Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы решения научно-технических задач в строительстве. Учебное пособие.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
В. В. ЛЕДЕНЁВ, О. В. УМНОВА
МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Утверждено Учёным советом университета
в качестве учебного пособия
для бакалавров (08.03.01), магистрантов (08.04.01)
и аспирантов (08.06.01) направления «Строительство»
Учебное электронное издание
Тамбов
Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ»
2020
1
УДК 624(0353)
Рассмотрены основные причины повреждений и разрушений конструк-
специалистам в области проектирования, строительства и эксплуатации.
ISBN 978-5-8265-2284-4
© Федеральное государственное бюджетное
университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2020
ББК 38.2я2
Л39
Рецензенты:
Кандидат технических наук,
специалист ТК и КК ООО СП «Мостострой»
Я. В. Савинов
Доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Архитектура
и строительство зданий» ФГБОУ ВО «ТГТУ»
А. И. Антонов
Леденёв, В. В.
Л39
Методы решения научно-технических задач в строительстве
[Электронный ресурс] : учебное пособие / В. В. Леденёв, О. В. Умнова. –
Тамбов : Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2020. – 1 электрон. опт.
диск (CD-ROM). – Системные требования : ПК не ниже класса Pentium II ;
CD-ROM-дисковод ; 36,0 Mb ; RAM ; Windows 95/98/XP ; мышь. – Загл.
с экрана.
SBN 978-5-8265-2284-4
I
ций, зданий и сооружений, перспективы развития архитектуры и строительства, в том числе для уникальных и высотных зданий, некоторые теоретические и экспериментальные методы решения научно-технических задач.
Приведены примеры постановки и решения задач. Дан справочный материал
по механике.
Предназначено для бакалавров (08.03.01), магистрантов (08.04.01)
и аспирантов (08.06.01) направления «Строительство». Может быть полезно
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
2
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический
УДК 624(0353)
ББК 38.2я2
ВВЕДЕНИЕ
Строительная отрасль характеризуется возведением:
• новых микрорайонов;
• объектов в пределах существующей застройки;
• перепрофилированием бывших промышленных объектов в совре-
менные предприятия;
• многофункциональных центров в виде комплексов высотных зданий
и уникальных объектов;
• проведением масштабных реставрационных работ.
Всё чаще используются такие принципы, как архитектурная вырази-
тельность, комфорт, красота, оригинальность, благоприятная среда обитания,
активная зона отдыха, высокая транспортная доступность и т.д.
Застраиваются пойменные территории, свалки, овраги, болота, т.е.
участки мало пригодные для строительства.
Вырастают масштабы строящихся объектов. Высоты зданий приближа-
ются к одному километру, глубины подземных частей до 60 м и более.
Увеличиваются: нагрузки на основание, климатические воздействия,
вероятности прогрессирующего разрушения, активизируются неблагоприятные процессы и явления.
Всё большее влияние оказывает деятельность человека на природную
среду. Экологические проблемы часто выходят на первый план.
Во всём мире ежегодно фиксируются аварии и катастрофы – следствие
ошибок и недостаточных знаний в области строительства.
Проектирование и строительство уникальных и высотных зданий, про-
мышленных и культурно-бытовых комплексов всё чаще осуществляют иностранные и отечественные фирмы, получившие призвание и специализирующиеся в определённом направлении (мосты, дороги, высотные здания,
спортивно-развлекательные центры, и т.д.).
3
Консультантами фирм часто являются крупные учёные или известные
научные центры. В ряде случаев научное сопровождение осуществляется
на этапах обоснования, изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации. Научные разработки выполняются и на отдельных этапах работ
(испытание свай, несущих конструкций).
Нормы проектирования разрабатываются крупными научными коллек-
тивами. Прослеживается тенденция корректировки норм разных стран,
например, ЕВРОНОРМЫ (В. О. Алмазов, 2007). В Европейский Стандарт EN
1992 входит пакет из девяти Еврокодов. Сближение норм разных стран позволяет избежать грубых ошибок и выработать более обоснованные подходы
к проектированию разных конструкций и принятию конструктивных требований.
Приведённые выше данные показывают, что научные достижения
интенсивно внедряются в строительную отрасль. В связи с этим будущие
специалисты должны иметь достаточную квалификацию, чтобы:
• руководствоваться научной и нормативно-справочной литературой;
• активно внедрять в производство прогрессивные материалы, техно-
логии, конструкции и инженерные решения;
• участвовать в разработке программ и анализе результатов эксперимен-
тальных исследований (испытание свай, несущих конструкций, зданий или
сооружений, например, мостов, элеваторов, купольных конструкций и др.);
• прогнозировать последствия ошибок, влияния разных неблагоприят-
ных факторов на работу конструкций, узлов сопряжений, зданий или сооружений в целом;
• организовать и проводить мониторинг;
• участвовать в работе научно-технических конференций.
Часто бакалавры и все магистранты в период обучения выполняют
научно-исследовательские работы по разным дисциплинам, выбирают темы
выпускных квалификационных работ и проводят экспериментальные и
теоретические исследования. В этот период формируется творческий подход
к решению практических задач.
В пособии содержится материал, который может быть полезен на всех
этапах подготовки и закладывается база для эффективной работы после
окончания вуза.
Предлагаются направления для самостоятельного повышения квалифи-
кации по окончании вуза.
Большое внимание уделено описанию научно-технических задач, поста-
новке и их решению, функциональным понятиям механики. Приведены примеры решения задач.
4
1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ,
РЕШАЕМЫЕ В СТРОИТЕЛЬНОЙ ОТРАСЛИ
1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДАЧ ИЗ ТРЕБОВАНИЙ ПРАКТИКИ
Перечень наиболее характерных научно-технических задач, решае-
мых в строительной отрасли на различных стадиях проектирования, расчё-
та, изготовления материалов, изделий и конструкций, монтажа и эксплуатации зданий и сооружений:
• нарушение нормативных требований, отступление от проектных
решений, технологий, необоснованные перепланировки, надстройки;
• нарушение правил технической эксплуатации;
• низкое качество материалов, работ, контроля, технологий;
• ошибки при климатических, инженерно-геологических, гидрогеоло-
гических, геоморфологических исследованиях, прогнозе их изменений, развития неблагоприятных процессов при проектировании;
• перегрузки от производственной пыли, снега, ветра, оледенения,
складируемых материалов и оборудования;
• сейсмические, температурные, коррозионные, взрывные, неучтенные
динамические и вибрационные воздействия, биение;
• просадки, провалы, разжижения, суффозии, насыщение маслами
и технологическими растворами грунтов, гидродинамические эффекты
при движении грунтовых вод, оползни, снижения механических характеристик грунтов основания;
• взаимное влияние близко расположенных объектов, влияние про-
странственных тяжёлых зданий на расположенные до 200 метров сети,
постройки, подземные объекты;
• прогрессирующее разрушение;
• значительные начальные напряжения и деформации, например, сва-
рочные, горячие и холодные трещины, концентраторы напряжений;
• неправильный выбор материалов и технологий, например, не учиты-
вающих условия эксплуатации построенных объектов;
• сочетания различных неблагоприятных факторов.
Ежегодный перечень аварий и анализ их причин являются предметом
решения научно-технических задач.
Причины разрушений: силовые, температурные, деформационные,
коррозионные, усталостные, механические, изнашивание, начальные напряжения и сопутствующие им деформации, чрезвычайные ситуации (землетрясения, пожары, взрывы, карсты, оползни, ураганы, разжижение грунтов, подтопление территорий и др.; грубые ошибки на стадиях изысканий, проектирования, строительства, эксплуатации и демонтажа; сочетания неблагоприятных факторов.
5
Так, для стальных конструкций наиболее опасные дефекты:
• отклонения от геометрических размеров;
• дефекты сварных швов, защитных покрытий;
• расцентровка элементов;
• отсутствие отдельных элементов (связей, болтов крепления и др.);
• применение непроектных марок сталей;
• изменение условий эксплуатации и расчётных схем.
Инженерные задачи. Среди огромного числа задач выделяют следующие:
• теоретические, экспериментальные, экпериментально-теоретические,
управленческие;
• теории упругости, пластичности, ползучести, текучести, упругопла-
стичности, жёсткопластичности, идеальной пластичности, вероятности;
• линейные, нелинейные, кусочно-линейные, нелинейные для разно
сопротивляющихся материалов, нелинейной теории упругости для сред, чувствительных к виду напряжённого состояния;
• линейно и нелинейно упругие, вязко упругие при запроектных воз-
действиях;
• однородных, неоднородных, кусочно-однородных тел;
• механики разрушения;
• механики армированных, неармированных, жёстких полимеров;
• с односторонними связями;
• теплопроводности, термоустойчивости, конвективного теплообмена,
массопереноса;
• нормирования расчётных параметров;
• теории надёжности технических систем;
• статически неоднородных грунтовых оснований;
• прямые, обратные;
• одноосные, плоские (плоское напряжённое состояние, плоская
деформация, пространственные, ассиметричные, контактные, краевые, для
зон концентрации напряжений);
• устойчивости, неустойчивости;
• статики, динамики, термодинамики;
• безопасности зданий, сооружений, среды;
• живучести сложных систем;
• оптимизации;
• многослойных конструкций (изотропных и анизотропных пластин
тонкостенных оболочек);
• деформирования и прочности при сложном напряжённом состоянии;
• Буссинеска, Миндлина, Фламана, Кельвина, Коши, Дирихле, Прандтля;
• консолидации упругоползучих неоднородных грунтовых оснований;
• определения характеристик для неоднородных грунтовых сред;
• мониторинга, строящегося и окружающих объектов, грунтовых
оснований;
6
• научного сопровождения проектирования и строительства;
• прогноз развития неблагоприятных процессов, изменений напряжённо-
деформированного состояния основания, конструкций, зданий и сооружений.
Задачи обеспечения безопасности. Механическая безопасность зда-
ний и сооружений. В Федеральном законе № 384 ст. 16 изложены требова-
ния к обеспечению механической безопасности зданий и сооружений.
В расчётах должны быть учтены:
• особенности взаимодействия элементов строительных конструкций
между собой и с основанием;
• пространственная работа строительных конструкций;
• геометрическая и физическая нелинейность;
• пластические и реологические свойства материалов и грунтов;
• возможность образования трещин;
• возможные отклонения геометрических параметров от номинальных
значений.
Сейсмическое разжижение грунтов – частный случай динамического
разжижения, состоящий в переходе водонасыщенных дисперсных грунтов
в текучее состояние вследствие разрушения структурных связей под действием сейсмических волн (Вознесенский Е. А., Латыпов А. И., Жаркова Н. И.
ОФМГ, № 4. – 2016. – С. 23 – 27).
Под разжижением несвязных и слабосвязных грунтов понимается стремление относительно рыхлой дисперсной системы к сокращению объёма при
прохождении волн напряжений и взвешивание частиц в воде при резком падении эффективных напряжений и уплотнения грунта с отжатием воды из пор.
Разжижение связных грунтов сопровождается резким снижением прочности в результате разрушения коагуляционно структурной сетки и падения
эффективных напряжений. Происходит течение грунтовой массы без заметного уплотнения.
Необходимо знать:
• возможно ли разжижение грунтов при данных параметрах сейсмиче-
ского воздействия;
• какая величина ожидаемой вертикальной осадки поверхности массива;
• возможно ли образование грифонов на поверхности.
Возможность разжижения грунтов при циклических нагрузках рассмотрена в книге Е. А. Вознесенского и др. (МГУ, 2005. – 134 с.).
Научно-технические задачи при проведении обследований технического состояния конструкций зданий и сооружений и при их усилении.
Такие работы проводят в подавляющем числе городов страны и почти
во всех вузах со строительными специальностями, в том числе, в институте
архитектуры, строительства и транспорта ТГТУ.
Обследования проводят при:
• значительном физическом и(или) моральном износе;
• появлении и развитии трещин;
• возникновении чрезвычайных ситуаций (пожары, взрывы, землетря-
сения, подтопления территорий);
7
• реконструкции или надстройке;
• замене конструкций, например, деревянных перекрытий на железо-
бетонные;
• предстоящем изменении технологического процесса;
• значительном разрушении (например, коррозионном) ряда несущих
строительных конструкций;
• запланированном капитальном ремонте.
Ставятся задачи:
• разработать программу работ;
• изучить проектно-техническую документацию по исследуемому объекту;
• установить соответствие и отклонения от проекта, норм, допусков;
• установить наблюдение за развитием трещин и, возможно за пере-
мещениями объекта (например, элеватора);
• оценить остаточную несущую способность конструкции и здания
или сооружения, включая:
− проведение лабораторных или объектных испытаний материалов,
конструкций, грунтов основания;
− выполнение расчётов с учётом выявления отклонений от проекта,
дефектов и повреждений, определённых физико-механических свойств грунтов и материалов;
• разработать проект усиления конструкций или объекта в целом;
• выполнить проектно-сметные работы;
• принять решение о целесообразности проведения ремонтно-
восстановительных работ или о демонтаже здания; в первом случае оценить
срок службы здания или сооружения;
• подготовить и сдать заказчику отчет о выполненной работе.
При решении всех вопросов возникают значительные трудности, для
преодоления которых нужны знания, опыт, интуиция, высокая ответственность, умение ставить и решать сложные научно-технические задачи.
К примеру, в книге С. В. Бондаренко, Р. С. Санжаровского (Усиление
железобетонных конструкций при реконструкции зданий. – М.: Стройиздат,
1990. – 352 с.) рассмотрены такие вопросы, как:
• анализ способов усиления железобетонных конструкций и основы
расчёта изгибаемых элементов;
• кратковременное загружение железобетонных колонн, усиленных
после полной разгрузки и под нагрузкой;
• длительное загружение железобетонных колонн, усиленных после
разгрузки и под нагрузкой;
• теоретические основы расчёта конструкций при изменении условий
закрепления;
• численные методы расчёта конструкций, усиленных путём перерас-
пределения нагрузок и восстановления опор.
8
1.2. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ ОТРАСЛИ
Современные проблемы науки и техники в разных строительных
науках приведены в книге В. В. Леденёва (Деформирование и разрушение
оснований, фундаментов, строительных материалов и конструкций (теория,
эксперимент: монография / В. В. Леденёв. – Тамбов: Издательский центр
ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2018. – 464 с.).
Перспективные направления развития в области бетона и железо-
бетона. Строительная механика железобетона совершенствуется с учётом
новых материалов, конструктивных решений и технологий (Бетон и железобетон. – 2001. – № 1. – С. 6).
Развиваются теории оценки надёжности, живучести, сейсмостойкости,
особенно при динамических, знакопеременных и особых воздействиях.
Важнейшей проблемой является разработка теорий:
• проектирования конструкций из высокопрочного бетона и фибро-
бетона;
• обеспечения долговечности бетона и железобетона с её регулированием;
• морозостойкости и коррозионной стойкости бетона;
• разработки новых конструктивных систем зданий и сооружений;
• расширения применения особо долговечных бетонов с высокими
архитектурными свойствами;
• разработки бетонов с ускоренными режимами набора прочности
во времени;
• расширения применения технологий бетона, исключающих вибриро-
вание как способ уплотнения бетонной смеси;
• расширения применения высокопрочной и фибровой арматуры;
• модернизации заводов крупнопанельного домостроения путём пере-
хода на гибкие технологии производства продукции;
• роботизации и компьютеризации производства сборных конструкций
и изделий; индустриализация монолитного строительства;
• расширения переработки зол и шлаков для производства бетона;
• разработки технологий утилизации бетона после демонтажа уста-
ревших зданий.
1.3. РОЛЬ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Часто требуются сведения из разных научных дисциплин. Классифика-
ция их приведена в книге Н. Н. Леонтьева, Д. Н. Соболева, А. А. Амосова
(1990) (рис. 1). Их можно объединить названием, предложенным И. П. Прокофьевым – «Теория сооружений».
В РАЗВИТИИ СТРОИТЕЛЬНОЙ ОТРАСЛИ
9
МЕХАНИКА
МЕХАНИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА
ТЕОРИЯ
РЕОЛОГИЯ
НЕЛИНЕЙНАЯ
ТЕОРИЯ
ТЕОРИЯ
СТРОИТЕЛЬНАЯ
СОПРОТИВЛЕНИЕ
МАТЕРИАЛОВ
ПРИКЛАДНАЯ
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ УПРУГОСТИ
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ
ФИЗИЧЕСКАЯ
НЕЛИНЕЙНОСТЬ
КОНСТРУКТИВНАЯ
НЕЛИНЕЙНОСТЬ
СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА
в широком смысле
ПОЛЗУЧЕСТИ
МЕХАНИКА
СТЕРЖНЕВЫХ
СИСТЕМ
ТЕОРИЯ
УПРУГОСТИ
УПРУГОСТИ
Рис. 1. Классификация инженерных дисциплин,
используемых при решении научно-технических задач в строительстве
Сливкер В. И. (2005) систематизировал классы задач строительной
механики:
• варианты операторной формы постановки задач;
• плоская и трёхмерная задачи;
• балка Бернулли и Тимошенко на упругом основании;
• плоский криволинейный стержень без учёта и с учётом деформации
сдвига;
• изгиб пластин (теории Кирхгофа–Лява, Рейсснера);
• кручение стержней:
• массивных (теория Сен–Венана);
• тонкостенных открытого профиля (теория Власова);
• тонкостенных замкнутого профиля (теория Уманского);
• многоконтурных тонкостенных замкнутого профиля;
• многоконтурных тонкостенных комбинированного профиля;
• вариационные:
• задачи о спектре;
• задачи устойчивости.
10
ПЛАСТИЧНОСТИ
ТЕОРИЯ
УПРУГОСТИ
НЕЛИНЕЙНОСТЬ
ПРИКЛАДНАЯ
ТЕОРИЯ
ПЛАСТИЧНОСТИ
МАТЕМАТИ-
ЧЕСКАЯ