Материал: Строительная механика и сопротивление материалов

Введение

В соответствии с положениями введенного в РФ в 2015 году регламентирующего общие принципы обеспечения надежности строительных конструкций и оснований стандарта ГОСТ 27751-2014 и действующих нормативных документов на нагрузки и воздействия СП 20.13330.2016 по проектированию железобетонных конструкций СП 63.13330.2012 рекомендуется в расчетах при проектировании новых или реконструкциях существующих зданий и сооружений вместо косвенного учета изменчивости прочностных характеристик материалов и действующих нагрузок с помощью коэффициентов надежности по материалу, нагрузкам и ответственности сооружения применять вероятностные методики.

Вычислительные алгоритмы для определения надежности конструкций, имеющих значительные сроки эксплуатации и существенный износ, при перепрофилировании должны учитывать указанные факторы. При превращении бескрановых производственных цехов в оснащенные крановым оборудованием логистические комплексы необходимо также выполнение ряда технологических требований по организации удобного подъезда транспорта, оперативного приема товаров, оптимальной схемы размещения изделий на стеллажах для их хранения, а также оптимальное перемещение продукции по складу.

В настоящем исследовании на примере перепрофилирования расположенного в г. Воронеже ремонтного трамвайно-троллейбусного завода в логистический центр предлагается и апробируется в соответствии с положениями теории надежности и теории риска [4-6] методика расчета надежности длительно эксплуатируемой несущей системы здания при минимальных перестройках. Примером применения такой вероятностной постановки является приведенные в работе [7] исследования по оценке остаточного ресурса длительно эксплуатируемого покрытия здания производственного назначения.

1. Объект исследования и принятые допущения

Объектом исследований является выведенный из эксплуатации в 1994 году и длительное время находящийся без технического обслуживания главный производственный корпус трамвайно-троллейбусного ремонтного завода в г. Воронеже. Общий вид здания снаружи и несущей системы с внутренней стороны после демонтажа производственного оборудования представлены соответственно на рис. 1 и 2. При длительной эксплуатации корпуса под влиянием атмосферных воздействий в несущих конструкциях появились различные дефекты, снижающие их долговечность и несущую способность. При перспективном использовании в качестве логистического центра возникла необходимость оценки технического состояния изношенных и поврежденных несущих конструкций и всего здания в целом.

Исследования, представленные в настоящей статье, являются продолжением опубликованных нами ранее [8] результатов вероятностного прогнозирования рисков разрушения сборной железобетонной фермы покрытия с учетом уменьшение поперечного сечения рабочей арматуры в растянутых и сжатых стержнях вследствие ее коррозии при длительной эксплуатации.

Несущая система рассматриваемого здания представляет собой пространственную одноэтажную железобетонную пяти пролѐтную раму. Жесткость рамы в поперечном направлении обеспечивается жесткой заделкой колонн в фундаментах, а в продольном направлении – жесткостью пространственного диска покрытия, состоящего из смонтированных на железобетонные стропильные фермы ребристых плит покрытия.

55

Рис. 1. Торцевой фасад главного корпуса трамвайно-троллейбусного ремонтного завода

Рис. 2. Общий вид несущей системы изнутри здания с железобетонным несущим каркасом

Рассматриваемое здание прямоугольной в плане формы с пятью пролетами по 18 м и длиной 496 м. Шаг среднего ряда колонн в продольном направлении – 12 м, шаг колонн в крайних рядах – 6,0 м. Высота от пола до низа стропильных ферм составляет 6,99 м.

Покрытие здания выполнено из железобетонных стропильных ферм с горизонтальным нижним поясом и верхним поясом полигонального очертания. По сборным железобетонным фермам смонтированы ребристые железобетонные панели покрытия. Стены здания выполнены из керамзитобетонных панелей толщиной 24 см, прикрепленных к железобетонным колоннам крайнего ряда каркаса здания.

Для построения методики вероятностных расчетов введем следующие гипотезы:

прочностные характеристики бетона железобетонных несущих конструкций и грунта основания принимаются случайными, распределенными по нормальному закону в соответствии с измеренными при обследовании средними и стандартами прочности;

прочностные характеристики арматуры также считаются случайными, распределенными по нормальному закону, числовые характеристики которого принимаются по проектным данным и в

56

соответствии действующими на момент строительства коэффициентами надежности и вариации прочности арматуры;

изменения прочностных характеристик бетона и арматуры во времени не учитываются;

геометрические параметры конструктивных железобетонных элементов здания считаются неизменными начиная с момента строительства в 1969 году. Исключением являются диаметры рабочей арматуры, которые принимаются в соответствии с измеренными при обследовании;

постоянные и временные нагрузки, включая снеговые, также считаются случайными с распределением, отвечающим закону Гаусса.

2.Описание методики расчета надежности

Плоскую расчетную схему несущего каркаса пяти пролетного одноэтажного цеха (рис. 3) для оценки надежности представим в виде рамной системы из защемленных в фундаментах стоек и опирающихся шарнирно на колонны стропильных ферм.

Под отказом несущей системы в соответствии с терминологией теории надежности [ 4-6] будем считать предельное состояние по прочности хотя бы в одном из пролетов несущей рамы здания, поэтому рассмотрим фрагмент рамы, включающий один крайний и прилегающую половину среднего пролета (рис. 4). При этом возникновение предельных состояний в несущих элементах соседних пролетов будем считать независимыми.

Рис. 3. Плоская расчетная схема несущего каркаса цеха

Рис. 4. Расчетный фрагмент несущего каркаса

57

Учитывая типовую структуру несущего каркаса цеха для крайних и средних пролетов определим надежность несущей системы в соответствии с теоремой умножения независимых случайных событий по формулам:

для крайних пролетов цеха:

(1)

элементов соответственно стропильных ферм, нижних и верхних частей колонн, железобетонных фундаментов стаканного типа, грунтового основания под фундаментами в крайних и средних рядах колонн.

Далее по вычисленным параметрам надежности можно определить удобные для практического использования логарифмические показатели надежности крайних и средних пролетов цеха из выражений:

Параметры, оценивающие надежность отдельных i-х элементов несущего каркаса, вычисляются с помощью функции Лапласа из предположения нормальности распределения резерва прочности:

где βi – характеристика безопасности, равная отношению математического ожидания к стандарту резерва прочности, которая равна

предельных и максимальных усилий.

Нагрузочные параметры рассчитываются по максимальным величинам усилий от каждой из

Вформулах (1) и (2) введены следующие обозначения:

–расчетное усилие в i-м элементе несущей системы здания от нагрузки j-го типа,

– действующей постоянной или временной нагрузки, который вычисляется с помощью нормативного коэффициента надежности по учитываемой в расчетах нагрузке j-го типа из выражения:

(9)

Статистические характеристики усилий в i-м элементе несущей системы здания от совместного действия постоянных и временных нагрузок вычисляются без учета корреляции между ними из

3. Результаты расчетов надежности несущей системы реконструируемого цеха

Описанная методика определения надежности конструктивных элементов реконструируемого цеха реализована в виде вычислительной программы, позволяющей определять показатели надежности отдельных конструктивных элементов несущей системы одного из крайних и средних пролетов цеха. Ниже на рис. 5 – 8 представлены схемы рассматриваемых конструкций с указанием геометрических размеров, характерных сечений и армирования следующих элементов несущей системы рассматриваемого здания: железобетонной стропильной фермы покрытия, железобетонных колонн и фундаментов столбчатого типа.

Рис. 5. Геометрическая схема, поперечные сечения и армирование фермы

Рис. 6. Сечения и армирование крайних (а) и средних (б) колонн каркаса

59