3624

Научный журнал строительства и архитектуры

MODELING THE ADHESION OF REINFORCEMENT IN CONCRETE

BASED ON AN ARTIFICIAL NEURAL NETWORK

A. N. Nikolyukin 1, V. P. Yartsev 2, B. A. Bondarev 3, A. O. Korneeva 4

1PhD student of the Dept. of Construction of Buildings and Structures, tel.: +7-953-717-16-44, e-mail: valax1@yandex.ru

2D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Construction of Buildings and Structures, e-mail: kzis@nnn.tstu.ru

3D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Construction Materials Science and Road Technologies

4PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Construction Materials Science and Road Technologies

Statement of the problem. One of the major reasons for the loss of bearing capacity of reinforced concrete structures is considered to be failure of coupling between the reinforcement and concrete. As a result, there is a need to study the change in the value of the coupling of the reinforcing bar and concrete under various influences. It should be noted that due to external and technological influences, the mechanical characteristics of concrete are subject to change, which directly affects the amount of adhesion. Results and conclusions. Using artificial neural networks the analytical model was obtained that describes the final adhesion strength by means of average tangential strains. Concrete of different strength types reinforced with metal and compositereinforcement is used for this study.

Adhesion was found to be associated with concrete characteristics and reinforcement type. A two-layer reverseneural network wasalsodeveloped that describes adhesion of reinforcement with concreteprecisely.

Keywords: coupling, concrete, reinforcement, composite reinforcement, artificial neural networks, model.

РФФИОБЪЯВЛЕН КОНКУРС

на лучшие научные проекты, выполняемые молодыми учеными под руководством кандидатов и докторов наук в научных организациях Российской Федерации

Заявки принимаются до: 01.08.2019 23:59

Задача конкурса — привлечение молодых ученых из России и других стран для участия в научных исследованиях, проводимых в российских научных организациях, создание молодым ученым условий для получения результатов, необходимых для завершения диссертации на соискание ученой степени PhD или кандидата наук.

Срок реализации проекта: от 1 до 6 месяцев. Размер гранта: 120 000 рублей в месяц.

Руководитель коллектива должен: иметь ученую степень – кандидата или доктора наук или PhD; иметь не менее 5 публикаций за последние 5 лет по тематике проекта в журналах, включенных в одну из библиографических баз данных (Web of Science, Scopus).

Молодой ученый (член коллектива) должен: иметь возраст, не превышающий 30 лет на 31 декабря 2019 г.; готовить диссертацию на соискание ученой степени кандидата наук или PhD; иметь не менее одной публикации в рецензируемом издании по научному направлению, соответствующему тематике проекта.

Подробнее см. на официальном сайте РФФИ: https://www.rfbr.ru.

20

DOI 10.25987/VSTU.2019.54.2.002

УДК 692.48

РАСЧЕТ СТЕПЕНИ ПРИГОДНОСТИ СТРОПИЛЬНЫХ ФЕРМ ПОКРЫТИЯ РЕКОНСТРУИРУЕМОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ЗДАНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ СНЕГОВЫХ НАГРУЗОК

М. В. Новиков 1, В. М. Флавианов 2

Воронежский государственный технический университет 1, 2 Россия, г. Воронеж

1Канд. техн. наук, доц. кафедры проектирования зданий и сооружений им. Н. В. Троицкого,

тел.: +7-920-214-17-61, e-mail: novikov-2005@mail.ru

2Ст. преп. кафедры строительной механики, тел.: (473)271-52-30, e-mail: flav@vgasu.vrn.ru

Постановка задачи. Реконструкция или техническое перевооружение производственных зданий редко происходит без увеличения нагрузок на существующие строительные конструкции или смены режима и условий их эксплуатации. В связи с этим часто встает вопрос об их усилении или даже замене. В работе представлена оценка степени пригодности несущих конструкций покрытия при действии дополнительных снеговых нагрузок, возникающих в связи с планируемой пристройкой более высоких пролетов к производственному корпусу.

Результаты. Методом атомно-эмиссионного спектрального анализа установлено, что отдельные элементы ферм выполнены из кипящей стали, что не соответствуют требованиям действующих норм. Получены значения перемещений, усилий по комбинациям загружений снеговой нагрузкой и спектры распределения потенциальной энергии деформации по элементам фермы. Анализ на- пряженно-деформированного состояния стропильных ферм покрытия обследуемого здания показал, что их несущая способность в зоне возможного образования снегового «мешка» от перепада высот и пристройки к цехуболее высокого пролета не достаточна.

Выводы. По результатам проведенных исследований сформулированы рекомендации для безопасной эксплуатации стропильных ферм покрытия и обоснован вывод о степени их пригодности для планируемой реконструкции и технического перевооружения промышленного здания.

Ключевые слова: реконструкция, обследование, дефект, повреждение, стропильная ферма, снеговой мешок, несущая способность.

Введение. В промышленной архитектуре в связи с частой сменой технологических процессов возникает проблема морального износа производственного здания, т. е. его несоответствия требованиям новой технологии. Одним из направлений решения проблемы морального износа промышленных зданий и организации нового высокотехнологичного производства является реконструкция промышленного предприятия с учетом его специфических технологических, градостроительных, архитектурно-пространственных и композиционных особенностей [6, 7, 19].

Реконструкция или техническое перевооружение производственных зданий редко происходит без увеличения нагрузок на существующие строительные конструкции или смены режима и условий их эксплуатации и других факторов [1, 9—11, 15, 19]. В связи с этим часто встает вопрос об их усилении или даже замене.

В данной работе представлена оценка степени пригодности несущих конструкций покрытия при действии дополнительных снеговых нагрузок, возникающих в связи с планируемой пристройкой более высоких пролетов к производственному корпусу, расположенному на территории авторемонтного завода в г. Воронеже.

© Новиков М. В., Флавианов В. М., 2019

21

Научный журнал строительства и архитектуры

1. Общие сведения о здании. Здание цеха одноэтажное, состоит из двух пролетов по 18,0 м, объединенных вставкой шириной 4,5 м. Пролеты цеха оборудованы мостовыми опорными кранами среднего режима работы. Общие габариты здания в плане — 41,14×106,53 м. В одном торце цеха встроен двухэтажный блок административно-бытовых помещений, к другому торцу пристроен трехэтажный блок бытовых помещений с размерами в плане 9,64×43,88 м. Период постройки объекта — конец второй половины 50-х годов прошлого века.

Рассматриваемый пролет цеха конструктивно выполнен с кирпичными продольными несущими стенами, усиленными в местах опирания подкрановых балок пилястрами сечением 0,66×0,66 м. Величина пролета составляет 18,0 м, высота до низа несущих конструкций покрытия — 8,15 м, до низа подкрановых балок — 6,65 м, отметка верха карниза +8,95 м, отметка верха парапета в торце здания +11,07 м. Покрытие из металлических ферм и мелкоразмерных асбестоцементных плит по металлическим прогонам (рис. 1). Асбестоцементные плиты марки АП-150 и АП-200 толщиной 120 мм, шириной 0,5 м, длиной 1,5 и 2,0 м. Внутри полых плит минераловатный утеплитель. Прогоны из прокатных двутавров № 18, 20 и 22 с шагом 1,5 и 2 метра. Устойчивость прогонов покрытия из плоскости обеспечена распорками из спаренных в тавр уголков 45×30×4, расположенными посередине пролета через шаг прогонов. Крыша двухскатная, совмещенная, с наружным не организованным по краям и внутренним организованным между пролетами водостоком. Кровля мягкая из наплавляемого рулонного материала.

Рис. 1. Фрагмент покрытия цеха

В результате модернизации и технического перевооружения завода к рассматриваемому цеху планировалось пристроить более высокий параллельный пролет шириной 20 м с перепадом высот в 4,5 м, а также выполнить надстройку в перпендикулярном к цеху направлении над пристроенным с его торца бытовым корпусом с созданием перепада высот в 2,3 м. Для реализации данного решения выполнено предпроектное обследование существующего пролета цеха в соответствии с СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений», на основании которого в числе прочего исследована несущая способность стропильных ферм покрытия с учетом дополнительных нагрузок от образования снеговых «мешков».

22

2. Результаты обследования ферм покрытия. Стропильные фермы выполнены из спаренных прокатных уголков, имеют треугольное очертание с ломаным нижним поясом и восходящими раскосами (рис. 2).

Рис. 2. Геометрическая схема фермы

Высота ферм в середине пролета по обушкам поясов — 2,0 м, угол наклона верхнего пояса — 9,30. Низ стропильных ферм находится на отметках +8,136…+8,210 м. Пролет ферм — 17,63 м.

Узлы ферм выполнены сварными, с фасонками толщиной 10 мм. Стыки поясов фермы решены в узлах с помощью приварки накладок из прокатных уголков.

Стропильные фермы расположены с шагом 5,4 м. Система связей покрытия состоит из горизонтальных крестовых связей в плоскости верхних поясов ферм, вертикальных крестовых связей между фермами по центру пролета и распорок по нижним поясам ферм в середине пролета.

В ходе визуально-инструментального освидетельствования стропильных ферм установлено, что относительные прогибы ферм покрытия находились в диапазоне 3…36 мм и не превышали предельно допустимых значений по нормам. Непроваров или пережога сварных швов в узлах ферм не обнаружено. Местами имелись незначительные участки отслоения окрасочного состава и поверхностной коррозии металла ферм. Отдельные ветви горизонтальных и вертикальных связей по фермам покрытия имели погибь от потери устойчивости.

Проверка расстояний между соединительными планками («сухарями»), обеспечивающими совместную работу двух уголков, показала недостачу по одной планке для двух раскосов. Кроме того, для ряда сжатых стержней верхнего пояса, стоек и раскосов некоторых ферм установлено только по одной планке, вместо рекомендуемых нормами не менее двух.

3. Определение марки и механических характеристик стали. Для определения мар-

ки и механических характеристик стали производился отбор проб металла стропильных ферм. Химический состав образцов стали определялся методом атомно-эмиссионного спектрального анализа при помощи эмиссионного спектрометра «СПАС-02» по ГОСТ Р 541532010 «Сталь. Метод атомно-эмиссионного спектрального анализа». Определение прочностных показателей при растяжении образцов стали производилось на испытательной машине Instron-5982 по методике, изложенной в ГОСТ 1497.

По результатам испытания образцов установлено:

−сталь верхнего пояса ферм соответствует марке Ст5сп;

−сталь стоек фермы соответствует марке Ст4пс;

−сталь раскосов фермы соответствует марке Ст3кп;

−сталь нижнего пояса ферм соответствует марке Ст4кп, имеет предел текучести 225 МПа, временное сопротивление 399 МПа, относительное удлинение 18,2 %.

Расчетное сопротивление стали по пределу текучести определялось согласно п. 6.1 и

18.2.4СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции» и ГОСТ 1497-84. «Металлы. Методы испытаний на растяжение» по формуле

23

Научный журнал строительства и архитектуры

где Ryn — нормативное сопротивление стали, определялось на основании испытаний образцов на растяжение по ГОСТ 1497 или назначалось в соответствии с марками стали обследуе-

СП 16.13330.2011) для конструкций, изготовленных в период с 1932 по 1982 гг., и для сталей

спределом текучести ниже 380 МПа.

4.Статический расчет фермы. Расчетная модель фермы выполнена на основе метода конечных элементов [2, 8, 14, 17]. Для моделирования использовались конечные элементы № 1 «Элемент плоской фермы» с двумя степенями свободы в узле. Граничные условия — неподвижный шарнир в левом опорном узле, подвижный шарнир в правом опорном узле. Номенклатура жесткостных характеристик принята в соответствии с результатами обследования и инструментального контроля элементов несущей фермы. Вид расчетной модели представлен на рис. 3.

Рис. 3. Расчетная модель

В расчете учитывались собственный вес конструкций фермы, постоянные нагрузки, действующие на покрытие и включающие в себя массу кровли, определенную по результатам ее вскрытия, прогонов, стропильных ферм и связей покрытия. Погонная расчетная постоянная нагрузка при шаге стропильных ферм В = 5,54 м равна q = 7,98 кН/м.

Временные нагрузки от снегового покрова учитывались по трем вариантам для различных схем снеговых нагрузок [12]:

­с учетом веса снегового «мешка» в зоне перепада высот (h = 4,5 м) при пристройке более высокого параллельного пролета к цеху;

­с учетом снегового «мешка» в зоне перепада высот (h = 2,3 м) от влияния более высокого в перпендикулярном направлении здания бытового корпуса, пристроенного к цехув торце;

­без учета влияния пристройки (на существующие нагрузки).

Расчет нагрузки от снегового «мешка» в зоне перепада высот при пристройке более высокого пролета к цехувыполнен в соответствие со схемой Б.8(а) прил. Б СП 20.13330.2016 (рис. 4).

Исходные данные:

−снеговой район по карте 1 прил. Е к СП 20.13330.2016 — III;

−вес снегового покрова Sg на 1 м2 горизонтальной поверхности земли в соответствии

с табл. 10.1 СП 20.13330.2016 равен 1,5 кН/м2. Коэффициент запаса по снеговой нагрузке

γf = 1,429;

−высота перепада h = 4,5 м.

−длина верхнего участка покрытия l1' 19,4 м, нижнего l2' 42,5 м;

−угол наклона верхнего участка покрытия α1 = 60, нижнего α2 = 9,30.

Нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия определялось по формуле (10.1) СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Коэффициент, учитывающий снос снега с покрытий под воздействием ветра или иных факторов, принимается в соответствии с (10.7):

ce (1,2 0,4k) (0,8 0,002lc) 0,84.

Термический коэффициент Сt = 1,0.

24

Рис. 4. Схема снеговой нагрузки для зданий с перепадом высоты

Коэффициент µ определялся по формуле

где т1 и m2 — доли снега, переносимого ветром к перепаду высот: 0,4 — для плоского покрытия с 20° и 0,3 — для плоского покрытия с > 20°. В нашем случае т1 = m2 = 0,4.

Длина зоны повышенных снегоотложений b при

6,5 2h 2 4,5 6 S0 1,5

2h/ S0 1 2m2

что меньше 16,0 м.

Проводится проверка условия прил. Б.8 СП 20.13330.2016, согласно которому коэффициент µ должен быть не более:

−2h 2 4,5 6 (где h — в м. S0 — в кПа);

S0 1,5

−4, если нижнее покрытие является покрытием здания и l'1 + l'2 48 м;

−6, если нижнее покрытие является навесом или покрытием здания и l'1 + l'2 > 72 м. Промежуточные значения определяются по интерполяции.

В нашем случае при l1' l2' 61,9 м принимаем коэффициент µ = 5.

Коэффициент 1 = 1 − 2m2 = 1−2×0,4 = 0,2.

Схема расположения снеговой нагрузки дана на рис. 5. Для расчета по данной схеме загружения грузовая площадь средней фермы составляет 5,54 м.

25

Научный журнал строительства и архитектуры

Единицы измерения, кПа Нормативное значение Расчетное значение

Рис. 5. Схема расположения и величины снеговой нагрузки

Расчет нагрузки от снегового «мешка» в зоне влияния более высокого здания бытового корпуса, пристроенного в торце цеха, выполнен в соответствие со схемой Б.8(б) прил. Б

СП 20.13330.2016 (см. рис. 4).

Исходные данные аналогичны вышеуказанным, за исключением следующих:

−высота перепада h = 2,3 м;

− длина верхнего участка покрытия l1' 6,0 м, нижнего l2' 106,5 м;

−угол наклона верхнего участка покрытия α1 = 00, нижнего α2 = 00;

−угол наклона нижнего участка покрытия в поперечном направлении φ = 9,30. Коэффициент µ:

где т1 = 0,4 и m2 = 0,4 при ширине пониженного покрытия а ≥ 21 м. Длина зоны повышенных снегоотложений b при

19,5 2h 2 2,3 3,07:

2h/ S0 1 2m2

но не более 5h и не более 16,0 м. Принимаем b = 5×2,3 = 11,5 м.

Согласно условию прил. Б.8 СП 20.13330.2011 коэффициент µ принимаем не более 2h :

S0

2h 2 2,3 3,07 . S0 1,5

Коэффициент 1 = 1−2m2 = 1−2×0,4 = 0,2.

Схема расположения снеговой нагрузки представлена на рис. 6. Для расчета крайней торцевой фермы по данной схеме загружения грузовая площадь составляет 2,77 м.

Единицы измерения, кПа

Нормативное значение Расчетное значение

Рис. 6. Схема расположения и величины снеговой нагрузки

Расчет снеговой нагрузки на покрытие без учета влияния пристроек выполнен в соответствие со схемой Б.5 прил. Б СП 20.13330.2016.

26

Принимаем 1-й вариант схемы снеговой нагрузки с коэффициентом µ = 1, так как угол наклона покрытия α = 9,30 ≤ 150 (рис. 7).

Единицы измерения, кПа

Нормативное значение Расчетное значение

Рис. 7. Схема расположения и величины снеговой нагрузки

Погонная снеговая нагрузка при шаге стропильных ферм В = 5,54 м:

pсe ct Sg B 0,84 1 2,16 1,0 5,54 10,05 кН/м.

Всоответствии с приведенными видами нагрузок и типами загружений в расчетной модели были учтены комбинации нагрузок, приведенные в таблице.

5. Анализ результатов расчета. В результате расчета стальной стропильной фермы были получены следующие результаты:

значения перемещений по трем указанным комбинациям загружений;

значения усилий по трем указанным комбинациям загружений;

значения коэффициентов использования для элементов фермы при различных типах снеговой нагрузки;

спектры распределения потенциальной энергии деформации по элементам фермы. Значения вертикальных перемещений и продольных усилий в существующем режиме

эксплуатации представлены на рис. 8—9.

Рис. 8. Вертикальные перемещения, мм

Рис. 9. Продольная сила N, кН

27

Научный журнал строительства и архитектуры

Максимальное вертикальное перемещение узлов фермы Zmax = 37,68 мм не превышает максимально допустимого прогиба по СП 20.13330.2016 fmax = l/250 = 72 мм.

Значения вертикальных перемещений и продольных усилий в случае пристройки к цеху более высокого параллельного пролета представлены на рис. 10—11.

Рис. 10. Вертикальные перемещения, мм

Рис. 11. Продольная сила N, кН

Максимальное вертикальное перемещение узлов фермы Zmax = 38,3 мм не превышает максимально допустимого прогиба по СП 20.13330.2016 fmax = l/250 = 72 мм.

Значения вертикальных перемещений и продольных усилий для крайней от торца цеха фермы покрытия, находящейся в зоне возможного образования снегового «мешка», представлены на рис. 12—13.

Рис. 12. Вертикальные перемещения, мм

Рис. 13. Продольная сила N, кН

Максимальное вертикальное перемещение узлов фермы Zmax = 56,05 мм не превышает максимально допустимого прогиба по СП 20.13330.2016 fmax = l/250 = 72 мм.

Оценка несущей способности стержней фермы велась по методике СП 16.13330.2011 с помощью коэффициента использования Ки. Этот параметр позволяет оценить прочность и устойчивость конструкции по всем необходимым требованиям СП 16.13330.2011 [5, 13, 18]. Для удовлетворения требованиям по прочности и устойчивости величина Ки не должна превышать 1.

По результатам расчета установлено, что несущая способность ферм достаточна для восприятия существующих на момент обследования нагрузок. Значения Ки элементов фермы

28

не превышали 0,72. Таким образом, запас прочности составлял 28 %. Значения коэффициента использования приведены на рис. 14.

Рис. 14. Коэффициент использования при существующих нагрузках

Исключением является крайняя от торца цеха ферма покрытия, находящаяся в зоне возможного образования снегового «мешка» от перепада высот с существующим зданием бытового корпуса. Данную ферму необходимо усилить. Значения Ки для элементов нижнего пояса фермы превышают 1 (рис. 15). Основным параметром, по которому данные элементы не удовлетворяют требованиям СП 16.13330.2011, является прочность при воздействии продольной силы N.

Рис. 15. Коэффициент использования для крайней от торца фермы

В случае пристройки к цеху более высокого параллельного пролета несущая способность ферм покрытия будет не обеспечена. Требованиям СП 16.13330.2011 по прочности не удовлетворяет крайний элемент нижнего пояса (рис. 16). Также у примыкающих элементов запас прочности недостаточен.

Рис. 16. Коэффициент использования с учетом пристройки параллельного пролета

Отдельный интерес представляет анализ спектров распределения потенциальной энергии деформации по элементам фермы. Данный показатель позволяет выявить наиболее напряженные элементы, а также проследить изменение напряженно-деформированного состояния конструкций при изменении нагрузок. С помощью спектра распределения потенциальной энергии возможно спрогнозировать, какие элементы конструкции требуется усилить в первую очередь [3, 4, 16]. На рис. 17—18 приведены спектры распределения потенциальной энергии в существующем режиме эксплуатации и в случае пристройки параллельного пролета большой высоты.

Рис. 17. Спектр распределения потенциальной энергии в существующем режиме эксплуатации, кДж

29