2.2. Информатизация конструкторских расчетов

При подборе конструкций, реализующих предложенный архитектором внешний облик и компоновку здания, возникают задачи определения нагрузок, несущих способностей, сопротивления материалов.

К конструкциям зданий и сооружений предъявляют ряд требований:

1. Надежность. Под надежностью понимают свойство конструкций зданий сохранять свои эксплуатационные показатели (обеспеченная безопасность и комфортабельность проживающих или работающих в них людей, отсутствие отрицательного влияния на технологический процесс, на работу машин и оборудования) в течение запроектированного (теоретического) срока службы. Практика эксплуатации зданий показывает, что проблема надежности строительных конструкции при снижении их массы является весьма актуальной. Расчеты надежности конструкций зданий являются неотъемлемой частью технико-экономического обоснования при их проектировании. От надежности зданий зависят эффективность капиталовложений, единовременные затраты и расходы на их содержание. Последние в период существования здания могут превышать единовременные затраты на их постройку.

Надежность зданий в основном характеризуется двумя коэффициентами:

g_r - отношение фактического срока службы зданий до капитального ремонта к запроектированному сроку службы:

g_t - отношение теоретических эксплуатационных затрат к фактическим в период до капитального ремонта зданий.

Коэффициенты надежности g_r и g_t не должны быть меньше единицы. Они зависят от качества исходных материалов, разнообразных защитных мероприятий в соответствии со степенью агрессивности среды, проектно-изыскательских и строительно-монтажных работ, условий эксплуатации зданий, своевременного проведения текущих и капитальных ремонтов. Коэффициенты надежности увеличиваются с повышением общей неразрезанности. пространственной жесткости и устойчивости здания, поэтому во всех случаях рекомендуется узлы сопряжения конструкций из сборного железобетона замоноличивать так, чтобы они работали под нагрузкой как единые монолитные системы.

2. Индустриальность. Под индустриальностью конструкций зданий понимают возможность механизированного и автоматизированного их изготовления, а также возможность монтажа и полной отделки в кратчайшие сроки с помощью высокопроизводительных машин и механизмов, при минимальных расходах материалов, затратах ручного труда и общей стоимости (приведенных затратах). Требованиям индустриализации отвечают сборные железобетонные конструкции, изготовляемые на заводах или полигонах сборного железобетона. Заводская готовность поставляемых на стройку строительных конструкций должна быть по возможности максимальной, чтобы исключить послемонтажные отделочные работы. Перевод большинства строительных процессов со строительной площадки на заводы сборного железобетона позволяет повысить надежность строительных конструкций, сократить сроки возведения зданий и снизить их стоимость.

В целях повышения эффективности предприятий сборного железобетона в России проведена большая работа по межотраслевому модулированию основных строительных параметров зданий (продольный шаг колонн, пролеты и высоты помещений, привязки конструкций к основным продольным и поперечным осям). На этой основе осуществлена межотраслевая унификация конструктивных схем зданий и сооружений и строгая типизация сборных железобетонных элементов.

3. Модулирование габаритных параметров. Под модулированием габаритных параметров строительных конструкций понимают единую модульную систему (ЕМС), предусматривающую градацию размеров по горизонтали и вертикали на базе модуля 100 мм (М) или укрупненного модуля, кратного 100 мм. Под модулем понимают условную единицу измерения, применяемую для координации размеров зданий, их элементов, строительных изделий и элементов оборудования зданий. Для многоэтажных промышленных зданий принята унифицированная сетка колонн 9 х 6 м под временные нормативные нагрузки на перекрытия 5, 10 и 15 кН/м² и сетка колонн 6 х 6 м под временные нормативные нагрузки 10, 15, 20 и 25 кН/м²; высоту этажей Н принимают кратной укрупненному модулю 1,2 м, например 3,6; 4,8; 6 м. Сетка колонн может быть увеличена до 12 х 6 и 18 х 6 м. При этом достигают экономии рабочей площади на 6...8 %. Иногда для повышения универсальности и удобства размещения оборудования промышленные многоэтажные здания проектируют пролетами 24, 30 и 36 м. В гражданских зданиях укрупненным модулем для сетки осей принят размер 200 мм (2М). Расстояние между осями сетки в продольном и поперечном направлениях назначают 2...6,4 м, в каркасных зданиях – 6 м. Высота этажей административных зданий 3,3; 3,6 м, кратная модулю 300 мм (ЗМ). Модульная система является предпосылкой внедрения индустриальных методов сборного строительства.

4. Унификация. Под унификацией объемно-планировочных решений зданий понимают рациональное сокращение числа объектов одинакового функционального назначения, пригодных в жилищном, культурно-бытовом или промышленном строительстве. Она базируется на модулированных габаритных параметрах. Основные объемно-планировочные параметры зданий: шаг колонн, высота этажа, размещение конструктивных элементов по отношению к разбивочным осям здания. Унификация объемно-планировочных решений зданий позволяет унифицировать конструктивные схемы строительных конструкций.

Под унификацией конструктивных схем понимают приведение их к ограниченному количеству типов, пригодных для удовлетворения нужд самого разнообразного назначения. Унификация конструктивных схем строительных конструкций позволяет резко сократить количество типоразмеров элементов конструкций, что положительно сказывается на их возведении (монолитные конструкции), технологии изготовления, транспортировании и монтаже (сборные конструкции).

Унификация объемно-планировочных решений и конструктивных схем строительных конструкций является основой современного индустриального строительства и позволяет создавать серии экономичных типовых проектов для массового применения, вследствие чего снижаются сроки и стоимость строительства и повышается его качество.

Типовые проекты являются основой стандартизации элементов конструкций, узлов и их сопряжений, без чего невозможен технический прогресс в строительстве. Стандартизация является высшей ступенью типизации. Значительное количество типовых конструкций переводится в стандарты, что позволяет значительно повысить качество строительной продукции. Отступление от унифицированных конструктивных схем приводит к появлению доборных конструктивных элементов и нетиповых сопряжении, требующих дополнительных затрат времени и средств на всех стадиях проектирования и возведения конструкций.

При разработке типовых проектов широко применяют принцип блочной компоновки зданий, согласно которому все вспомогательные помещения объединяют в одно здание, под одной крышей. При такой компоновке достигается максимальная повторяемость одних и тех же типовых элементов, упрощаются узлы в местах примыканий и уменьшается количество типоразмеров изделий.

В России вопросами модулирования габаритных параметров зданий, унификацией объемно-планировочных решений и конструктивных схем занимаются крупнейшие проектные институты. Организована публичная библиотека типовых проектов, которые являются обязательными для применения проектными и строительными организациями, а также предприятиями, изготовляющими сборные железобетонные изделия и конструкции.

5. Требования к конструктивным схемам. При проектировании строительных конструкций следует применять конструктивные решения, которые в максимальной степени отвечали бы экономическому расходованию металла, леса и цемента, максимальному снижению массы конструкций, трудоемкости и стоимости изготовления и возведения зданий. При этом учитывают местные условия района строительства: вид и качество строительных материалов и изделий, наличие заводов сборных железобетонных конструкций, оснащенность строительства машинами и механизмами.

Технико-экономическое обоснование принятых решений при проектировании конструкций имеет исключительно важное значение. В результате сопоставления вариантов принимают проектное решение, при котором конструкции имеют наименьшую стоимость в деле, наименьшую собственную массу и удовлетворяют в наибольшей степени эстетическим требованиям при всех прочих равных условиях (надежность, прочность, устойчивость).

При проектировании монолитных конструкций предусматривают для каждого объекта минимальное количество унифицированных размеров сечений балок, колонн и других элементов и исходят из индустриальных методов их возведения. Для армирования конструкций широко используют унифицированные арматурные изделия в виде сеток и каркасов заводского изготовления. Предусматривают мероприятия, обеспечивающие развитие в узлах элементов конструкций пластических деформаций, значительно повышающих сопротивление конструкций непродолжительному действию внешних воздействий.

6. Технико-экономическая эффективность. Под технической эффективностью понимают способность конструкций к наиболее полному и длительному удовлетворению заданных эксплуатационных требований с учетом возрастающих эстетических запросов людей. Решающими показателями технической эффективности каменных и железобетонных конструкций являются энергоемкость и трудоемкость их изготовления, расход исходных материалов, масса, долговечность и надежность в эксплуатации при соблюдении установленных правил.

Под экономической эффективностью понимают минимум приведенных затрат на готовые конструкции. Она повышается за счет применения рациональных тонкостенных пространственных и неразрезных (статически неопределимых) систем, камня, бетонов и сталей повышенной прочности и разнообразных легких бетонов и каменных материалов. Наиболее целесообразными считают конструкции с лучшими технико-экономическими показателями при всех прочих равных условиях (надежность, индустриальность, технологичность, эксплуатационные качества, экономичность и др.).

Основным направлением технической политики в области строительства являются снижение его стоимости, энергоемкости и трудоемкости при высокой долговечности и надежности зданий, повышение технологичности как отдельных элементов, так и конструкций в целом. К настоящему времени наибольшее распространение в жилищно-гражданском строительстве получили полносборные каркасные и бескаркасные многоэтажные здания и здания из объемных элементов.

Под каркасными понимают здания, основной несущей конструкцией которых является железобетонный каркас, состоящий из колонн и ригелей или из одних колонн (при безригельной схеме). Безригельная схема уменьшает количество монтажных элементов, общую массу железобетонных конструкций, исключает устройство трудоемких консолей на колоннах и упрощает монтаж каркаса. Каркасные здания из-за относительно большого количества сборных элементов оказываются более трудоемкими в изготовлении и монтаже и менее экономичными по сравнению с бескаркасными зданиями. Они целесообразны при высоте зданий не менее 10 этажей и широком применении в ограждающих конструкциях (панели наружных и внутренних стен), панелях перегородок, перекрытиях легких тепло- и звукоизоляционных материалов.

Под бескаркасными понимают здания, в которых полностью отсутствуют колонны, ригели и обвязки. Состоят они из крупных элементов (чаще всего размером на комнату) — панелей стен, перегородок и плит перекрытий. Бескаркасные крупнопанельные здания строят в основном с несущими поперечными стенами с шагом до 6 м и более. В таких зданиях полностью используют несущую способность поперечных стен. Панели наружных стен выполняют только теплозащитные функции, поэтому их изготовляют из легкого местного материала.

В бескаркасных зданиях, по сравнению с каркасными, в среднем на 20% сокращается число монтируемых элементов и выравнивается их масса, вследствие чего снижаются сроки строительства и уменьшаются приведенные затраты. В них представляется возможность передачи усилий через подстилающий растворный слой, что позволяет на 60-70% сократить массу металлических закладных частей и повысить капитальность зданий в отношении повреждения закладных стальных деталей коррозией или огнем.

Под зданиями из объемных элементов понимают здания, монтируемые из крупных объемных блоков. Их конструктивная схема в большинстве случаев является бескаркасной. Эти здания особенно перспективны, так как в большей степени отвечают требованиям индустриализации и позволяют почти полностью перевести строительство зданий на заводской конвейер, включая весь комплекс санитарно-технических, электромонтажных и архитектурно-отделочных работ. На строительной площадке выполняют лишь монтаж готовых квартир.

Многоэтажные производственные каркасные здания с балочными перекрытиями получили широкое распространение в химической, радиотехнической и других отраслях промышленности. По этой схеме строят также многие общественные здания.

Увеличение числа этажей сказывается главным образом на усилении сечения колонн и вертикальных связевых диафрагм нижних этажей, что меньше влияет на затраты материалов и общую стоимость здания, чем увеличение толщины несущих панелей в бескаркасных зданиях. В каркасных зданиях целесообразно горизонтальные нагрузки передавать ядру жесткости из монолитного железобетона. Каркас здания привязывают к ядру жесткости и он воспринимает только вертикальные нагрузки. При больших размерах в плане и большой высоте здания с монолитным ядром жесткости оказываются экономичнее каркасных зданий без ядра жесткости.

Многоэтажные здания с безбалочными перекрытиями сооружают на предприятиях пищевой промышленности, холодильниках и других производствах с повышенными требованиями к чистоте помещений. Наиболее экономичны многоэтажные здания с укрупненной сеткой колонн (6 х 12; 6 х 18; 12 х 12 м), так как они обеспечивают быструю и рациональную перестройку технологии производства. В многоэтажных производственных зданиях целесообразно применять предварительно напряженные ригели с внешним армированием. Монолитные железобетонные перекрытия или покрытия с внешней профилированной листовой арматурой возводят без применения опалубки. Формой для них служит профилированный настил, уложенный на несущие конструкции - балочную клетку, прогоны, несущие стены; настил используют в качестве подмостей, а после укладки бетона он является арматурой плиты.

В целях создания гибкой планировки цехов, модернизации и усовершенствования производства в последнее время все шире внедряют в строительство многоэтажные производственные здания с техническими этажами и пролетами междуэтажных перекрытий до 36 м.

При проведении конструкторских расчетов важным фактором является выбор вида конструкций. Осуществляется выбор путем технико-экономического сравнения запроектированных вариантов зданий по приведенным затратам, энергоемкости, трудоемкости, расходу дефицитной стали, надежности, долговечности, технологичности возведения, эстетическим воздействиям на человека.

Различают следующие виды конструкций:

1. Сборные конструкции. Под сборными понимают конструкции, возведение которых на строительной площадке производят из заранее изготовленных элементов. В целях повышения эффективности производства и качества продукции сборные элементы изготовляют на высокомеханизированных и автоматизированных предприятиях сборного железобетона, специализированных на выпуск определенного ассортимента изделий и конструкций.

При строительстве самых разнообразных зданий сборные железобетонные конструкции оказываются наиболее эффективными, так как их возведение не зависит от погодных условий. Они способствуют индустриализации и максимальной механизации строительства. Установлено, что 2,2...2,5 м3 сборного железобетона заменяют 1 т металлоконструкций. При этом стоимость железобетонных конструкций массового производства ниже, чем металлоконструкций.

Основной недостаток сборных конструкций заключается в трудоемкости, высокой стоимости и металлоемкости стыков их элементов, в снижении жесткости элементов и конструкций в целом вследствие нарушения общей пространственной неразрезности (статической неопределимости).

2. Монолитные конструкции. Под монолитными понимают конструкции, возведение которых осуществляют непосредственно на строительной площадке укладкой бетонной смеси (товарного бетона) в заранее приготовленную опалубку. В результате специфических недостатков их все более вытесняют сборные железобетонные конструкции.

Основные недостатки монолитного бетона:

- сезонность работ;

- устройство трудоемких и дорогостоящих опалубки и подмостей;

- продолжительность сроков строительства, зависящая от длительности твердения бетона в естественных условиях;

- низкая индустриализация строительства, объясняющаяся особенностями приготовления бетонной смеси, ее транспортирования и укладки, распалубки и т. д.

Основное достоинство монолитных конструкций заключается в их пространственной неразрезности (высокой статической неопределенности), что обеспечивает монолитным конструкциям меньшую материалоемкость по сравнению с другими видами железобетонных конструкций, Именно поэтому они находят широкое применение при строительстве типовых и разнообразных уникальных зданий, возводимых индустриальным способом.

Конструкции, трудно поддающиеся членению, например бассейны для плавания, фундаменты под оборудование и сооружения с мощными динамическими нагрузками (турбогенераторы, молоты), фундаменты под прокатное оборудование и пр., тоже выполняют монолитными. В каждом случае применение монолитного железобетона должно быть экономически обосновано.

3. Сборно-монолитные конструкции. Под сборно-монолитными принято понимать комплексные конструкции, в которых сборный и монолитный железобетон, укладываемый на месте строительства, работает под нагрузкой как одно целое. Этого достигают надежным сцеплением сборных элементов с монолитным бетоном посредством выбора формы и размеров сборных элементов, насечки их поверхности, применения в необходимых случаях напрягаемой и ненапрягаемой арматуры, сварки закладных деталей и выпусков арматуры.

На поверхности контакта сборных элементов с монолитным бетоном предусматривают по расчету или конструктивно выпуск поперечной арматуры с надежной анкеровкой в дополнительно уложенном монолитном бетоне. Сборный железобетон в сборно-монолитных конструкциях одновременно является опалубкой для монолитного железобетона и воспринимает все нагрузки в монтажный период.

Сборно-монолитный железобетон удачно сочетает положительные качества сборного и монолитного железобетона, благодаря чему является весьма экономичным.

Сборные элементы позволяют возводить здания теми же индустриальными методами, что и при строительстве полносборных зданий, а монолитный железобетон - достигать их необходимой пространственной жесткости, что существенно снижает расход стали и бетона по сравнению с полносборными зданиями. В монолитных частях сборно-монолитных конструкций, работающих в основном на сжатие, можно широко использовать ячеистые и легкие бетоны на местных естественных или искусственных пористых заполнителях, что способствует облегчению конструкции и, следовательно, дальнейшему их удешевлению. Сборные элементы целесообразно применять предварительно напряженными.

Различают сборно-монолитные конструкции с высоким (до 90%) и низким (до 25%) процентом содержания сборных элементов. Преимущество первых конструкций заключается в высокой индустриальности изготовления и монтажа, а вторых - в повышенной монолитности (неразрезности). Сборно-монолитные конструкции рассчитывают в обеих стадиях работы: до приобретения бетоном замоноличивания заданной прочности - на воздействие собственного веса этого бетона и нагрузок, действующих на данном этапе возведения конструкции; после приобретения бетоном замоноличивания заданной прочности - на нагрузки, действующие на данном этапе возведения и при эксплуатации конструкции.

При конструктивных расчетах большую роль играет специфика и свойства материала конструкции:

- бетон;

- железобетон;

- металл;

- камень;

- дерево;

- пластмасса и полимеры.

Каждый материал обладает своими свойствами сжимаемости и растяжимости под нагрузкой, ползучестью и усадкой, набуханием и температурными деформациями. Для каждого материала анализируют водонепроницаемость, морозо- жаростойкость, коррозионную стойкость,огнестойкость, тепло- и звукопроводность, кислотостойкость и др.

Под морозостойкостью понимают способность материала в увлажненном состоянии сопротивляться разрушающему воздействию попеременного замораживания и оттаивания. Материал является морозостойким, если он выдерживает 50...500 и более циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Под водонепроницаемостью понимают способность материала не пропускать воду.

Под огнестойкостью понимают способность материала сохранять прочность при пожаре (1000...1100°С). Бетон является более огнестойким материалом, чем сталь, так как при температурах пожара он практически сохраняет свои прочностные и деформативные свойства. Конструкции из стали обрушиваются уже при температуре 600...700°С. Повышение огнестойкости железобетонных конструкций достигают увеличением защитного слоя бетона до 3...4 см.

Под жаростойкостью понимают способность материала сохранять прочность при длительном воздействии высоких температур (выше 200 °С). Длительное воздействие высоких температур разрушает материал вследствие обезвоживания и деформаций.

Под коррозионной стойкостью понимают способность материала не вступать в химическую реакцию с окружающей средой.

При проектировании следует учитывать нагрузки, возникающие при возведении и эксплуатации сооружений, а также при изготовлении, хранении и перевозке строительных конструкций.

В расчетах используют нормативные и расчетные значения нагрузок. Установленные нормами наибольшие значения нагрузок, которые могут действовать на конструкцию при ее нормальной эксплуатации, называют нормативными. Фактическая нагрузка в силу разных обстоятельств может отличаться от нормативной в большую или меньшую сторону. Это отклонение учитывается коэффициентом надежности по нагрузке.

Расчет конструкции производится на расчетные нагрузки

q=q_n g_f ,

где q_n - нормативная нагрузка; g_f  - коэффициент надежности по нагрузке, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию. При расчете по первой группе предельных состояний g_f принимают:

- для постоянных нагрузок g_f = 1,1...1,3;

- временных g_f =1,2...1,6, при расчете на устойчивость положения (опрокидывание, скольжение, всплытие), когда уменьшение веса конструкции ухудшает условия ее работы, принимают g_f < 1.

Расчет конструкций по второй группе предельных состояний, учитывая меньшую опасность их наступления, производят на расчетные нагрузки при g_f =1. Исключение составляют конструкции, относящиеся к I категории трещиностойкости, для которых g_f >l.

Нагрузки и воздействия на здания и сооружения могут быть постоянными и временными. Последние в зависимости от продолжительности действия подразделяются на длительные, кратковременные и особые.

К постоянным нагрузкам относятся:

- вес частей сооружений, в том числе вес несущих и ограждающих конструкций;

- вес и давление грунтов (насыпей, засыпок);

- воздействие предварительного напряжения.

К временным длительным нагрузкам относятся:

- вес стационарного оборудования - станков, моторов, емкостей, конвейеров;

- вес жидкостей и твердых тел, заполняющих оборудование;

- нагрузка на перекрытия от складируемых материалов и стеллажей в складах, холодильниках, книгохранилищах, библиотеках и подсобных помещениях.

В тех случаях, когда требуется учитывать влияние длительности действия нагрузок на деформации и образование трещин, к длительным нагрузкам относится часть кратковременных.

К длительным относятся нагрузки, действующие в течение времени, достаточного, чтобы проявились деформации ползучести, увеличивающие прогиб и ширину раскрытия трещин.

К кратковременным нагрузкам относятся:

- нагрузки от веса людей, оборудования на перекрытия жилых и общественных зданий с полными нормативными значениями;

- нагрузки от кранов с полным нормативным значением;

- снеговые нагрузки с полным нормативным значением;

- ветровые нагрузки, а также нагрузки, возникающие при монтаже или ремонте конструкций.

Особые нагрузки возникают при сейсмических, взрывных или аварийных воздействиях.

Здания и сооружения подвергаются одновременному действию различных нагрузок, поэтому расчет их должен выполняться с учетом наиболее неблагоприятного сочетания этих нагрузок или усилий, вызванных ими. В зависимости от состава учитываемых нагрузок различают:

- основные сочетания, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок;

- особые сочетания, состоящие из постоянных, длительных, кратковременных и одной из особых нагрузок.

Временные нагрузки включаются в сочетания как длительные - при учете пониженного нормативного значения, как кратковременные - при учете полного нормативного значения.

Вероятность одновременного появления наибольших нагрузок или усилий учитывается коэффициентами сочетаний y₁ и y₂. Если в основное сочетание включается постоянная и только одна временная нагрузка (длительная и кратковременная), то коэффициенты сочетаний принимают равными 1, при учете двух и более временных нагрузок последние умножают на y₁=0,95 при длительных нагрузках и y₁=0,9 при кратковременных, так как считается маловероятным, чтобы они одновременно достигали наибольших расчетных значений.

При расчете конструкций на особое сочетание нагрузок, включающих взрывные воздействия, допускается не учитывать кратковременные нагрузки.

Значения расчетных нагрузок должны умножаться также на коэффициент надежности по назначению конструкции, учитывающий степень ответственности и капитальности здании и сооружений. Для сооружений I класса (объектов особо важного народнохозяйственного значения) g_n=1, для сооружении II класса (важные народнохозяйственные объекты) g_n=0,95, для сооружений III класса (имеющих ограниченное народнохозяйственное значение) g_n=0,9, для временных сооружении со сроком службы до 5 лет g_n=0,8.

Любая задача расчета конструкций имеет три стороны: статическую (или динамическую), геометрическую и физическую.

Статическая (динамическая) сторона задачи заключается в установлении связи между внешними нагрузками, действующими на конструкцию, и внутренними усилиями в любом ее сечении, которая определяется условиями статического (динамического) равновесия. Поскольку внутренние усилия заранее неизвестны, приходится привлекать геометрические и физические соотношения.

Геометрические соотношения связывают перемещения и деформации конструкции.

Физические определяют закон, по которому напряжения зависят от деформаций. Характер изменения напряженно-деформированного состояния сечения обычных железобетонных элементов в процессе нагрузки был известен уже в начале нашего века. Однако теоретические основы, учитывающие его особенности, отсутствовали. Существовал лишь метод расчета по допускаемым напряжениям. Он и был принят первоначально для расчета железобетонных конструкций.

Согласно методу расчета по допускаемым напряжениям бетон рассматривался как упругий материал. В основу расчетных зависимостей были положены закон Гука, гипотеза плоских сечений. Вместо действительного железобетонного сечения в расчет вводилось приведенное бетонное сечение, в котором арматура заменялась эквивалентным по прочности количеством бетона. Сопротивлением бетона растянутой зоны пренебрегали. В результате расчета определялись напряжения в бетоне и арматуре от эксплуатационных нагрузок, которые не должны были превосходить допускаемые. Последние назначались как доля от предела прочности.

Однако на основании многочисленных опытов было установлено, что этот метод, не учитывающий пластические свойства железобетона, обладал рядом серьезных недостатков: не позволял определять действительные напряжения, находить разрушающую нагрузку и т. д.

Таким образом, практика заставила исследователей искать теоретические основы, отражающие действительную работу железобетонных элементов.

В основу метода расчета сечений по разрушающим нагрузкам была положена работа конструкции в стадии напряженно-деформированного состояния, при этом предполагалось, что напряжения в бетоне и арматуре достигают предельных значений. В отличие от метода расчета по допускаемым напряжениям, где напряжения в бетоне и арматуре определялись по действующему в сечении внешнему усилию, в рассматриваемом методе по принятым напряжениям в сечении, установленным на основания экспериментов, определялось значение разрушающего усилия. Метод позволял назначать общий для всего сечения коэффициент запаса. Допускаемая нагрузка находилась путем деления разрушающей нагрузки на этот коэффициент. Метод более правильно отражал действительную работу сечений, подтверждался экспериментально и явился крупным шагом в развитии теории железобетона.

Общим недостатком обоих рассмотренных выше методов являлось использование единого коэффициента запаса, лишь весьма приближенно учитывающего многообразие факторов, влияющих на работу конструкции. Кроме того, метод расчета по разрушающим нагрузкам, позволяя достоверно определять прочность конструкции, не давал возможности оценить ее работу на стадиях, предшествующих разрушению, в частности при эксплуатационных нагрузках. Впрочем, до определенного периода практика и не ставила перед исследователями такой задачи. Это объясняется тем, что применялись сталь и бетон относительно низкой прочности, конструкции имели развитые сечения, прогибы и трещины в бетоне от эксплуатационных нагрузок были невелики и не препятствовали нормальной работе конструкций. С появлением бетона и арматуры более высокой прочности сечения уменьшались, снижалась и их жесткость, в результате чего прогибы конструкций от фактических нагрузок оказывались значительными, создавая в ряде случаев препятствия нормальной эксплуатации. Кроме того, более существенную роль стал играть фактор раскрытия трещин, вызывающий коррозию стали, к которой высокопрочная арматура особенно чувствительна. Последние два обстоятельства наряду с отмеченными выше недостатками существовавших методов потребовали дальнейшего совершенствования методики расчета железобетонных конструкций.

Расчет железобетонных конструкций стали производить по методу предельных состояний. Под предельным понимают такое состояние конструкции, после достижения которого дальнейшая эксплуатация становится невозможной вследствие потери способности сопротивляться внешним нагрузкам или получения недопустимых перемещений или местных повреждений.

В соответствии с этим установлены две группы предельных состояний: первая - по несущей способности; вторая - по пригодности к нормальной эксплуатации.

Расчет по первой, группе предельных состояний выполняется с целью предотвращения разрушения конструкций (расчет по прочности), потери устойчивости формы конструкции (расчет на продольный изгиб) или ее положения (расчет на опрокидывание или скольжение), усталостного разрушения (расчет на выносливость).

Расчет по второй группе предельных состояний имеет цель не допустить развитие чрезмерных деформаций (прогибов), исключить возможность образования трещин в бетоне или ограничить ширину их раскрытия, а также обеспечить в необходимых случаях закрытие трещин после снятия части нагрузки.

Расчет по первой группе предельных состояний является основным и используется при подборе сечений. Расчет по второй группе производится для тех конструкций, которые, будучи прочными, теряют свои эксплуатационные качества вследствие чрезмерных прогибов (балки больших пролетов при относительно малой нагрузке), образования трещин (резервуары, напорные трубопроводы) или чрезмерного раскрытия трещин, приводящего к преждевременной коррозии арматуры.

Нагрузки, действующие па конструкцию, и прочностные характеристики материалов, из которых конструкция изготовлена, обладают изменчивостью и могут отличаться от средних значений.

Поэтому для обеспечения того, чтобы за время нормальной эксплуатации сооружения не наступило ни одного из предельных состояний, вводится система расчетных коэффициентов, учитывающих возможные отклонения (в неблагоприятную сторону) различных факторов, влияющих на надежную работу конструкции:

- коэффициенты надежности по нагрузке g_f, учитывающие изменчивость нагрузок или воздействий;

- коэффициенты надежности по бетону g_b и арматуре g_s, учитывающие изменчивость их прочностных свойств;

- коэффициенты надежности по назначению конструкции g_n, учитывающие степень ответственности и капитальности зданий и сооружений;

- коэффициенты условий работы g_bi и g_si, позволяющие оценить некоторые особенности работы материалов и конструкций в целом, которые не могут быть отражены в расчетах прямым путем.

Расчетные коэффициенты устанавливают на основе вероятностно-статистических методов. Они обеспечивают требуемую надежность работы конструкций для всех стадий: изготовления, транспортирования, возведения и эксплуатации.

Таким образом, основная идея метода расчета по предельным состояниям заключается в обеспечении условия, чтобы даже в тех редких случаях, когда на конструкцию действуют максимально возможные нагрузки, прочность бетона и арматуры минимальна, а условия эксплуатации наиболее неблагоприятны, конструкция не разрушилась и не получила бы недопустимых прогибов или трещин. При этом во многих случаях удается получать более экономичные решения, нежели при расчете ранее применявшимися методами.

С развитием вычислительной техники в механике деформируемого твердого тела получили широкое распространение численные методы. К числу наиболее используемых методов относятся методы конечных разностей, конечных и граничных элементов. Эти методы основаны на различных способах приближенного математического описания поведения деформируемого твердого тела.

В методе конечных разностей (МКР) на область рассматриваемого тела наносится сетка линий, точки пересечения которых называются узлами. В случае стержня или балки сетка будет одномерной и узлы будут располагаться на их оси. Неизвестными в узлах считаются значения функций, относительно которых справедливы известные дифференциальные уравнения механики деформируемого твердого тела.

Производные в дифференциальных уравнениях аппроксимируются приближенными алгебраическими формулами. Эти формулы называются конечно-разностными и неизвестными в них являются значения функций в узлах. Замена производных в дифференциальном уравнении конечно-разностными формулами приводит к системе линейных алгебраических уравнений.

Граничные условия, содержащие производные, с помощью конечно-разностных формул также заменяются алгебраическими уравнениями. Решение системы линейных алгебраических уравнений позволяет найти распределение напряжений в теле и изменения его размеров и формы.

Появление ЭВМ стимулировало развитие метода конечных элементов (МКЭ), математические основы которого были сформулированы известным математиком Р. Курантом в 1943 г. Плоская область конструкции рассматривается как совокупность простейших элементов (например, треугольников). Каждый треугольник является конечным элементом, имеющим свой порядковый номер. Общие вершины треугольных конечных элементов называются узлами, которые также нумеруются. Граница области представляет собой ломаную линию. Кинематические граничные условия задаются в узлах на границе. Нагрузки на границе заменяются сосредоточенными силами в узлах, связь конечных элементов между собой осуществляется также в узлах.

В рамках данной модели неизвестными являются перемещения в узлах по осям координат. Можно показать, что перемещения одинаковы не только в общих узлах двух соседних конечных элементов, но и на их общей границе. Аналогично можно показать, что поле перемещений непрерывно на общей границе двух соседних конечных элементов.

Учитывая зависимость между усилиями и перемещениями в узлах отдельного конечного элемента и связь деформации с перемещениями, вычисляют так называемую матрицу жесткости конечного элемента, позволяющую установить связь между усилиями и перемещениями в узлах.

Проектирование многоэтажных зданий невозможно без учета динамических воздействий. С одной стороны, это технологические динамические нагрузки, вызываемые машинами, кранами, вибрацией, ударами и производственными взрывами, а с другой - природные динамические нагрузки, вызываемые действием ветра, землетрясения. Целью динамического расчета несущих конструкций многоэтажных зданий является обеспечение несущей способности конструкций при совместном действии статических и динамических нагрузок и ограничение уровня колебаний конструкций пределами, которые исключают возможность вредного их влияния на людей и технологический процесс.

Свободные колебания системы зависят от ее конструктивных характеристик и начальных условий (смещений, скоростей, ускорений), которые соответствовали моменту снятия с системы внешнего воздействия. Поскольку начальные условия могут быть различными, то и свободные колебания одной и той же системы могут быть разными с изменяющейся во времени конфигурацией эпюры динамических прогибов. Можно задаться такими начальными условиями колебаний, чтобы получить свободные колебания системы с неизменяющейся во времени формой, определяемой соотношениями ее динамических прогибов в разных точках. Такие колебания называют "собственными" (или главными). Название "собственные" связано с тем, что формы этих колебаний и соответствующие им частоты определяются собственными характеристиками системы многоэтажного здания (значением и распределением масс, жесткостей, видом опор). Каждая система с n степенями свободы имеет n собственных частот и соответствующих им форм колебаний. Числом степеней свободы механической системы называют число независимых координат (линейных и угловых), определяющих положение всех масс системы в пространстве в любой момент времени ее движения, В конкретных условиях свободные колебания системы обычно быстро затухают, что связано с затратами энергии на преодоление различных внешних и внутренних сопротивлений. Для каждой из собственных форм колебаний характерна своя скорость затухания. К концу процесса свободных колебаний сложные движения из нескольких собственных форм колебаний постепенно вырождаются в одну форму, отличающуюся наименьшей скоростью затухания.

Если колеблющаяся система находится под действием возмущающих сил, то такие колебания системы называются вынужденными. Вынужденные колебания зависят от параметров колеблющейся системы и характеристик возмущающего воздействия.

Когда для упрощения задач отказываются от учета затухания колебаний, системы рассматривают как идеализированные и называют "консервативными" в отличие от реальных "диссипативных" систем. Для уменьшения уровня колебаний конструкций применяют специальную виброизоляцию, изменяют расположение машин, балансировку, уравновешивание и изменение числа оборота машин и т. д. Динамический расчет конструкций многоэтажных зданий проводят в такой последовательности:

1. Определяют динамические нагрузки и классифицируют их по частотности и динамичности.

2. Определяют амплитуды динамических перемещений и проверяют выполнение физиологических и технологических требований по ограничению уровня колебаний.

3. Определяют амплитуды внутренних усилий в конструкциях (изгибающих моментов и поперечных сил) и производят расчет на прочность и выносливость.

При расчете многоэтажных зданий на динамические воздействия очень важно правильно выбрать расчетную схему, чтобы она наиболее просто позволила отразить в математической записи горизонтальные смещения здания при минимальном числе условий. Рассматривая конструкцию многоэтажного здания, можно заметить, что обычно в уровне каждого перекрытия создается жесткий диск и при плоских боковых деформациях здания перемещения всех масс, расположенных в уровне одного и того же перекрытия, будут одинаковыми. Поэтому их можно заменить перемещением одной массы, представляющей сумму всех масс этого уровня.

Таким образом, в качестве расчетной схемы здания используется система, представляющая собой один консольный стержень, несущий ряд сосредоточенных масс, расположенных на разных уровнях по его высоте, жесткость которого эквивалентна общей боковой жесткости всех элементов здания.

Частоты и формы собственных колебаний являются важнейшими динамическими характеристиками конструкций. Зная частоты и формы собственных колебаний, а также возмущающую нагрузку, можно не только полностью провести динамический расчет конструкций, но и предусмотреть возможные мероприятия по уменьшению динамических деформаций и усилий. Обычно для динамического расчета конструкций используют метод разложения по формам собственных колебаний; при этом точность расчета существенно зависит от числа учитываемых таких форм колебаний. В практических расчетах строительных конструкций, характеризующихся густыми спектрами частот колебаний, основным расчетным случаем является расчет на резонанс.

Существуют различные методы определения частот и форм собственных колебаний многоэтажных зданий. Наиболее распространены методы деформаций и сил. При этом следует считаться с реальной статической схемой здания, которая непосредственно зависит от его расчетной схемы (каркасная, бескаркасная, смешанная и т. д.).

В зависимости от расчетной схемы здания преобладают изгибные или сдвиговые поступательные колебания, изгибносдвиговые и крутильнопоступательные. Существует множество приближенных способов вычисления частот и форм собственных колебаний, распространенных в практике динамических расчетов сооружения:

- формула Дункерлая используется для определения приближенного значения первой частоты собственных колебаний систем со многими степенями свободы;

- метод спектральных функций;

- энергетический метод;

- метод последовательных приближений;

- метод приведения масс и т. д.

Для реализации всех перечисленных методов имеются специализированные программные комплексы.

В таблице 2.2.1. представлена взаимосвязь объектов различной структуры и решаемых задач при автоматизации конструкторских расчетов.

Таблица 2.2.1.

Состав решаемых задач при автоматизации конструкторских расчетов

ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ		Структура объекта проектирования
		многопролетное здание					однопролетное здание
Класс задач	Задача	каркас	колонны	ригели	плиты	связи	каркас	колонны	фермы	балки	плиты
Статический и динамический расчет конструкций	Расчет линейно-упругих систем	+					+		+
	Расчет нелинейных систем	+					+	+
	Выбор расчетных комбинаций усилий	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
	Выбор невыгодных загружений	+					+
Проектирование элементов конструкций	Расчет конструктивных параметров		+	+	+			+	+	+	+
	Конструирование		+	+	+			+	+	+	+
Определение статистических и технико-экономических показателей	Определение потребностей	+	+	+	+		+	+	+	+	+
	Определение технико-экономических показателей элементов		+	+	+			+	+	+	+
Оптимальная унификация конструкций	Построение матриц проектных ситуаций		+	+				+	+	+
	Построение оптимальных рядов		+	+	+			+	+	+	+
Определение интегральных технико-экономических показателей	Определение приведенных технико-экономических показателей сортамента	+			+		+				+
	Определение технико-экономических показателей аналогов	+			+		+				+
Формирование материалов для проектирования	Формирование маркировочных схем		+	+	+	+		+	+	+	+
	Определение несущей способности элементов		+	+	+			+	+	+	+
Графический вывод проектной документации	Рабочие чертежи конструкций		+	+	+			+	+	+	+
	Материалы для проектирования		+	+	+	+		+	+	+	+