Журнал "Інновації в будівництві і промисловості"

Симоненко Геннадій Іванович, начальник відділу експертизи будівель і споруд ТОВ «Ресурс»

Визначення основних типів навантаження впливають на експлуатаційні якості будівель в металургії

У роботі описані основні навантаження, що роблять негативний вплив на експлуатаційні якості будівель в металургії, дані формули по розрахунку коефіцієнта навантажень.

Всі навантаження, які беруть до уваги при розрахунках конструкції, виступають випадковими функціями в часі або такими ж випадковими величинами. Це, серед іншого, означає, що ми не можемо сказати точний коефіцієнт навантаження, що реалізується на практиці, просто застосовуємо наявні величини, які можуть бути реалізовані тільки з якоюсь часткою ймовірності. Такі властивості у навантаження як функція просторової координати або часу, визначаються після обробки наявних на руках статистичних даних вимірювань вибіркового значення функції.

Основні види реалізації виміряних значень можуть представлятися у вигляді:

• диференціюються випадкових функцій;

• недіфференціруемих функцій поступово-імпульсного типу, в тому числі і з миттєвими імпульсами.

Забезпеченість випадкової величини є важливим поняттям для випадкових факторів. Це поняття використовується при складанні ймовірного обгрунтування і добре відображено в ГОСТ 27751-88.

Якщо розглядають процеси мають випадкову природу і протікають в навколишньому середовищі, як наприклад, вітер, підвищення температури, випадання опадів або в самій конструкції, яка розглядається, корозія, ерозія, то варто брати до уваги те, що ймовірність виникнення якоїсь ситуації протягом відрізка часу пов'язана з терміном експлуатації цього самого об'єкта.

Імовірність неперевищення небезпечного рівня виявляється різною, якщо розглядати короткі або довгі інтервали часу, подібно до того, як різняться ймовірності зустріти автомобіль певного (наприклад, жовтого) кольору при проїзді одного кварталу і при перетині мегаполісу.

Якщо провести аналогію з людським життям, то перший тип випадковостей ближче до ймовірності загибелі людини під час народження, а другий протягом усієї решти його життя від нещасного випадку або з іншої причини.

Зауважимо, що нормативні значення випадкових природних впливів (вітер, сніг, температура, сейсміка) часто призначаються як величини, перевищує в середньому один раз в Ті років. Тоді ймовірність появи за один довільно взятий рік впливу із середнім терміном повторюваності Ті років становить 1 / Ті, а ймовірність того, що такий вплив Fe жодного разу не виникне за термін експлуатації Т років, може бути обчислена за формулою, якщо вважати випадкові річні максимуми статистично незалежними:

Р = (1-1 / Тс) Т

Ця ймовірність не так вже й велика навіть при значних Ті, що видно з наступної таблиці. Наприклад, ймовірність того, що за 50 років експлуатації фактична швидкість вітру перевищить максимальне річне значення, що зустрічається в середньому один раз в 50 років, досить велика і дорівнює 0,64.

Навантаження на будівлі і споруди, які в даний час використовуються проектувальниками, інтерпретуються в рамках методу граничних станів. Метод розрахункових граничних станів був введений в СРСР в якості керівного принц розрахунків будівельних конструкцій з 1 січня 1955 року за затвердження першого видання Державних будівельних норм і правил. Розгляд тільки граничних станів конструкції призводить до того, що в переважній більшості випадків розглядається тільки екстремальна навантаження, а закономірності її поведінки на більш нізкіхуровнях інтенсивності залишаться невідомими. Ця обставина майже не відчувається при використанні лінійних розрахункових моделей, де екстремальна напруженість відповідає крайніх значень навантаження (або її відсутність), але воно може позначитися в разі нелінійної системи, де екстремальні стану можуть бути реалізовані і при частковій інтенсивності навантаження.

Характерні підходи до встановлення нормативних і розрахункових навантажень в СНиП 2.0 1 .07-85 показані в наступній таблиці.

За розглянутої природі навантажень, впливу і їх походженням вони можуть поділятися на:

• ті, які з'являються від ваги огороджувальної і несучої конструкції, їх значення встановлюють з урахуванням геометричних параметрів та коефіцієнтів щільності матеріалів, використовуваних в конструкції;

• ті, які утворюються в результаті атмосферного впливу, а саме, ожеледних, вітрова, хвильова, снігова та інші навантаження, у яких значення взаємопов'язані з періодами повторюваності;

• ті, які виникають в результаті технологічного процесу від людей, ваги обладнання, його впливу, для таких навантажень значення варто приймати по паспорту до використовуваному устаткуванню, але при цьому не можна не враховувати прогнозовану величину, передбачену умовами експлуатації;

• ті, які виникають від зсуву земної поверхні, тобто від землетрусів, осідання грунту, після гірничих виробок, під впливом карстових процесів і так далі, для них значення регламентовані нормативної діючої базою;

• ті, які були викликані під впливом надзвичайної ситуації, наприклад, вибухом, зіткненням з транспортом, пожежею і так далі.

Якщо взяти до уваги причини виникнення навантажень і вплив, то вони можуть бути наступних видів:

• основні, що з'являються неминуче від впливу природних явищ або діяльності людини, уникнути таких навантажень не вдасться;

• аварійні, що виникають в результаті негативної або небажаної людської діяльності як наслідок найгрубіших помилок, або в результаті несприятливих обставин, в тому числі і природних явищ у вигляді смерчу, цунамі і так далі.

Крім цих класифікацій навантаження можуть бути змінними і постійними. Змінні в свою чергу, в силу тривалості безперервного впливу мають додаткову класифікацію:

• тривалі, для яких тривалість Td порівнянна з встановленим терміном експлуатації Tcf,

• короткочасні, для яких Td << Tef.

Короткочасні навантаження, в свою чергу, можуть бути багаторазово повторюваними або епізодичними.

В розрахункові сполучення повинні включатися такі дії, які надають найбільш неблагапріятное вплив на конструкції з точки зору граничного стану. В розрахунках конструкцій можуть бути використані сполучення впливів двох типів:

• основні, що застосовуються при перевірці надійності в усталених і перехідних розрахункових ситуаціях;

• аварійні, що застосовуються при перевірці надійності в аварійних розрахункових ситуаціях.

Поііжеіная ймовірність одночасної дії декількох випадкових впливів, як правило, враховується шляхом множення суми навантажувальних ефектів від дії розрахункових значень всіх впливів на коефіцієнт сполучення ЧJ <1. Коефіцієнт поєднання визначається з умови равнообеспеченності сумарного навантажувального ефекту і розрахункових значень окремих впливів і залежить від виду враховуються впливів і їх часткою в складі сумарного навантажувального ефекту. При цьому в вітчизняних нормах використовується спільний коефіцієнт сполучень і сумарне розрахункове зусилля або переміщення визначається навантаженням S " ', що обчислюється за формулою:

Sψ = ψΣSi

Навантаження від ваги конструкцій та ґрунтів є постійними, і їх визначення є досить простим. СНиП 2.0 1 .07-85 вимагає, щоб нормативне значення ваги конструкцій заводського виготовлення визначалося на підставі стандартами, робочими кресленнями чи паспортними даними заводів-виготовлювачів, а інших будівельних конструкцій та ґрунтів - за проектними розмірами та питомою вагою матеріалів і ґрунтів з урахуванням їх вологості в умовах будівництва та експлуатації споруд.

Коефіцієнти надійності за навантаженням в1 дпя ваги будівельних конструкцій та ґрунтів відповідно до СНиП 2.0 1 .07-85.

Мінливість навантаження від власної ваги конструкцій обумовлена ​​не тільки відхиленням фактичних розмірів конструктивних елементів від номінальних значень, а й мінливістю щільності будівельних матеріалів, їх вологості і іншими факторами.

Сніговий покрив, що випадає за зимовий період, має в своєму складі опади, крижану кірку і воду, яка починає утворюватися на час відтавання. Залежно від того, про якому регіоні країни йдеться, товщина і щільність снігового покриву можуть відрізнятися через різницю в кліматичних умовах. На одиниці площі маса покриву буде знаходитися твором лотності на товщину снігового покриву, саме ця величина і буде сніговим навантаженням на поверхню.

З урахуванням того, що щільність води дорівнює одиниці, ця величина чисельно дорівнює еквівалентній товщині шару талої води. У метеорології прийнято висловлювати її в міліметрах і називати запасом води в сніговому покриві.

Для опису випадкового процесу зміни снігового навантаження на поверхні землі досить задати функцію математичного очікування (можливо, у вигляді алгебраїчного полінома третього ступеня), а також постійні в часі значення коефіцієнта варіації, коефіцієнта асиметрії та ефективної частоти. Розподіл ординати описується поліномом-експоненціальним законом з щільністю.

f (x) = exp (a0 + a1x + a2x2 + a3x3)

а0, •••, а3 - змінні в часі параметри, визначені за значенням математичного очікування, стандарту і коефіцієнта асиметрії в відповідний момент часу. Розглянемо чотири основні чинники, що визначають величину снігового навантаження на покриттях будівель:

• кількість випадають в зимовий час твердих опадів;

• зсипання снігу з похилих поверхонь;

• танення снігу на тепловиділяючих покриттях опалюваних будівель;

• перенесення снігу, що приводить до нерівномірних відкладенням по поверхні покриття і до зносу деякої частини снігу з покриття.

При цьому найбільша величина снігового навантаження smax = р h

де h - величина перепаду висот або висота перешкоди, що створює сніговий мішок, в метрах;

р - щільність снігу, яку в залежності від його вологості і ступеня ущільнення можна приймати на рівні 2 ... 3 кН / м3.

Вітрова навантаження відповідно до СНиП 2.0 1.07-85 відноситься до короткочасних навантажень, які не мають знижену нормативного значення.

Для деяких типів споруд (наприклад, будівель АЕС) для вітрового навантаження розглядається екстремальне (особливе) значення.

Проблема дослідження вітрового навантаження і розрахунку споруд на вітрові впливи розпадається на три великі підзадачі:

• вивчення вітрового режиму місцевості, засноване на використанні результатів метеорологічних і кліматологічних досліджень;

• оцінка сил, що викликаються впливом вітру на спорудження, які вивчаються на основі рішень задач теоретичної аеродинаміки і даних експериментальних досліджень;

• визначення реакції споруди на вітрове навантаження, засноване, як правило, на вирішенні завдань статики і динаміки споруд.

Для розгляду основних закономірностей аеродинамічного дії вітрового потоку на перешкоду розглянемо поведінку потоку в деякій струмку і запишемо для неї рівняння Бернуллі:

pV02 / 2 + p0 = pV12 / 2 + p1

де V0 і V1-швидкість струменя в перетинах 00 і 11, р1 -Тиск в тих же перетинах, р - щільність повітря.

За СНиП 2.0 1 .07-85 значення статичної складової вітрового навантаження Wm на висоті z над поверхнею землі визначають за формулою ^

wm = w0kC

де w0 - значення вітрового тиску (швидкісного напору), яке визначається для швидкості вітру на рівні 1 О м над поверхнею землі, що відповідає 1 О-хвилинному інтервалу усереднення і перевищує в среднемраз в 5 років;

k - коефіцієнт, що враховує зміну · вітрового тиску по висоті;

З-аеродинамічний коефіцієнт.

Список літератури:

1. СНиП 2.05 .03-84 *. Мости і труби 1 Держбуд Росії. - М.: ГУП ЦПП, 2002. -2 14 с.
2. СНиП 2.0 1 .09-91. Будинки і споруди на підроблюваних територіях і просідаючих грунтах
3. СНиП 2. 1 0.05-85. Підприємства, будівлі і споруди по зберіганню та переробці зерна / Держбуд СРСР. -М. : 1988. с.
4. СНиП 11-7-8 1 * /. Будівництво в сейсмічних районах 1 Держбуд СРСР.- М.: Стройиздат, 1982. -48 с.
5. Сіміу Е., Сканлан Р. Вплив вітру на будівлі і сооруженія.- М .: Стройиздат, 1984.-360 с.
6. СНиП II-6-74. Навантаження і впливи 1 Гасстрой СРСР.- М .: Стройиздат, 1976.-30 с.
7. СНиП 2.0 1 .07-85 *. Навантаження і впливи 1 Гасстрой Росії.- М .: ГУП ЦПП, 2001.-44 с.