Актуальность работы. Важной народнохозяйственной задачей индустриального каркасного строительства в СССР, ежегодный объем р которого в ближайшие годы достигнет 15"17 млн. м общей площади каркасных зданий, является повышение качества и техникой эк он ом и*" ческой эффективности конструкций.
Дальнейшее развитие конструкций индустриальных каркасов свя" зано с разработкой методов расчета, более достоверно отражающих характер действительной работы несущих конструкций многоэтажных зданий из сборного железобетона с учетом разрезки каркаса на сбор*-ные элементы и влияния геометрических погрешностей (начальных гео" метрических несовершенств) сборных каркасов. Положение конструк*" тивных элементов многоэтажного каркаса в пространстве определяет" ся в первую очередь геометрическими погрешностями сборных колонн каркаса, которые неизбежно возникают в процессе монтажа (главным образом по технологическим причинам) как случайные отклонения положения колонн от номинального проектного положения. Эти геомет" рические погрешности сборных каркасов являются причиной возникно*. вения в основных несущих конструкциях {колоннах, дисках перекрытий и вертикальных диафрагмах) дополнительных усилий, влияние которых возрастает с увеличением этажности каркасных зданий*.
Между тем, в нормативных документах по расчету зданий нет ни* каких указаний по определению и учету такого рода дополнительных усилий, допуски на монтаж назначаются без учета их влияния и регламентируются только с точки зрения собираемости и взаимозаменяемости конструкций. В существующих практических методиках влияние геометрических погрешностей сборных каркасов на возникновение до©полнительных усилий в конструкциях учитывается весьма приближенно, что в ряде случаев приводит к завышенному расходу арматуры. Сле" довательно, существующие методы расчета и проектирования многоэт-*" ажных каркасных зданий из сборного железобетона требуют усовершенствования" Введение в расчет вероятностно"статистических характеристик геометрических погрешностей позволит повысить достовер*" ность оценки работы несущих конструкций и определить рациональные пути их совершенствования для повышения качества и снижения материалоемкости, трудоемкости и стоимости. Актуальность такого под®хода связана со значительным увеличением объема строительства каркасных зданий повышенной этажности из сборного железобетона в крупных городах нашей страны.
Диссертация выполнена в соответствии с планом основных науч"* ных работ на 1976"80г.г, в ЦНИИЭП торгово"бытовых зданий и турис" тских комплексов (№ гос*регистрации 76 065 986) и во Всесоюзном за** очном инженерно"строительном институте (№ гос. регистрации 78 049 833).
Целью диссертации является разработка вероятностной расчетной методики определения дополнительных усилий" возникающих в не*" сущих конструкциях многоэтажных каркаеных зданий от влияния гесь" метрических погрешностей сборных каркасов, и выявление на ее ос но*" ве наиболее рациональных конструктивных решений и методов возве" дения этих зданий для повышения их качества и технико"экономичес<* кой эффективности.
Для решения основной задачи диссертационной работы потребовалось провести экспериментально-угеоретическое исследование, основанное на вероятностно-статистическом подходе, установить условия и методы использования и интерпретации результатов при выполнении расчетов и оценке эффективности несущих конструкций каркасных зданий. Статистическими методами обработано более 14 тыс. выборочных функций совокупностей 30 тыс. геометрических погрешностей колонн. Эти материалы, полученные по исполнительным съемкам около Ч тыс, железобетонных колонн, смонтированных на семи московских зданиях повышенной этажности, явились основой для достоверных статистических выводов применительно к аналогичным конструкциям сборных кар®касов и методам их возведения.
Научная новизна работы обусловлена тем, что в ней для конструкций многоэтажных каркасов из сборного железобетона впервые: построена математическая модель геометрических погрешностей (начальных геометрических несовершенств) сборных каркасов в виде пространственных случайных функцийразработана вероятностная методика расчета, в которой определение дополнительных усилий, отражающих влияние геометрических погрешностей на работу несущих конструкций, выполняется в корреляционном приближениивведены специальные интегральные характеристики, упрощающие инженерные расчеты и корреляционный анализ опытных данныхпредложен («силовой*') критерий для сравнения эффективности технических решений сборных каркасов и оценки качества монтажа колонн по величинам дополнительных усилий, возникающих в конструк» циях от влияния геометрических погрешностей.
Практическая ценность работы заключается в том, что применен ние в проектной практике разработанной расчетной методики и кри* терия оценки позволяют: повысить достоверность расчетов несущих конструкций многоэт" ажных каркасных зданийучитывать при расчетах конструкций влияние разрезки каркаса, точности монтажа и особенностей производства строительное онтаж". ных работзначительно снизить расчетные значения дополнительных усилий, возникающих в конструкциях от влияния геометрических погрешностей сборных каркасов, по сравнению с аналогичными величинами, полученными при расчете по существующим эмпирическим методикамболее обоснованно назначать допуски на монтаж в зависимости от этажности и особенностей конструктивных решений зданийвыбирать наиболее эффективные способы монтажа многоэтажных каркасов для снижения влияния дополнительных усилийза счет применения в практике строительства новых методов монтажа 3"4"*этажных колонн повысить точность установки колонн в 2~3 раза, существенно уменьшить величины дополнительных усилий в дисках перекрытий и вертикальных диафрагмах, а также снизить ма"* териалоемкость, трудоемкость и стоимость строительства многоэтажных каркасных зданий.
Апробация и внедрение работы. Основные положения и результаты проведенных в диссертации исследований доложены и одобрены: на У Всесоюзной конференции, но проблемам оптимизации и на" дежности в строительной механике (Вильнюс-1979) — на пяти научно-координационных совещаниях по проблемам на" дежности строительных конструкций, проводимых ЦНИЙСК им"В.А.Кучеренко (T973,I975~77tl979r, r.) — на семи научных специализированных семинарах, но вопросам надежности железобетонных конструкций (1972®79г.г,) — на трех научно-практических семинарах Главмосстроя (1976*" 77,1979 г, г,).
Основные положения и рекомендации диссертационной работы использованы в строительной практике при проектировании конструк" ций многоэтажных каркасных зданий из сборного железобетона на ос~ нове Всесоюзной серии ИРМ4, при разработке предложений по усо** вершенствованию каркасных конструкций и Технических решений сборного каркаса для зданий повышенной этажности, а также при возведении высотных зданий в г. Москве.
На защиту выносятся основные научные результаты диссертации: ввероятностно^статистическая модель геометрических ногрешно" стеи (начальных геометрических несовершенств) многоэтажных каркасов из сборного железобетонавероятностная и инженерная методики определения дополнитель*. ных усилий, возникающих в несущих конструкциях от влияния геомет^ рических погрешностей сборных каркасовметодика применения интегральных характеристик при выполне*" нии инженерных расчетов и корреляционном анализе совокупностей погрешностей монтажа железобетонных колонн по опытным даннымрезультаты оценки технико"экономической эффективности различных конструктивных решений и методов монтажа сборных каркасов мно** гоэтажных зданий.
Публикации.По профилю диссертационной работы автором опубли" кована 31 работа, в том числе «4 авторских свшШьства и 8 работ, написанных с соавторами.
К диссертации приложены акты внедрения*.
I.ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ СБОРНЫХ КАРКАСОВ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОЦЕНКИ ИХ ВЛИЯНИЯ НА РАБОТУ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ.
1*1. Краткий обзор развития каркасных систем из сборного железобетона.
Способ разрезки железобетонных каркасов на сборные элементы оказывает решающее влияние на технологичность, надежность и экономичность конструкций многоэтажных зданий /2,39,40,50,77/.
В последние два десятилетия в каркасном строительстве много" этажных зданий в нашей стране и за рубежом выявилась четкая нап" равленность развития от ранее распространенной рамной схемы к связевой системе каркасных конструкций. Последняя открыла широкие возможности для применения наиболее технологичных при массо*" вом заводском изготовлении линейных элементов и типизации узлов каркаса по высоте зданий.
Опыт проектирования и строительства убедительно показал технико-экономические преимущества каркасно-связевых систем по сравнению с рамными /39,43,49,54,98,112/.
Возведение девяти высотных зданий при строительстве проспекта Калинина в г. Москве (авторы проекта комплекса: архитекторы-М.В.Посохин/руководитель/, А, А. Мндоянц, Г*В.Макаревич, Б. И. Тхор, Ш. А. Айрапетов, И*А.Покровский, Ю. В. Попов и А.В.Зайцевинженеры-конструкторы-С.Я.Школьников, В. С. Николаев, В. Е"Сио и Л.М.Гохман) является первым примером широкого применения связевого многоэтажного каркаса из сборного железобетона /34,52,63,122/.
Этот каркас со" скрытыми" консолями, пластическими шарнирами в примыкании ригелей к колоннам, безметальными стыками колонн с полуавтоматической ванной сваркой угловых арматурных стержней позволил свести к минимуму затраты ручного труда на монтаже и сократить расход стали до 50−70 кг на каждый стык колонн /16,39,40,.
49,120/. Простые элементы линейной разрезки обеспечили благоприятные условия для организации их механизированного изготовления на поточных линиях московских заводов.
Сборный каркас, вначале запроектированной только для. проспекта Калинина, решением трех московских главков (Главмосстроя, ГАПУ, Главмоспромстройматериалов) был утвержден в качестве «унифицированного» .для массового строительства многоэтажных каркасных зданий в г. Москве. После проспекта Калинина он был применен более чем на 100 других каркасных зданиях повышенной этажности в Москве, Ленинграде, Новосибирске, Риге, Ростове-на-Дону и ряде других городов.
Опыт применения унифицированного каркаса, после замены по предложению НИЙЖБа сферических стыков на плоские, был использован при разработке и внедрении сборных железобетонных каркасов Всесоюзной серии ИИ-04 (ЦНИЙЭП торгово-бытовых зданий и туристских комплексов) и московского каркаса KMC-I0I (ГАПУ г. Москвы). Решением Госгражданстроя связевый каркас серии ИИ-04 стал основным индустриальным каркасом для массового строительства гражданских, бытовых и производственных зданий высотой до 12 этажей /49, НО/. Каркас KMC-I0I в настоящее время используется для строительства в г. Москве более I млн. м2 многоэтажных зданий ежегодно /39, 45,54/.
Применение железобетона для ш о г о э та жныхс б 0£ныхкарка со в (МСК), запроектированных по связевой схеме, открывает широкие возможности для практического решения в нашей стране важнейшей народнохозяйственной задачи индустриального строительства /53/-повышения качества, надежности и технико-экономической эффективности.
На основе научного обобщения опыта проектирования и строительства и проведенных экспериментальных исследований выявились / условия ' создания качественно более совершенных и экономичных каркасных конструкций. Выявилась тенденция перехода к многоэтажным колоннам, применение которых позволяет уменьшить число стыковых соединений, сократить количество монтажных элементов и повысить степень заводской готовности /25,24,40,43,44,48,50/. Многоэтажные колонны нашли применение в г. г.Калининграде, Владимире, Ворошиловограде, Горьком, Грозном, Курске, Чебоксарах, Челябинске, а также в странах СЭВ (ГДР, ПНР, ЧССР).Их применяет ряд ведущих строительных фирм Англии, США, Франции, Японии и. других развитых стран. В составе серии Ш-04 разработаны типовые колонны высотой 3−6 этажей и соответствующая форм-оснастка для их изготовления душной до 20 м /50,110/. Эти изделия, кроме перечисленных, осваиваются также в городах: Владивостоке, Киеве, Ленинграде, Шнеке, Одессе и других.
Наметился переход к более широкому использованию шарнирных соединений элементов железобетонных каркасов, как наименее трудоемких на монтаже и наиболее соответствующих принципу сборности /19,40,43,50,97/.
В связи с перспективностью применения каркасно-связевых систем в практике строительства, в данной работе рассматриваются только МСЖ из сборного железобетона, в том числе с многоэтажными колоннами и шарнирными соединениями, решенные по связевой схеме.
Применение связевых каркасов вызвало необходимость создания расчетного аппарата, учитывающего специфику работы каркасно-связевых систем. Общая устойчивость таких систем и основная работа конструкций на горизонтальные воздействия обеспечивается совместной работой горизонтальных и вертикальных диафрагм. Роль горизонтальных диафрагм выполняют. диски перекрытий, воспринимающие нагрузки и воздействия в своей плоскости и распределяющие их между вертикальными диафрагмами-стенами и ядрами жесткости. Последние представляют собой консольные вертикальные системы, защемленные в основании. Многоэтажные стойки, состоящие из сборных колонн, работают преимущественно на сжатие под воздействием вертикальных нагрузок от перекрытий. Работоспособность и неразрушимость каркасно-связевых систем зависит от надежности работы трех основных типов элементов — дисков перекрытий, вертикальных дааф-рагм и многоэтажных стоек.
Методам расчета этих элементов посвящено большое число работ, библиография которых приведена, в /37,39,62,112/, однако эти методы не учитывают должным образом специфику работы железобетонных каркасов из сборных элементов.
Несущие конструкции современных многоэтажных каркасных зданий представляют собой сложные пространственные системы взаимно * связанных и совместно работающих сборных железобетонных элементов. Для. таких систем применяемые ныне методы строительной механики и прикладной теории расчета сооружений должны существенным образом приспосабливаться /5,29,37,39,65,112/. для более достоверной оценки характера реальной работы конструкций.
Расчет МСК, решенных по связевой схеме, наряду с другими вопросами, связан с определннием силового влияния начальных геометрических несовершенств (НГН) каркасов, имеющих случайны! характер и находящих свое воплощение, главным образом, в погрешностях монтажа железобетонныхколонн (ПМЖ).Последние являются причиной возникновения силовых воздействий, влияние которых возрастает с увеличением сжимающих сил в колоннах. Для обеспечения заданной надежности сооружений требования к качеству (точности) монтажа должны быть увязаны с этажностью зданий, разрезкой каркаса, характером стыковых соединений. Они должны учитывать метода монтажа каркаса, поскольку НГН возникают только по технологическим причинам /40,47,101,111/.
При этом могут возникать две основные задачи: при заданном или фактическом уровне качества монтажа оценить степень силового влияния НГН на работу конструкций либо при некотором наперед заданном уровне допустимых потерь прочности, по параметрам, зависящим от точности, назначить функциональные допуски (массы точности) .
Обоснованный подход к определению силового влияния несовершенств на работу железобетонных каркасов должен базироваться на основных предпосылках теории строительных допусков и примени современных вероятностно-статистических методов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
И ВЫВОДЫ.
I" Построена вероятностная модель геометрических погрешнос* тей (начальных геометрических несовершенств) многоэтажных сборных каркасов в виде пространственных случайных функций и определены ее статистические характеристики.
2. Разработана вероятностная методика расчета, в которой оп"" ределение дополнительных усилий, возникающих в конструкциях от геометрических погрешностей сборных каркасов, выполняется в корреляционном приближении. Эта методика позволяет учитывать влияние геометрических погрешностей в виде случайных силовых функций (по* лей) разной полярности и их сочетаний.
Показано, что при однородности и центрированности геометрических погрешностей определение дополнительных усилий в конструкт циях сводится к расчетным процедурам над корреляционно связанными детерминированными множителями, численно равными значениям нормативных сжимающих сил в колоннах,.
3. Установлено существенное влияние дополнительных усилий, возникающих от влияния геометрических погрешностей" на общую рабо" ту несущих конструкций многоэтажных каркасных зданий из сборного железобетона" Предложено предусмотреть учет этих дополнительных усилий в нормативных документах.
Показано, что дополнительные усилия в дисках перекрытий нижних этажей многоэтажных зданий превышают усилия от ветровых нагру* зок в 2"7 раз, а в вертикальных диафрагмах продольного направления составляют 33"67# от ветровых.
Показано, что существующие эмпирические методики определения дополнительных усилий от геометрических погрешностей не обла®дают однозначностью и приводят к завышению расчетных значений этих усилий в дисках перекрытий в 1,2−2,1 раза.
— 142.
5. разработана удобная для практических расчетов инженерная методика определения дополнительных усилий с использованием табли-чных значений интегральных функций Д (Ю, обобщенно отражающих характер квадратичеекого суммирования случайных факторов с учетом влияния корреляционных связей. Показано, что расхождение между ре*" зультатами вероятностных и инженерных расчетов составляет 2−4 $.
6. Разработана методика обработки коротких реализаций случайных функций геометрических ногрешностей монтажа колонн. Получены расчетные характеристики параметров уравнений нормированных корреляционных функций, необходимые для выполнения вероятностных расчетов и составления таблиц интегральных функций Д (Ю.
7. За объективный критерий оценки эффективности технических решений многоэтажных сборных каркасов и качества монтажа колонн предложено принимать значения дополнительных усилий, возникающих в несущих конструкциях от влияния геометрических погрешностей сборных каркасов. Этот («силовой») критерий позволил сформулировать ноше принципы управления качеством монтажа колонн, уточнить номенклатуру измеряемых и контролируемых параметров точности,.
8*. Показана возможность назначения класса точности монтажа сборных железобетонных колонн на основе упомянутого «силового» критерия в зависимости от этажности здания, конструктивного решения каркаса и метода его возведения.
9. Установлено, что технология монтажа элементов каркаса, и в первую очередь способ ориентирования колонн при установке, ока" зывает определяющее влияние на характер корреляционных связей геометрических погрешностей. Показано, что обычному «независимому» монтажу соответствует «положительная» корреляция, а монтажу колонн с «компенсацией» наклонов -" отрицательная" корреляция.
Выявлено уменьшение влияния взаимной корреляции с ростом числа учитываемых геометрических погрешностей.
Показана эффективность использования «направленного» монтажа, который позволяет уменьшить значения дополнительных усилий от влияния геометрических погрешностей в несколько раз за счет целенаправленно сформированной «отрицательной» корреляции.
10. Показано, что оптимальным способом возведения многоэтажных каркасных зданий с многоэтажными колоннами является «верти» кальный «монтаж, при использовании которого в несколько раз по-» вышается точность установки колонн и существенно снижается влия-" ние дополнительных усилий и трудоемкость монтажа колонн каркаса,.
11, Установлена практическая возможность целенаправленного уменьшения дополнительных усилий в конструкциях многоэтажных каркасных зданий, возникающих от влияния геометрических погрешностей сборных каркасов, за счет увеличения этажности колонн до 3*4 этажей в сочетании с применением предложенных автором новых методов «направленного» и «вертикального» монтажа. Экономический эффект от осуществления этих приемов нри ежегодном объеме строительства каркасных зданий повышенной этажности площадью порядка 1,5 млн. м^ составитсокращение расхода арматурной стали на 7X0−870 тонн, уменьшение трудоемкости на тыс. чел*дней и снижение стоимости на 330−450 тыс, рублей.
Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы использованы в ЦНИИЭП торгово^бытовых зданий и туристских комплексов нри разработке: альбомов Указаний ИИ~04-«0(утвержденным Госграждаистроем) к рабочим чертежам Всесоюзной серии ИИ"04, в том числе:
Указаний по применению индустриальных изделий связевого каркаса серии ИИ"04 для зданий с сеткой колонн 6×6 м, 6×4,5 м и 6×3 м" (выпуск 6);
Указаний по применению индустриальных изделий связевого каркаса серии ИИ-04 для зданий с сеткой 6×9 м" (выпуск 10);
Указаний по применению индустриальных изделий каркаса серии ЙИ-04 для многоэтажных общественных и промышленных зданий с временными нормативными нагрузками до 1000 кгс/м^" (выпуск 14);
Указаний по применению индустриальных изделий каркаса серии ИЙ-04 для многоэтажных зданий с высотой этажа 2,8 м" (выпуск 16);
Проектных предложений" по совершенствованию технических решений каркасных конструкций многоэтажных зданий /66/" Четыре но" вых технических решения, обоснованных в диссертации, защищены авторскими свидетельствами /96,97,98/;
Технических решений" индустриального каркаса для общественных зданий повышенной этажности (свыше 20 этажей) для строительства в г. Ростове-на-Дону, утвержденных Главеевкавказстроем Минтяж-строя СССР, Использование в «Технических решениях» рекомендаций диссертации позволило уменьшить металлоемкость несущих конструкций и увеличить пролеты дисков перекрытий в плане сооружений.
Разработка рабочих чертежей элементов несущих конструкций и монтажного оснащения для строительства каркасных общественных зданий повышенной этажности с колоннами высотой в 4−5 этажей предусмотрена в 1980;81г.г,.
Основные положения и рекомендации диссертационной работы, но управлению, контролю и оценке качества монтажа многоэтажных каркасных зданий из сборного железобетона использованы трестом «Нос-оргстрой» Главмосстроя при возведении высотных зданий комплекса на проспекте Калинина и других сооружений повышенной этажности, в том числе в последние годы группы жилых домов на Сущевском валу и комплекса 30-этажных корпусов Олимпийского гостиничного комплекса в Измайлово.
Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 27 статьях в журналах «Строительная механика и расчет сооружений» ««Бетон и железобетон» «Строительство и архитектура Москвы? «Жилищное строительство',' а также в сборниках тезисов док» ладов шести научных специализированных семинаров «Вопросы надеж*» ности железобетонных конструкции «(КуйСй, 1973;79г"г.) и У Всесоюзной конференции, но проблемам надежности и оптимизации в строительной механике (Вильнюс~1979г.).
