Государственная программа ориентированных фундаментальных исследований «Строительство и архитектура» (2006–2010 гг.) – в интересах отрасли и государства

Исследование и моделирование работы буронабивных свай из бетона на напрягающем цементе (НЦ) на выдергивающую вертикальную нагрузку позволило выявить следующее:

–напряженно деформированное состояние ствола буронабивной сваи из бетонов на НЦ формируется как под влиянием природного состояния грунта, так и давления бетона при устройстве сваи;

–принимая во внимание, что давление от расширения бетона может быть весьма значительным в сравнении с давлениями грунта

ибетона, то сопротивление грунта сдвигу будет определяться именно давлением, создаваемым напрягающим бетоном;

–в неармированном бетоне на НЦ при твердении в стесненных грунтовых условиях возникают ограничивающие напряжения сжатия в результате распора при расширении и перемещений в продольном направлении;

–перемещения ствола сваи в вертикальном направлении имеют значение, близкое к свободным деформациям бетона при расширении, а напряжения в стволе сваи, выполненной без армирования, достигает значительных величин и имеет наибольшее значение в нижней части;

–при проектировании, для исключения разрушения ствола сваи из бетона на НЦ, целесообразно его использовать только в нижней половине сваи.

Разработана методика учета основных факторов для оценки сопротивления грунта по боковой поверхности и под пятой буронабивной сваи из бетонов на напрягающих цементах и расчета усилий передаваемых на пяту сваи, при условии предельно допустимой осадки и рекомендации по устройству свайных фундаментов из буронабивных свай на НЦ.

Результаты лабораторных и полунатурных испытаний сталетрубобетонных элементов и буронабивных свай из бетона на напрягающем цементе подтвердили возможность получения в строительной отрасли значимого экономического эффекта.

«Строительство и архитектура 42» «Исследование напряжен-

но-деформированного состояния и разработка методики расчета в соответствии с СНБ 5.03.01-2002 железобетонных балок с пологим отгибом части продольной предварительно напряженной арматуры». Научный руководитель канд. техн. наук Малиновский В.Н.

101

Учреждение образования «Брестский государственный технический университет», кафедра строительных конструкций.

В ходе исследований по заданию «Строительство и архитектура42» на основании полученных в рамках выполнения задания численных и экспериментальных данных о напряженно-деформированном состоянии предварительно-напряженных железобетонных балок с полого отогнутой арматурой была разработана методика расчета, позволяющая производить оценку прочности балочных и плитных конструкций по наклонным сечениям при действии поперечных сил.

Разработана программа «BALKA» для расчета и исследования напряженно-деформированного состояния предварительно напряженных железобетонных балок, имеющих пологий отгиб части продольной предварительно-напряженной арматуры.

Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) проводилось путем сравнения параметров НДС балок с прямолинейной и отогнутой арматурой. В качестве метода решения задачи выбрано конечно-элементное моделирование с использованием вычислительного пакета «MSC.visualNastran for Windows» и специально составленной программы. Сравнительный анализ производится на железобетонных балках длиной 300 см (расчетный пролет 2,7 м), армированных рабочей арматурой из четырех напрягаемых

стержня 14 мм класса S800 (размещение в два ряда с рабочей высотой d = 250 мм). В балках с отогнутой арматурой стержни верхнего ряда в третях пролета переведены из нижней зоны к верхней гра-

ни опорного сечения под углом 12°.

Согласно полученным результатам экспериментальных исследований опытных балок общая картина напряженно-деформированного состояния практически не отличается от результатов, полученных по вычислительному комплексу «MSC. visual Nastran for Windows» и по разработанной программе «BALKA». По результатам экспериментальных исследований следует, что изменение пролета среза при нагружении балки с отогнутой преднапряженной арматурой влияет только на величину нагрузок (моментов) появления первых нормальных трещин, и не сказывается на общей картине напряженнодеформированного состояния. Данное обстоятельство подтверждалось ранее результатами численных исследований.

102

В проведенных опытах угол наклона главных площадок в зоне возможного появления наклонной трещины находился в пределах 21–23°, а магистральная наклонная трещина имела более пологое направление к продольной оси по сравнению с одноименными направлением в балках с прямолинейной арматурой.

На основании результатов численных исследований установлено, что наличие пологого отгиба стержневой арматуры в пределах всего пролета среза при отсутствии ортогональной поперечной арматуры исключает возможность разрушения изгибаемого элемента одновременно с образованием магистральной наклонной трещины. В опытах отгиб части продольной рабочей арматуры из нижней зоны в пролете в верхнюю на опорах предотвратил разрушение по наклонному сечению, несмотря на отсутствие поперечной арматуры.

В этой связи и на основании исследований, предлагается оценку прочности по поперечной силе элементов с полого отогнутой арматурой выполнять по условию п. 7.79 СНБ 5.03.01–02, а поперечную силу, воспринимаемую наклонным сечением VRd – по общей зависимости п. 7.80 СНБ 5.03.01–02, учитывающей сопротивление бетона, ортогональной поперечной и отогнутой арматуры:

VRd =Vcd +Vcw +Vs,inc = σ1 bw z cot θ+

где σ1 – среднее значение главных растягивающих напряжений в бетоне, определяемые по трансформированной диаграме деформирования в зависимости от величины главных относительных деформаций; z – плечо внутренней пары сил, определяемое как расстояние между равнодействующими в сжатой зоне бетона и растя-

нутой прямолинейной продольной арматуре; θ – угол наклона диагональной полосы в расчетном сечении.

Главные растягивающие напряжения следует определять по математическому выражению трансформированной диаграммы деформирования бетона в зависимости от главных деформаций

растяжения ε1:

103

при этом величина главных напряжений должна быть ограничена исходя из величины предельных касательных напряжений, воспринимаемых сечением за счет зацепления берегов трещин:

где а – максимальный размер зерна крупного заполнителя; Wk – ширина раскрытия наклонной трещины, определяемая по выражению п. 7.2.2.26 СНБ5.03.01-2002 и зависящая от среднего расстояния

между наклонными трещинами smθ, определяемого так же согласно данного пункта.

Результаты численных исследований и данные экспериментальных исследований свидетельствуют о некоторой разнице в величинах главных деформаций сечений опорной зоны балок с прямоли-

нейной и отогнутой арматурой. Главные деформации растяжения ε1 при загружении в балках с отогнутой преднапряженной арматурой меньше по величине одноименных деформаций бетоны балок с прямолинейной арматурой. Данное обстоятельство может быть

учтено через составляющий параметр εx (средние продольные деформации бетона) выражения, полученного из условия совместности деформирования:

×cot2 θ.

Средние продольные деформации бетона εх расчитываются на уровне центра тяжести растянутой продольной прямолинейной части напрягаемой арматуры используя формулу общегго случая п. 7.113 СНБ5.03.01-02, но с учетом влияния предварительного об-

104

жатия бетона как прямолинейной так и отогнутой частей арматуры на величину сжимающего усилия и благоприятного влияния вертикальной составляющей предварительного обжатия бетона отогну-

той под углом α арматурой на величину поперечной силы:

прямолинейной арматурой, равное Npd = γp·Pmt; Pmt – среднее значение усилия предварительного обжатия бетона прямолинейной арматурой с учетом соответствующих потерь; Npd.inc – расчетное значение усилия oбжатия бетона отогнутой арматурой, равное

Npd.inc = γp·Pmt.inc; Pmt.inc – то же в отогнутой арматуре с учетом соответствующих потерь; γр – частный коэффициент безопастности

для усилия предварительного обжатия, принимаемый в соответствии с п. 9.4.2 СНБ 5.03.01-2002.

«Строительство и архитектура 43» «Разработка методики уменьшения материалоемкости строительства распределительных газовых сетей на стадии проектирования». Научный руководитель канд. физ.-мат. наук Маханек А.А. Государственное научное учреждение «Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова».

В результате исследований по заданию «Строительство и архитектура 43» разработана методика уменьшения материалоемкости строительства распределительных газовых сетей на стадии проектирования. Разработана методика и компьютерная программа расчета газораспределительных сетей высокого, среднего и низкого давления.

Основная идея предлагаемой методики заключается в сведении оптимизационной задачи к задаче нелинейного программирования путем фиксации и последующего варьирования диаметров всех участков изначально на дискретном множестве сортамента труб. При этом необходимо снять явные ограничения на величину предельно допустимого давления в концевых точках сети, но перенести

105

эти ограничения в целевую функцию, по методу штрафных функций. В противном случае будет получаться система несовместных уравнений, не имеющая решения.

Математически эту идею можно кратко выразить следующим образом

В этих выражениях через I и J обозначены множества номеров узлов и участков газовой сети, а D – искомое множество диаметров

этих участков, состоящее из диаметров газового сортамента труб Dсортамент. Здесь n – число диаметров труб в сортаменте. В (8) через

Ki и Gj условно обозначены уравнения Кирхгофа для узлов сети и уравнения гидравлики для ее участков, соответственно.

Общее число неизвестных P и V, а также число уравнений здесь совпадает и равно

В случае оптимизации сети на минимум ее материальной характеристики целевая функция имеет вид

j =1

где Lj – протяженность j-го участка, S – штрафная функция, принимающая нулевое значение при выполнении всех условий СНиП и «бесконечно» большое, если хотя бы одно из условий для конкретного множества значений диаметров участков {Dj} не выполняется.

Алгоритм реализации данной идеи состоит в том, что, начиная с некоторого набора диаметров участков, полученного любым другим способом, инициируется процедура варьирования диаметров этого множества на величину одного шага диаметров сортамента с последующим решением системы уравнений гидравлики и Кирхофа и перевычислением значения целевой функции. Получаемое решение

106

оценивается с точки зрения соответствия требованиям СНиП. В случае удовлетворения полученного промежуточного решения этим требованиям штрафной функции приписывается нулевое значение, а при не соответствии – значение, достаточно большое, чтобы отсечь данный вариант сочетания диаметров и перейти к другому их сочетанию. Следует отметить, что при бессистемном поиске и без дополнительных ограничений на глубину вариаций диаметров такая задача практически не разрешима из-за возникновения огромного количества вариантов перебора. Так, например, при попытке рассмотреть семь вариантов диаметров сортамента для 60 участков

должно возникнуть 760 ≈ 5 1050 их сочетаний. При глубине поиска на один шаг в разные стороны от начального распределения число

этих вариантов будет порядка 360 ≈ 4 1028 и также слишком велико для осуществления полного перебора. По этой причине для предлагаемой методики важно, во-первых, учитывать несовместность некоторых сочетаний диаметров еще до стадии решения системы нелинейных алгебраических уравнений, а во-вторых, использовать более эффективные способы нахождения глобального минимума целевой функции, нежели простой перебор всех возможных вариантов из допустимого множества. С этой целью применен известный и высоко эффективный метод поиска глобального минимума целевой функции – метод Хука–Дживса.

Применение описанной выше методики с целью минимизации функции материалоемкости для двух реальных газораспределительных сетей низкого давления показало, что эффект от учета сил инерции составляет менее 1 % по величине материалоемкости, либо полностью отсутствует. На некоторых коротких участках с интенсивным путевым отбором газа он может достигать 10 %, однако в целом для сети большой шаг относительного изменения диаметра при переходе к ближайшему значению в сортаменте труб практически полностью сглаживает это влияние. Эффект уменьшения функции материалоемкости (материальной характеристики сети) существенно зависит от начального приближения перед началом работы оптимизационного алгоритма Хука–Дживса. При построении этого начального приближения по собственному алгоритму и однократной попытке поиска оптимального сочетания диаметров эффект применения предлагаемой методики отрицателен. Повторный поиск

107

с использованием результата предыдущих попыток дает улучшение результата. По сети газоснабжения п. Дроздово наибольшее снижение материалоемкости составило 2,3 %, по сети д. Бровки – увеличение на 0,4 %.

Положительные результаты достигнуты в случаях использования для начала оптимизационного поиска множеств диаметров участков сети, определенных по стандартной методике и методике, эквивалентной методике Левина. Лучший результат по сети газоснабжения д. Бровки составил 1,0 % снижения материальной характеристики этой сети, а по п. Дроздово 5,7 % снижения данного параметра относительно стандартной методики (результата обработки тех же данных по программе Белгипрогаз).

Отличительной положительной особенностью предлагаемой методики является сведение задачи оптимизации параметров газораспределительной сети к задаче нелинейного программирования, не предполагающей аналитическое определение дополнительных узловых уравнений или использование приближения постоянства градиента давления вдоль основных направлений потока газа (или пьезометра иной формы). Целевая функция при этом может характеризовать условие эффективности не только по материалоемкости, но и по другим критериям (в частности, надежности и уровню дисконтированных затрат на строительство и эксплуатацию газораспределительной сети). Алгоритм решения гидравлической задачи для сети полностью отделен и независим от условий и ограничений, которым искомое решение должно удовлетворять, т.е. никак не связан с видом целевой функции. Данное обстоятельство обеспечивает чрезвычайную гибкость в получении решения для сети, к которой по условиям проектирования могут предъявляться самые разнообразные требования, если только эти требования могут быть сформулированы количественно на уровне целевой функции.

«Строительство и архитектура 45» «Разработка методики по-

строения и метрологическое обеспечение аппаратных и программных средств строительного мониторинга». Научный руководитель д-р техн. наук Соломахо В.Л. Белорусский национальный технический университет.

В результате выполнения задания «Строительство и архитектура 45» проведен анализ возможности применения систем автомати-

108

сигналов, аналого-цифровые преобразователи АЦП1–АЦПN, мультиплексор MUX и управляющий компьютер. Первичные преобразователи, усилители и фильтры можно условно объединить в блок из N датчиков, преобразующих входную физическую величину в сигнал с предварительной фильтрацией шумов.

Врезультате проведенных теоретических исследований и обобщения зарубежного опыта разработан проект Государственного стандарта «Строительство. Организация системы мониторинга зданий и сооружений. Общие требования».

Всвязи с тем, что причины, вызывающие изменение технического состояния зданий и сооружений, носят случайный характер, все возможные источники влияющих воздействий необходимо разделить на обычные и особые причины изменчивости. Для сбора и анализа измерительный информации предлагается использовать аппарат теории вероятностей и математической статистики. В рамках выполненных исследований предлагаются критерии оценки стабильности процессов и методики их расчета. Результаты теоретических исследований положены в основу разработанного и утвержденного в установленном порядке технического нормативного правового акта ТКП 45-1.01-81-2007 «Статистические методы при оценке качества продукции и результативности процессов системы менеджмента качества. Порядок применения».

Погрешности средств измерений, используемых в ССМ, оказывают влияние на достоверности оценок технического состояния контролируемых параметров строительных конструкций. Неправильный выбор средств измерений по точностным параметров может привести

кприменению неправильных управляющих решений в ходе мониторинга и некорректной оценке остаточного ресурса строительных объектов. В связи с этим разработаны методы нормирования погрешности средств измерений, применяемых в ССМ. В качестве критерия нормирования точности предлагается применять риск получения недостоверной оценки технического состояния объекта.

Разработаны конструкции измерительных преобразователей сил, деформаций и механических напряжений (струнный и индуктивный), построенные на различных физических принципах. Для обеспечения сопряжения измерительных преобразователей с интегрированными системами инженерного обеспечения зданий и сооруже-

110