Творчество и современность

Строительство жилых многоэтажных каркасных зданий приобрело очень широкое распространение. Это связано с рядом факторов: развитие строительных технологий, небольшие экономические затраты. Кроме того, каркасные здания очень удобны при планировке помещений.

Каркас системы КУБ-2.5 широко применяется при строительстве жилых и общественных зданий. Разработанная еще в 1980-х годах эта система актуальна и сегодня. В состав системы входят сборные железобетонные конструкции: колонны, плиты перекрытия, лестничные марши, связи, балки, вентиляционные блоки, стенные панели. Плиты перекрытия крепятся к колоннам при помощи металлических закладных деталей. Такое крепление дает возможность создать гладкий потолок, что очень важно для жилых зданий.

Основными несущими конструкциями каркаса являются колонны и плиты перекрытия. Данные конструкции проектируются по соответствующим нормам, обеспечивающие требующую несущую способность и жесткость. Другими словами, конструкция должна быть надежной. Надежность определяется вероятностью безотказной работы, т.е. числом от 0 до 1. Существующие нормы проектирования строительных конструкций не предоставляют возможность определить данную вероятность. Ее можно вычислить, применив вероятностные методы расчета. Определение вероятности безотказной работы колонны представляет собой большой практический интерес, т.к. данная конструкция является самой ответственной конструкцией каркаса.

Для примера рассмотрим одну из схем каркаса общественного здания, возведенного с применением системы КУБ-2.5 [1]. Здание имеет три этажа и техническое подполье. Сетка колонн - 6×6 м. Сечение колонн – прямоугольное с размерами 400×200 мм. В качестве продольной арматуры применены 4 стержня Ø20 мм. Класс арматуры – А-III. Бетон колонн – тяжелый класса В30 (рис.1).

Рис.1. Схема каркаса и поперечное сечение колонны

Определим вероятность безотказной работы колонны технического подполья (между отметками ±0,000 и -2,240), как самую нагруженную.

Исходные данные для расчета.

Изменчивость геометрических размеров колонны и арматуры очень малы, поэтому их средние квадратические отклонения (SA, SAsc) приняты равными нулю.

Нагрузка от собственной массы несущих конструкций (колонн и плит перекрытия), определена с учетом средней плотности железобетона (2500 кг/м3) и геометрических размеров. Размер сечения колонны - 400×200 мм, толщина плиты перекрытия – 160 мм. Изменчивость геометрических размеров не учитывается в расчете ввиду их очень малого значения.

Нагрузки от собственной массы пола и кровли зависят от их состава. Изучив несколько вариантов составов конструкции пола, кровли и выполнив необходимые вычисления, был сделан вывод, что среднее значение нагрузки для обеих конструкций составляет около 100 кг/м2, а коэффициент вариации соответственно 0,06 и 0,04.

При определении снеговой нагрузки, были использованы статистические данные по запасам воды в г. Новосибирске [3]. Учитывая то, что снеговая нагрузка описывается двойным экспоненциальным законом, позволяющий моделировать значение нагрузки во времени, средние значения снеговой нагрузки были определены на возможный период эксплуатации зданий в 1 год и 50 лет. Данные значения соответственно равны 91 кг/м2 и 188 кг/м2. Среднее квадратическое отклонение не зависит от периода эксплуатации и составляет 31,85 кг/м2.

В качестве значения полезной нагрузки на перекрытия было принято значение полной полезной нагрузки на основании результатов исследований параметров полезной нагрузки для помещений административных зданий [4]. Так как полезная нагрузка на перекрытие тоже может быть описана двойным экспоненциальным законом, то средние значения были определены на период эксплуатации здания в 1 год и 50 лет. Данные значения соответственно составляют 118,2 кг/м2 и 180 кг/м2. Среднее квадратическое отклонение – 20,4 кг/м2.

Все нагрузки, действующие на колонну, представлены в таблице 1.

Определение вероятности безотказной работы колонны технического подполья, осуществлялась при помощи метода моментов – через индекс надежности:

Таблица 1. Статистические значения нагрузок, действующие на колонну

Полученные значения вероятности безотказной работы практические равны друг другу – к концу 50-летнего срока эксплуатации вероятность снижается очень незначительно. Для того чтобы утверждать, что полученные значения являются достаточными, их необходимо сравнить с предельно-допустимыми или нормативными значениями. Нормативные значения вероятности безотказной работы зависят, прежде всего, от последствий отказа: экономических и социальных. А это в свою очередь зависят от назначений помещений и здания: при одних значениях будут одни последствия, при других – другие. Существуют несколько предложений и методик, позволяющие назначить или рассчитать нормативные значения в зависимости от последствий отказа [2, 5-8]. В общем случае данные значения варьируются от 0,99999 и выше. Полученные в настоящей статье значения вероятности безотказной работы, могут указывать на степень ответственности здания. Т.е. назначение здания или помещений, должны быть такими, чтобы нормативное значение безотказной работы колонны, определенное с учетом последствий ее отказа, не превышала е фактическое значение вероятности безотказной работы.

Библиографический список

1. Унифицированная система сборно-монолитного безригельного каркаса. КУБ-2.5. НПСО «Монолит», ЦНИИПИ «Монолит». Москва, 1990.

2. Лычев А.С. Надежность строительных конструкций. М.: АСВ, 2008. 184 с.

3. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Части 1 – 6. Выпуск 20. Томская, Новосибирская, Кемеровская области, Алтайский край. С-Пб, Гидрометеоиздат, 1993.

4. Авраменко П.А. Временные нагрузки на перекрытия многоэтажных административных зданий // Строительная механика и расчет сооружений, 1988 №1. с 67-71.

5. Райзер В. Д. Теория надежности в строительном проектировании. М.: АСВ, 1998. 304 с.

6. Таль К.Э. Вопросы надежности железобетонных сооружений за рубежом // Бетон и железобетон, 1973. №11, С.43 – 43.

7. Райзер В.Д. Анализ надежности конструкций при износе несущих элементов // Строительная механика и расчет сооружений. 2013. №6. с. 16 – 20.

8. Ройтман А. Г. Деформации и повреждения зданий. – М., Стройиздат, 1987. – 160 с.

DETERMINATION OF THE RELIABILITY LEVEL OF

REINFORCED CONCRETE COLUMNS OF A FRAME

BUILDING ERECTED ACCORDING TO THE KUB-2.5 SYSTEM

Gerasimov E.P. Candidate’s of Technical Sciences

Kryachkov Novosibirsk State University of Architecture, Design and Arts

Abstract. The article presents the results of calculating the probability of trouble-free operation of a reinforced concrete column of a public building designed according to the KUB-2.5 frame system. This system is widely used nowadays for the construction of both public and residential buildings. In this regard, information about the reliability levels of the main load-bearing structures of buildings erected according to this system is very relevant. The column was chosen as the main supporting structure under consideration, as the most responsible structural element of the system. The initial data for the calculation were taken on the basis of information according to the series, regulatory documents, as well as with the involvement of the necessary reference data. The probability of failure-free operation was determined using existing linearization techniques and moments for the fifty-year life of the building.

Calculations have shown that the columns have high values of the probability of trouble-free operation. In order to assert that these values are sufficient, they must be compared with the normative values, which directly depend on the purpose of the building and premises.

Keywords: reinforced concrete structures, probabilistic calculation methods, reliability of building structures, strength calculation.