Расчет и конструирование элементов зданий и сооружений занимают значительное место в процессе проектирования объектов строительства. Значительную долю сметных расходов составляют материальные затраты на изготовление и монтаж строительных конструкций. От уровня их надежности в определяющей мере зависит жизнеспособность всего объекта. Таким образом, перед инженером проектировщиком возникают две противоречивые задачи: с одной стороны, найти решение, которое бы снижало сметные расходы, а с другой — решение должно отвечать требованиям обеспечения жизнестойкости здания или сооружения.
Компромиссное решение достигается следующим способом: пытаются строго выполнить условия, ограничения, нормативы и другие требования, обеспечивающие заданный уровень надежности. При этом решение должно быть наиболее экономичным, то есть отвечать минимуму материальных затрат, удовлетворяя одному или нескольким критериям качества. Такой подход порождает ряд проблем. Прежде всего, это проблема достоверности инженерных, конструкторских и связанных и ними расчетов, а также методов оптимального проектирования. На рисунке 1 показана концептуальная схема проблем, решаемых при проектировании строительных конструкций.
Рис. 1. Концептуальная схема проблем, решаемых при проектировании сооружений
Проведенный, на основе статистической обработки многих проектных решений, анализ показал, что погрешность массовых инженерных расчетов лежит в интервале 10–25 % (рисунок 2).
Такая относительно высокая погрешность расчетов обусловлена сложностью адекватного отражения фактической работы конструкций в используемых для этого расчетных моделях. Сказывается и несовершенство применяемых методов расчета, которые во многих случаях являются приближенными.
Рис. 2. Динамика точности инженерных расчетов
Надежность сооружения в целом в значительной мере зависит от используемой в конструкторских расчетах нормативной базы. Она формируется на основе результатов обширных исследований как отдельных ученых, так и соответствующих научных организаций. Несовершенство нормативной базы, моделей и методов расчета требует введения коэффициентов надежности на нагрузки, работу материала, конструкций, зданий и т. д.
Достоверность расчета и надежность рассчитываемых объектов может быть повышена через приемы, повышающие точность расчетов и совершенствование расчетной модели.
Под несущей способностью конструкции
где R — расчетное сопротивление;
На рис. 3 показаны зоны фактической несущей способности конструкции и зоны запаса, которые можно уменьшить до граничной a-b. Такое уменьшение может быть достигнуто за счет повышения точности расчетов как инженерных, так и конструкционных. Важными проблемами являются выбор адекватной процедуры проведения расчетов, их численная реализация, согласование полученных результатов с результатами других расчетов, выполняемых при проектировании объектов строительства в других разделах проекта.
Рис. 3. Изменение запасов несущей способности во времени
Проектирование каркасных сооружений обладает рядом особенностей, вызванных спецификой данной области и проектирования сооружений в целом. К существенным особенностям относится разнообразие возможных архитектурно-планировочных решений, вызванное различиями применяемых материалов, конструкторских решений отдельных элементов, отличиями самих конструкций и объекта проектирования в целом. Растущие требования обеспечения функциональности сооружения, рационального размещения технологического оборудования, взаимосвязи технологических процессов, приводят к усложнению планировочных решений каркасов.
К особенностям проектирования каркасов следует отнести разнообразие конструкционных решений. Разнообразие конструкционных решений, предопределенное богатством конструктивных форм основных элементов каркаса, дополняется вариантами реализации данных элементов, представляющих собой систему подэлементов и соединений. При проектировании необходимо применять системный подход при выборе некоторого подмножества тех или иных конструкторских разработок из числа возможных. К одному из подмножеств можно отнести стальной каркас. Это подмножество характеризуется такими общими признаками как вид материала, форма поперечных сечений, образование элементов конструкций, нормативно-директивная база, относительно небольшой объем справочно-рекомендательной информации и так далее. Близки и требования, предъявляемые к строительным конструкциям. К ним относятся требования обеспечения прочности, устойчивости, формально записываемые в следующем виде:
где
В зависимости от вида, назначения, формы поперечного сечения и других параметров конструкций решаются вопросы местной и общей устойчивости отдельных элементов, определения локальных напряжений и деформаций, виды стыков соединений и узлов.
Разнообразие архитектурно-планировочных и конструкционных решений позволяет получить ряд проектных разработок, обеспечивающих заданную надежность сооружения. Сравнение вариантов проектных решений и выбор наиболее целесообразного с экономической точки зрения ведется путем полной или частичной проработки каждого варианта. Подобный подход повышает трудоемкость проектирования. Решение данной задачи строится путем более широкой автоматизации процессов проектирования, разработки новых компьютерных технологий, позволяющих расширить сферу применения ЭВМ в проектировании.
Рассмотренные особенности расчетов строительных конструкций требуют системного подхода. Необходима декомпозиция процесса проектирования каждой строительной конструкции на ряд подсистем, отдельных задач и подзадач. В то же время требуется и интеграция, то есть переход от решения частных задач и расчета отдельных подсистем и элементов конструкций к целостным системам. Системный подход необходим также для анализа особенностей расчета, качественной и количественной его оценки, выявления проблемных областей и поиска путей решения, возникающих при этом задач.
Заключение
Несмотря на развитие средств автоматизации проектирования сооружений, требуется проведение ряда дополнительных исследований для решения следующих проблем: выбор метода и обеспечение заданной точности проведения расчетов; адекватное отображение объекта его расчетной моделью; учета с необходимой полнотой физико-механических свойств конструкционных материалов.
Литература:
- Дятков С. В. Архитектура промышленных зданий: учебник для вузов/С. В. Дятков, А. П. Михеев. — Москва: Изд-во АСВ, 2008. 480с.
- Промышленные здания / Л. Ф. Шубин, И. Л. Шубин. — Москва: БАСТЕТ, 2010. — (Архитектура гражданских и промышленных зданий: учебник для вузов: в 5 т.; Т. 5)
- Шерешевский И. А. Конструирование промышленных зданий и сооружений: учебное пособие для вузов / И. А. Шерешевский. — Москва: Архитектура-С, 2016 -168с.
- СП 56.13330.2011 Производственные здания. Актуализированная редакция СНиП 31–03–2001 (с Изменениями № 1, 2, 3). М., 2019.
- ГОСТ 27751–2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения (Переиздание). М.: Стандартинформ, 2019.
