічні умови „Ригель покриттів сталезалізобетонний” ТУ У В.2.6-28.1-14276579-002:2005;

- страховою компанією „Універсальна”, якою була запроваджена методика визначення актуарних страхових ризиків при страхуванні об’єктів будівництва, будівель і споруд.

Особистий внесок здобувача: Всі основні результати дисертаційної роботи одержані самостійно. В публікаціях у співавторстві здобувачеві належить: [15,18,24,30-37,47,50,51] – розроблення методики експериментальних досліджень СЗБК; [16,17,19,20,38-44,52] – розроблення науково-теоретичних основ визначення надійності СЗБК; [2,14,21-29,45,48,49] - аналіз напружено-деформованого стану СЗБК з урахуванням фізичної нелінійності.

У дисертації не використовувались матеріали кандидатської дисертаційної роботи.

Апробація результатів роботи: Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались на таких конференціях, симпозіумах, семінарах:

- Республиканская научно-техническая конференция “Совершенствование железобетонных конструкций, работающих на сложные виды деформаций”, Полтава, 1989 г.; Республиканские научно-технические конференции “Социально-экономические и научно-технические проблемы”. - Черкассы, 1989 г.; 1990 г.; II международная конференция молодых ученых в области бетона и железобетона. –Иркутск, 1990г.; VII Всесоюзная конференция “Экспериментальные исследования инженерных сооружений” - Сумы, 1991 г.; Республиканская школа-семинар “Прогрессивные методы ведения проектных и исследовательских работ при реконструкции стальных каркасов зданий и сооружений” - Киев, 1991 г.; Научно-технические конференции ПолтНТУ – 1991-2005гг.; Научно-техническая конференция “Надежность зданий и сооружений” - Черкассы, 1993г.

- Міжнародна конференція “Металлостроительство-96” - Донецк-Макеевка, 1996г.; II, III, VI міжнародні симпозіуми „Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій” – Львів-Ужгород, 1996, 1998, 2005 рр.; Міжнародні науково-технічні конференції „Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” – Рівне, 1996, 2003рр.; Міжнародні науково-технічні конференції „Сталезалізобетонні конструкції”. – Кривий Ріг, 1996, 1998, 2002, 2004 рр.; Всеукраїнські конференції „Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону”. – Київ, 1996 р; Львів, 2003 р.; І Всеукраїнська науково-практична конференція „Прогресивні технології і машини для виробництва будівельних матеріалів, виробів і конструкцій”. – Полтава, 1996.

- Міжнародні симпозіуми “Современные строительные конструкции из металла и древесины” - Одеса, 1997, 2005 рр.; Міжнародна науково-практична конференція „Проблеми теорії і практики залізобетону” – Полтава, 1997 р.; Міжнародна конференція “Инженерные проблемы современного бетона и железобетона” - Мінськ, 1997 г.; VII міжнародна науково-технічна конференція „Металеві конструкції” – Дніпропетровськ, 2000 р.; Міжнародна науково-технічна конференція „Строительство и техногенная безопасность” – Сімферополь, 2002 р.; Міжнародні науково-технічні конференції “Инновационные технологии диагностики, ремонта и восстановления объектов строительства и транспорта” - Крим, 2003, 2004, 2005 рр.; Міжнародні науково-практичні конференції „Баштові споруди: матеріали, конструкції, технології”. – Макіївка, 2003, 2005 рр.; П’ята Всеукраїнська науково-технічна конференція „Будівництво в сейсмічних районах України”. – Ялта, 2004р.; VIII Українська науково-технічна конференція “Металлические конструкции: взгляд в прошлое и будущее”. - Київ, УкрНДІпроектстальконструкція, 2004 р.

Дисертація в цілому доповідалась на Міжнародній конференції “Инновационные технологии диагностики, ремонта и восстановления объектов строительства и транспорта” у вересні 2005 р., а також на розширених засіданнях кафедр металевих конструкцій ДонНАБА (м.Макіївка) та будівельних конструкцій ХНАМГ (м. Харків), сумісному засіданні відділів №7, №8 Донецького ПромбудНДІпроекту.

Публікації. За темою дисертації опубліковано: 2 монографії, 45 статей, із них 15 одноосібних, навчальний посібник, отримано 4 патенти України на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, основних висновків, списку використаних джерел і додатків. Роботу викладено на 468 сторінках машинописного тексту, з яких 298 сторінок основного тексту, 115 повних сторінок із рисунками та таблицями, 38 сторінок списку використаних джерел, 16 сторінок додатків.

Особиста велика подяка за підтримку й багаторічні дружні поради д.т.н., проф. Стороженку Леоніду Івановичу та д.т.н., проф. Пічугіну Сергію Федоровичу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність проблем, сформульовано мету та задачі досліджень, наукову новизну, практичну цінність та використання отриманих результатів.

У першому розділі розкривається зміст проблеми визначення надійності сталезалізобетонних конструкцій (СЗБК), особливостей проектування та нормування їх розрахунку. Наведено загальну характеристику сталезалізобетонних конструкцій, що дозволяє відрізняти їх в ряду сталевих і залізобетонних. Це співвідношення несучої здатності сталевої частини без бетону Ns до забетонованої СЗБК – Nsb, якщо 0.2?Ns/Nsb?0.9 – це СЗБК, при 0.2? Ns/Nsb – це залізобетонна конструкція, а при Ns/Nsb>0.9 – сталева конструкція. Розглянуто детерміністичні методи розрахунку таких типів сталезалізобетонних конструкцій.

1. Сталезалізобетон із зовнішнім суцільним армуванням, включаючи трубобетонні конструкції (ТБК) із різними формами перерізу труби-оболонки (кругла, прямокутна та ін.).

2. Сталезалізобетон із зовнішнім наскрізним армуванням, насамперед брускові елементи, а також елементи, що виникають при обетонуванні порожнини сталевих наскрізних колон.

3. Сталезалізобетон (сталебетон) із зовнішнім листовим армуванням, яке може бути одностороннім, двостороннім, тристороннім.

4. Сталезалізобетон у вигляді залізобетону з внутрішньою жорсткою арматурою. Відрізняється обов’язковою наявністю захисного шару бетону на всіх частинах сталевого прокату.

5. Сталезалізобетон у вигляді сталевих конструкцій із прибетонованими до їх стиснутих елементів залізобетонними частинами, сумісна робота яких забезпечується спеціальними заходами – анкерами, упорами, приклеюванням, фрикційними з’єднаннями та ін.

6. Сталезалізобетон у наскрізних складених конструкціях типу ферм, коли залізобетон використовується для підсилення стиснутих або стиснуто-зігнутих елементів, поєднаних із наскрізною сталевою конструкцією.

Питаннями проектування та розрахунку СЗБК, включаючи трубобетонні, залізобетонні з жорсткою арматурою, з незйомною опалубкою, брускові конструкції та конструкції з листовим армуванням займалися С.М.Абовська, Ю.Г. Аметов, Є.Є.Гібшман, Б.Г. Гнідець, О.А. Долженко, О.І Кікін, Ф.Є. Клименко, Р.І. Кінаш, І.Я. Лучковський, Г.П. Передерій, В.О. Пермяков, В.А.Росновський, Г.Ш. Салія, М.М. Стрєлецький, Р.С.Санжаровський, Л.І. Стороженко, В.А.Труль, О.Л. Шагін, Е.Д. Чихладзе, В.В.Фурсов та інші. Разом із тим недостатня увага приділялась розрахунку СЗБК як систем у цілому, з урахуванням дійсної роботи вузлів і рам.

Розглянуто загальні принципи визначення надійності будівельних конструкцій, закладені в роботах М.С. Стрєлецького, О.Р. Ржаніцина, В.В.Болотіна, Г.А. Генієва, М.Б. Краковського, А.І.Лантух-Лященка, В.А.Пашинського, А.В.Перельмутера, С.Ф. Пічугіна, В.Д. Райзера, В.П.Савчука, С.Б.Усаковського, Г.Шпете, G.Augusti, A.Baratta, F.Casciati.

Питання статистичного аналізу фізико-механічних характеристик бетону, прокату та арматури вивчались у роботах А.Я. Барашикова, А.М. Бамбури, Є.В. Горохова, М.М.Застави, Р.І.Кінаша, Ю.А. Клімова, С.Ф.Клованича. В.П. Корольова, А.С. Личова, В.Г.Пошивача, М.В.Савицького, О.В. Шимановського, А.М. Югова, О.Ф.Яременка. Проте особливості впливу умов сумісної роботи елементів СЗБК на статистичні характеристики в цих роботах практично не висвітлювались.

Питання надійності трубобетонних конструкцій ставилися в роботах В.І.Єфименко, В.М. Кебенко, Р.С. Санжаровського, О.І. Кікіна, В.А. Труля, але не було дано конкретних пропозицій щодо обгрунтованого нормування розрахункових коефіцієнтів методу граничних станів.

Надійність роботи підсилених конструкцій в умовах експлуатації розглядалась у роботах А.Я. Барашикова, О.Б. Голишева, В.М. Гордєєва, Б.Г. Демчини, В.С. Дорофєєва, Є.М. Єрмака, В.Г.Кваші, Г.А. Молодченка, М.М. Складнєва, О.М. Сидоренка, М.Л. Фомиці, В.С. Шмуклера. Разом із тим за межами уваги дослідників залишались питання застосування отриманих значень імовірностей безвідмовної роботи для страхового аналізу актуарних ризиків у будівництві та експлуатації.

На основі аналізу стану проблеми сформульовані мета і задачі досліджень. Структурно-логічна схема дисертації наведена на рис.1.

Другий розділ присвячено статистичному аналізу фізико-механічних характеристик елементів та матеріалів СЗБК. Виконано порівняння впливу умов виготовлення ЗБК і СЗБК на мінливість (коефіцієнт варіації) характеристик напружено деформованого стану бетону.

Рис.1. Структурно-логічна схема досліджень СЗБК у дисертаційній роботі

Детально досліджувався вплив об’ємного напружено-деформованого стану на статистичні характеристики міцності трубобетонних елементів. Для цього виготовлялись великі серії (>40 шт) коротких центрально стиснутих зразків-близнюків (з однієї сталі та бетону), які відрізнялись лише умовами виготовлення. Наприклад, довгі зразки бетонувалися у вертикальному положенні і розрізалися на 4 коротких.

Крім того, було оброблено понад 400 результатів випробувань коротких центрально-стиснутих трубобетонних зразків – дослідів інших авторів. Усі ці результати після контролю однорідності серій за методом Вілкоксона були об’єднані в одну вибірку, і визначено прості регресивні залежності для коефіцієнта ефективності трубобетону

(1)

та коефіцієнти ефективності бетону в трубі:

, (2)

де NТБ – несуча здатність трубобетонного елемента;

– середнє значення призмової міцності бетону;

– середнє значення межі текучості сталі труби;

As, Ab – площа перерізу відповідно сталевої труби та бетонного осердя.

Залежність для m від експериментальної призмової міцності бетону Rb

m = -0,0086Rb + 1,5362 (3)

наведено на рис. 2.

Рис. 2. Залежність m-Rb

Зіставлення з аналогічними залежностями для m, отриманими в роботах Л.І.Стороженка, Л.К. Лукші, Eurocode 4 та інших, свідчить про те, що в області практичних значень для трубобетонних конструкцій (ТБК): µ=0.06-0.10; клас бетону В20-В30; відхилення всіх цих залежностей одна від одної не перевищують 4-7 відсотків.

У той же час значний розкид експериментальних значень NТБ=f(µ; Rs; Rb) свідчить про наявність методичних розбіжностей у результатах експериментів. Відомо, що великий вплив на визначення NТБ мають передумови розрахунку. Так, Nu,, визначене як максимальне руйнівне навантаження, може в 1.3-1.8 раз перевищувати Ny, визначене за межею досягнення текучості в трубі оболонці. Було вивчено понад 80 зразків, для яких проаналізована відповідність залишкових деформацій ?зал значенням максимальної несучої здатності Nu,ТБ у коротких центрально стиснутих трубобетонних елементах.

Рис. 3. Залежність співвідношення Nu/Ny від повних залишкових відносних пластичних деформацій ?зал

Як видно з графіку Nu/Ny -?зал, сталь труби оболонки працює практично в зоні зміцнення діаграми роботи сталі ?y-?y.

Велике значення для аналізу результатів розрахунку має формування моделі відмови сталезалізобетонного елемента. Були прийняті такі передумови розрахунку СЗБК:

1. Гіпотеза плоских перерізів.

2. Використання законів деформування матеріалів ?і-?і.

3. Критерій руйнування матеріалу – межа текучості (або обмеження деформації ?u=220-300·10-5).

4. Умова спільності деформацій і сумісної роботи всіх елементів СЗБК.

5. Забезпечення достатніх місцевих деформацій при досягненні граничних умов елементів СЗБК.

Для вивчення можливості забезпечення цих передумов були виконані експериментальні дослідження тріщиностійкості та несучої здатності гнучких анкерів в СЗБК (рис. 4). Результати експериментів свідчать про більшу ефективність анкерів-коротишів порівняно з петлевими й похилими анкерами.

Рис. 4. Гістограма відношення руйнуючого навантаження до маси анкерів різної конструкції

У цьому ж розділі досліджувалася мінливість деформативності й геометричних розмірів СЗБК порівняно зі збірними ЗБК і складена таблиця 1 порівняння статистичних характеристик фізико-механічних властивостей СЗБК та ЗБК, яка служила підгрунтям для визначення ймовірності безвідмовної роботи конструкцій у техніці випадкових величин та випадкових процесів.

Таблиця 1

Порівняння статистичних характеристик ЗБК і СЗБК

Конструкції | ЗБК | СЗБК

НДС | Стиснуті

(короткі L/h<5) | Згинані (довгі L/h>10) | Трубобетон

L/d<5 | СЗБК при згині L/h>10

Вид матеріалу | Бетон | Арматура | Бетон | Арматура | Бетон | Сталеві труби | Бетон | Прокат | Арматура

Межі аналізу | за міцністю | B10-35 | 20-50 кН/см2 | B10-B40 | 20-50

кН/см2 | В10-В40 | 20-30

кН/см2 | В10-В40 | 20-30

кН/см2 | 20-50

кН/см2

? | 0,5-5% | 0,5-5% | 2-20% | 2-20% | 0,5-5%

розмір | 0,01м2-0,5м2 | O4- O40 | 0,01-1м2 | O4- O40 | 0,01-0,5м2 | O100-1000 мм | 0,01-1м2 | 10-500см2 | O4- O40

Статистики міцності | Rb=0.74R

Vi,% | 13.5

(8-25) | 5

(3-8) | 13.5 (8-25) | 5

(3-8) | 10

(5-15) | 5

(3-8) | 13.5

(5-20) | 5

(3-8) | 5

(3-8)

? | 3 | 4 | 3 | 3 | 4 | 3 | 3 | 3 | 3

Мінли-вість розмірів | VA,% | 1-2 | 0.5-1 | 1-4 | 0.5-1 | 0.5-1 | 0.5-1 | 1-4 | 0.5-1 | 0.5-1

Статистики деформації | Eb | Es | Eb | Es | Eb | Es | Eb | Es | Es

,% | 15-20 | 5(3-8) | 10-20 | 5 | 10-15 | 5 | 10-15 | 5 | 5

220 | 220 | 300 | 200 | 400 | 400 | 220 | 200 | 200

,% | 10-20 | 5-10 | 10-25 | 5-10 | 10-25 | 10-20 | 10-25 | 5-10 | 5-10

Порівняння статистичних характеристик ЗБК і СЗБК свідчить швидше про їх збіжність, ніж про наявність суттєвих відмінностей.

У третьому розділі проведено ймовірнісний аналіз міцності нормальних перерізів сталезалізобетонних елементів порівняно зі сталевими й залізобетонними. Для цього використані розрахунки як за граничними станами, так і за деформаційною моделлю, а також методом скінчених елементів (NASTRAN, ANSYS) із використанням нелінійних залежностей для бетону і діаграми Прандтля (зі зміцненням) для сталі.

Було виконано порівняння забезпеченості розрахункових значень міцності стиснутих та згинаних СЗБК і ЗБК, визначеної різними методами. Ймовірність безвідмовної роботи (ЙБР) СЗБК визначалась методом лінеаризації й методом статистичного моделювання. Для методу граничних станів використовувалось безпосереднє статистичне моделювання на базі 106-108 випробувань, а для розрахунків за деформаційною моделлю та МКЕ використовувався метод апроксимуючих поліномів, за яким виконувалось 27 детерміністичних розрахунків на кубі (де - середньоквадратичне відхилення міцності для прокату, арматури й бетону). Отримана поверхня апроксимувалась поліномом вигляду

, (4)

для якого виконувалося статистичне моделювання. Проведені розрахунки засвідчили прийнятність такої методики, особливо для визначення ймовірності відмови на „хвостах розподілів” в області, близькій до .

Тривалі процеси при визначенні надійності СЗБК запропоновано враховувати при обчисленні коефіцієнтів надійності за матеріалом ?m та коефіцієнтом умов роботи ?с. Наприклад, за сприятливих умов міцність бетону збільшується, що враховується при визначенні детерміністичними методами, а також може зменшуватись і коефіцієнт варіації міцності бетону Vb=Vb0-kT, де Т – час у роках, а k – редукційний коефіцієнт. У той же час, за несприятливих умов може відбуватись збільшення мінливості міцності бетону Vb=Vb0+kT. Вплив цих факторів на значення ?m для бетону наведено на рис.5 при k=0.001, T?50.

Рис. 5. Вплив змін коефіцієнта варіації бетону Vb(t) на значення ?m(t) при постійному k=0.001

Для врахування корозійних процесів або пошкоджень запропоновано використовувати коефіцієнт умов роботи ?с, який для згинаних залізобетонних елементів із корозією арматури буде мати вигляд:

. (5)

Рис. 6. Вплив фактора часу на значення ?c при різних коефіцієнтах армування µ

(Rs=365МПа; Rb=14.5МПа; ?R=Rb/Rs; ?s=3; Vs=0.05; k=0.01)

Отже, врахування впливу сприятливих або несприятливих умов експлуатації при забезпеченні певного мінімального рівня надійності суттєво впливає на значення початкових коефіцієнтів надійності ?m та ?с.

Були проаналізовані і наведені в роботі основні залежності між показниками вартості матеріалів та надійністю СЗБК, що дозволило в подальшому перейти до аналізу можливих ризиків (як вартісних показників) при проектуванні й будівництві СЗБК.

У четвертому розділі розглянуто методи розрахунку надійності сталезалізобетонних систем, для яких запропоновано наступний ієрархічний поділ.

1. Система, яка описує міцність нормального (або похилого) перерізу сталезалізобетонного елемента, що включає сталевий прокат, арматурні стержні, заводський бетон, бетон замонолічування, зварні об’єднувальні шви, засоби анкерування. Всі елементи системи першого рівня при розрахунку міцності працюють в області непружних деформацій і мають власні статистичні властивості.

2. Вузли сталезалізобетонних конструкцій. Система може включати елементи системи першого рівня, надійність яких залежить безпосередньо від статистичних властивостей матеріалів. Надійність вузлів, як складних систем, теж повинна розглядатись з урахуванням непружних властивостей елементів. Аналіз систем цього рівня ускладнюється значним впливом виду зовнішніх навантажень на роботу системи. Прийнято квазістатичне, однопараметричне навантаження. Надійність розраховується як забезпеченість міцності (жорсткості) системи в граничному стані при одночасному однопараметричному максимальному рівні впливу зовнішнього навантаження.

3. Сталезалізобетонні рами, як правило, статично невизначні, що складаються з елементів та вузлів (систем рівня 1 і 2). Для залізобетонних та сталевих рам врахування перерозподілу зусиль в граничному стані досліджено й унормовано досить детально, навіть з урахуванням статистичних властивостей елементів. Для СЗБ рам такі дослідження практично не проводилися.

4. Сталезалізобетонні просторові каркаси, що включають у якості елементів системи 1-3 рівнів. Утворюються просторові СЗБ каркаси будівель після повного замонолічування залізобетонної плити по збірних залізобетонних елементах, з’єднаних засобами зварювання зі сталевими та сталезалізобетонними ригелями та колонами.

У дисертації розглянуто визначення надійності для перших трьох рівнів – елемента, вузла, рами - методами теорії надійності складних систем. Запропоновано ряд спрощень теорії графів при аналізі дерев відмов складних систем.

Для вузлів СЗБК запропоновано виконувати чисельний аналіз напружено-деформованого стану у виявленому вузлі елементів із найбільшим рівнем напружень, після чого будується граф паралельно-послідовного з’єднання елементів вузла з точки зору його надійності і визначається ЙБР системи.

Визначено вплив стадійності завантаження та моменту замикання статично невизначних СЗБ рам на їх напружено - деформований стан.

Рис.7. Вплив стадійності завантаження та моменту замикання статично невизначних СЗБ рам на їх напружено - деформований стан.

а) схема рами та розташування перерізів СЗБ елементів, б) схеми перерізів на другому етапі завантаження, в) схеми перерізів на третьому етапі завантаження, г) схеми перерізів на четвертому етапі завантаження

Замикання та завантаження статично невизначних сталезалізобетонних конструкцій відбувається в декілька етапів (рис.7), а саме:

I. Монтаж та зварювання частково заповнених бетоном сталезалізобетонних ригелів із трубобетонними колонами з утворенням плоских сталезалізобетонних рам, з’єднаних між собою тимчасовими монтажними розпірками.

II. Монтаж збірних залізобетонних панелей із приварюванням до сталезалізобетонного ригеля: кожне ребро зверху приварюється до стінки ригеля, а знизу – до полиці. Приварюється додаткове армування опорних вузлів ригеля та сітки, що армують монолітну залізобетонну підлогу.

III. Виконується замонолічування стиків панелей, приопорних порожнин у ригелях, одночасно з монолітною залізобетонною підлогою товщиною 50-80 мм, яка остаточно утворює нерозрізну статично невизначну об’ємну каркасну систему.

IV. Після 28 діб витримки для монолітного бетону можна виконувати завантаження каркаса повними розрахунковими навантаженнями.

Рис.8. Напружено - деформований стан статично невизначних СЗБ рам в залежності від моменту їх замикання: а) зміна напружень в перерізах при замиканні рам до та після монтажу панелей; б) зміна прогинів в перерізах СЗБ ригеля при замиканні рам до та після монтажу панелей.

Різниця в напруженнях та деформаціях перерізів ригеля становить понад 50% (рис.8) залежно від того, коли відбувається повне замикання жорстких вузлів в рамах – до чи після монтажу збірних залізобетонних панелей, що слід ураховувати при проектуванні СЗБК та визначенні їх надійності.

Для рам, у яких допускається розвиток пластичності у вузлах, була розвинута пропозиція О.Р. Ржаніцина щодо надійності статично невизначних систем і отримані числові значення ЙБР.

Усе вищевикладене стосується апріорної, проектної надійності. Проте СЗБК – це й експлуатовані та підсилені сталеві та залізобетонні конструкції, для аналізу надійності яких, особливо масових, за результатами обстежень були отримані значення й забезпеченість імовірності безвідмовної роботи з довірчою ймовірністю . Розв’язувалась задача про достатність досвіду використання нової конструкції: яка повинна бути кількість дослідів n, щоб верхня довірча межа для ймовірності відмови дорівнювала заданому значенню р2

. (6)

Прийнято, що кількість відмов при n дослідах розподілено за законом Пуассона з математичним сподіванням a=np. Це допущення справедливе для малих значень імовірності відмови р. Тоді

. (7)

Наприклад, щоб із гарантією 99% стверджувати, що в практичному застосуванні може відмовити не більше ніж 0.1% виробів (надійність більша, ніж 0.999), треба 4605 раз пересвідчитись у безвідмовній роботі виробу, що є при масових серіях досить реальною цифрою.

Це дозволило з використанням байєсівських методів уточнити апостеріорну оцінку ЙБР за час t із урахуванням фактичного стану конструкцій. ЙБР дорівнює, де q - імовірність відмови конструкції .

Функція правдоподібності задається формулою Бернуллі

. (8)

Апріорний розподіл, спряжений із даною функцією правдоподібності (8), є бета-розподілом із параметрами і щільністю розподілу

. (9)

У виразі (9) - бета-функція.

Часткова апріорна визначеність виражається у відомому наперед значенні ЙБР (це параметр у формулі (9)). Задача – переоцінити ЙБР, знайти апостеріорне її значення , ураховуючи апостеріорну інформацію про кількість об’єктів, що досліджувалися (параметр ), та кількість відмов об’єктів серед них (параметр ) за період експлуатації.

Апостеріорний розподіл, спряжений із функцією правдоподібності (9), є бета-розподіл із параметрами зі щільністю розподілу:

(10)

Невідомі параметри функції (9) визначались із мінімізації квадратичної функції втрат.

На рис.9 представлено порівняльний аналіз апріорної та апостеріорної ймовірностей відмови сталезалізобетоного ригеля для різних фактичних значень у випадку безвідмовних випробувань: ;, що свідчить про зниження практично вдвічі апостеріорної ймовірності відмови порівняно з апріорною при великих вибірках даних досвіду експлуатації.

Рис.9. Порівняння апріорної q1 та апостеріорної q2 ймовірностей відмов

Були отримані оцінки надійності кородованих сталевих та залізобетонних конструкцій із дефектами, виконано експеримент із використання уживаних труб з трубопроводів для трубобетонних конструкцій. Визначено надійність ТБК із різним корозійним зносом стінок труб.

Проаналізовано значення коефіцієнта безпеки С – співвідношення середньої міцності конструкції до розрахункової міцності для ЗБК і СЗБК, що дає можливість їх табулювати для нового стандарту на випробування СЗБК. Значення С суттєво залежить від процента армування, класу бетону та типу конструкції (рис. 10).

Рис.10. Залежності коефіцієнта безпеки С від коефіцієнта армування

У п’ятому розділі виконане дослідження надійності нових типів СЗБК, упроваджених в будівництво і реконструкцію. Розроблено та випробувано на Світловодському заводі конструкцій швидкомонтуємих будівель два варіанти сталезалізобетонного ригеля покриття прольотом 12м для сітки колон 12х12 м із підвісними кранами ( рис.11).

Розроблено нові сталезалізобетонні рами, в яких використано суміщення функцій несучих й огороджуючих конструкцій при максимальній заводській готовності елементів та мінімумі бетонування на будівельному майданчику. В цих конструкціях ураховано всі складові надійності – висока ймовірність безвідмовної роботи, довговічність, збережуваність при перевезенні і монтажі та ремонтопридатність на всіх стадіях навантаження і експлуатації. Конструкції захищені 4 патентами України. Збудовано та експлуатується понад 10 сталезалізобетонних каркасів в Україні та Росії, а також близько двадцяти каркасів із залізобетонними колонами і сталезалізобетонними ригелями (рис.12).

Рис.11. Сталезалізобетонний ригель покриття прольотом 12-метрів

Рис. 12. Сталезалізобетонні каркаси будівель

Для цих типів ригелів було виконано порівняння надійності з двома прототипами (система INODEK-ASTRON для сталевих каркасів та БелНИИС для залізобетонних збірно-монолітних) з урахуванням навантаження як випадкового процесу. При сумісній дії на конструкцію постійного й снігового навантаження, сумарне навантаження (або зусилля, напруження і т.п.) являє собою випадковий процес із наступними числовими характеристиками:

ефективна частота: , (11)

коефіцієнт широкосмуговості: , (12)

нормована щільність розподілу: , (13)

де ? відношення стандарту постійного навантаження до стандарту снігового; ; ; і ? відповідно коефіцієнти варіації постійного та снігового навантаження; Кtr – коефіцієнт тренду.

Оцінка ймовірності відмови конструкції виконується за формулою

, (14)

де ? заданий термін експлуатації конструкції; ? характеристика безпеки, яка незалежно від виду розподілів навантажень (зусиль, напружень) визначається виразом:

, (15)

де і ? відповідно коефіцієнти варіації несучої здатності та сумарного навантаження (внутрішнього зусилля, напруження); ? відношення стандарту несучої здатності до стандарту внутрішнього зусилля; у формули (11) ? (13) замість підставляється величина .

Усі три ригелі підібрані на розрахунковий момент кН•м із сталі з розрахунковим опором МПа; бетону класу В25; арматури МПа для ІІ снігового району. Прийняті нормативні коефіцієнти варіації міцності бетону %, прокату % і арматури %. Результати моделювання значення середньої несучої здатності та ймовірності відмови залежно від проектного класу бетону наведені в табл. 2

Таблиця 2

Вплив класу бетону на , , при одному законі повних навантажень

Елемент | Параметри | В15 | В20 | В25 | В30

ЗБК | , кН•м | 1844 | 1920 | 1950 | 1980

1.50Е-5 | 1.6Е-5 | 5.0Е-5 | 3.0Е-5

СЗБК | , кН•м | 1934 | 2110 | 2250 | 2350

500.0Е-6 | 120.0Е-6 | 11.0Е-6 | 1.8Е-6

Сталь | 140.0Е-4

Розподіли щільностей міцності та внутрішнього зусилля, побудовані у просторі згинальних моментів, подані на рис.13.

Рис.13. Щільності розподілу повного навантаження та несучих здатностей ригелів перекриття у просторі згинальних моментів

Досить близькі значення надійності за несучою здатністю апробованих сталевих, залізобетонних і нових запропонованих сталезалізобетонних конструкцій свідчать про практичну їх рівнонадійність за міцністю. Пропонується ввести поняття дальності середньої міцності елемента для аналізу небезпеки аварійних місцевих перевантажень при монтажі або ремонті. Це поняття практично збігається з коефіцієнтом безпеки С, який використовується в нормах на випробування конструкцій і слугує для визначення забезпеченості результатів експериментів.

Для підтвердження теоретичних розроблень були виконані випробування просторового фрагменту сталезалізобетонного каркаса в м.Прилуки (рис.14). Результати випробувань, проведених завантаженням СЗБК на величину нормативних тимчасових навантажень (рис. 15), свідчать про наявність резервів сумісної роботи сталевих конструкцій, збірного залізобетону та монолітної залізобетонної об’єднувальної плити за умов виконання всіх розрахункових і конструктивних вимог – насамперед забезпечення сумісної роботи всіх елементів СЗБК.

Крім базового (запатентованого) вузла СЗБК рам з пониженими ригелями (рис. 16а, 16б), було розроблено, промодельовано для визначення надійності та впроваджено в будівництво ще кілька вузлів СЗБ рам, а саме: вузол з’єднання пониженого СЗБ ригеля з монолітним перекриттям по профнастилу (рис. 16в); вузол жорсткого примикання СЗБ ригеля під панелі з порожнинами до колони з швелерів, заповнених бетоном (рис. 16г, 16д) та ін.

Рис. 14. Схема випробуваного СЗБ каркаса:

а) план та розрізи випробуваного фрагменту; б) фото процесу завантаження

Рис. 15. Результати натурних випробувань СЗБ каркаса:

а) деформації перекриття в перерізі 1-1; б) деформації перекриття в перерізі 2-2

Рис.16. Вузли сталезалізобетонних рам:

а)розроблений вузол жорсткого примикання пониженого СЗБ ригеля до ТБК; б)фото вузла перед обетонуванням; в)розроблений вузол пониженого СЗБ ригеля з монолітним перекриттям по профнастилу; г)вузол жорсткого примикання СЗБ ригеля під панелі з порожнинами до колони з швелерів, заповнених бетоном; д)модель МКЕ вузла

У шостому розділі викладено страхові аспекти розрахунку ймовірності безвідмовної роботи конструкцій із використанням поняття актуарних (нетто) страхових ризиків.

Показано метод визначення коефіцієнтів надійності за призначенням ?n, який збільшує перерізи більш відповідальних конструкцій на 20-30% порівняно з конструкціями з обмеженою відповідальністю (фактично цей коефіцієнт відповідає за керування надійністю будівель і споруд).

Запропоновані передумови до такого обґрунтування на перетині страхового аналізу й апарату теорії надійності. При цьому не розглядались проблеми дисконтування капіталовкладень і амортизаційного зносу основних фондів, які досить добре вивчені та легко накладаються в разі потреби на запропоновану схему аналізу, враховуючи будь-який термін експлуатації. Термін будівництва (реалізації інвестицій) вважався незначним порівняно з терміном експлуатації реалізованого проекту.

Збитки від відмови (аварії, руйнування) системи В0 уключають в себе такі складові:

В0=ВК+ВОБ+ВП+ВВ+ВЛ , (16)

де ВК – вартість зруйнованої системи; ВОБ – вартість обладнання, що може постраждати при відмові; ВП – вартість простою, або збитки від невиробленої продукції; ВВ – вартість відновлення системи; ВЛ – неекономічні збитки:

ВЛ=РЛ·ПЛ·СЛ , (17)

де РЛ – імовірність перебування кількості ПЛ – людей у зоні руйнування (відмови) системи за весь період експлуатації; СЛ – страхові витрати при загибелі людини.

Отже, ризик збитків при відмові (аварії) становитиме:

RA=QK·В0. (18)

За ключову точку для побудови функції ризику

RA=f(BK; ВОБ; ВП; ВВ; ВЛ) (19)

приймемо вартість базового інвестиційного проекту або вартість конструкцій, розрахованих за діючими нормами ВК.

Для цієї системи одним із методів теорії надійності розраховується значення ймовірності відмови QKH (нормативне) та оцінюється можлива величина збитків В0. Тоді ризик збитків нормативного базового варіанта буде становити:

RAH=QKH·В0. (20)

Криву залежності (19) можна побудувати із загальноприйнятих передумов стосовно функцій залежності ймовірності відмови від вартості системи ВК

QH=?(BK), (21)

приймаючи вартість конструкції лінійно зв’язаною з її несучої здатністю:

1) функція (21) – диференційована, монотонна;

2) при наближенні ВК до 0, QK – наближається до 1;

3) при зростанні ВК значення QK асимптотично наближається до 0.

Розглядаються конструкції та їх елементи, для яких можна виділити основний випадковий параметр, що визначає ймовірність відмови конструкції в цілому, наприклад, максимальне зусилля по довжині елемента або найбільше напруження в небезпечному перерізі. Навантаження представлені у вигляді випадкових процесів , а міцність конструкцій – у вигляді випадкових величин . Імовірність відмови конструкції визначалась за методикою, розробленою С.Ф.Пічугіним, як викид випадкового процесу резерву несучої здатності в область від’ємних значень

. (22)

Імовірність відмови визначалась за формулою

, (23)

де , и ? ефективна частота, коефіцієнт широкосмуговості та значення щільності розподілу випадкового процесу в точці ; ? заданий термін експлуатації об’єкта; ? характеристика безпеки за формулою (15).

Для