Проектирование конструктивных систем перекрытий и покрытий


Ю. В. Краснощеков





            ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕКРЫТИЙ И ПОКРЫТИЙ


Монография















Инфра-Инженерия Москва-Вологда 2018

УДК 624.046.5
ББК 38.54
   К78

ФЗ      Издание не подлежит маркировке
№436-Ф3  в соответствии сп.1ч.2 ст. 1 

Рецензенты:
канд. техн. наук И.М. Ивасюк; канд. техн. наук А.Р. Нелепое



      Краснощеков Ю. В.
К78 Проектирование конструктивных систем перекрытий и покрытий. Монография. / Ю.В. Краснощеков. - М.: Инфра-Инженерия, 2018. -188 с.

ISBN 978-5-9729-0213-2


     Изложены результаты длительных исследований взаимодействия элементов сборных железобетонных конструкций перекрытий и покрытий зданий. Представлены исследования конструктивных элементов перекрытий и покрытий. Проанализировано влияние опорных элементов на настил. Рассмотрены особенности взаимодействия несущих конструкций и совместная работа элементов покрытий.
     Предназначена для сотрудников научно-исследовательских и проектных организаций, а также может быть полезна обучающимся в строительном направлении.








© Краснощеков Ю. В., автор, 2018
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2018



ISBN 978-5-9729-0213-2

ВВЕДЕНИЕ
     На определенном этапе развития индустриального строительства возникла задача совместной работы сборных железобетонных элементов, объединяемых в пространственную систему здания. Применительно к несущим системам перекрытий и покрытий, для которых железобетон является основным материалом, проблема взаимодействия элементов не потеряла актуальности. Она существует как следствие различий в условиях работы: идеальных, которые задают при проектировании, и реальных, в которых конструкции реализуют и эксплуатируют. Поэтому её часто связывают с задачей выявления действительной работы железобетонных конструкций. Представляется, что существование проблемы обусловлено не столько сложностью соединения железобетонных элементов, сколько несовершенством теоретических моделей, многообразием условий практического применения и недостатками методологии исследования строительных конструкций.
     В виде задачи обеспечения совместной работы арматуры с бетоном проблему взаимодействия элементов конструкций решают практически с начала применения железобетона, но наиболее остро она заявила о себе в процессе индустриального строительства зданий и сооружений из сборных изделий.
     В процессе развития индустриального строительства вследствие усложнения и повышения требований к конструкциям вопросы совместной работы элементов возникают вновь и вновь. Многообразие сборных изделий и необходимость надёжной взаимосвязи их в составе здания способствовали выполнению большого объёма исследований, которые подтвердили зависимость совместной работы сборных элементов от многочисленных факторов.
     При использовании системного подхода, рассматривая в качестве объекта исследования не отдельные элементы перекрытий и покрытий, а конструктивную (пространственную) систему в целом, возможно изучение влияния каждого фактора в отдельности. Но учесть одновременно влияние всех факторов даже в этом случае практически невозможно из-за неопределённости задачи, решение которой представляется только вероятностным путём.
     Логика исследования от целого к частному предусматривает и обеспечивает решение проблемы совместной работы элементов перекрытий и покрытий через выполнение основных системных принципов: структурности, функционирования, расчёта, надёжности и эффективности. Издание данной монографии в какой-то степени должно помочь решению этой проблемы.

3

ГЛАВА 1.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕМЕНТОВ - ПРЕДМЕТ ТЕОРИИ КОНСТРУКТИВНЫХ СИСТЕМ

1.1. Системный подход к исследованию конструкции здании и сооружений
     В техническом прогрессе лидирующую роль выполняет наука. К строительной науке принято относить прежде всего теорию сооружений, строительную механику и механику грунтов. Частями теории сооружений являются теории расчета строительных конструкций. В рамках строительной науки ведутся исследования в области материаловедения, проектирования и технологии изготовления строительных конструкций, решаются вопросы технологии, организации и управления строительством, проблемы инженерно-технического оборудования городов, зданий и сооружений и экономические проблемы строительства. В результате научных исследований в области строительства появляются новые строительные материалы и изделия, совершенствуются конструктивные решения и методы расчёта конструкций, возводятся уникальные сооружения, повышается надёжность и эффективность зданий и сооружений.
     Строительная наука не стоит на месте, а постоянно развивается. Примером развития строительной науки является постепенный переход к системному проектированию сооружений на основе достижений теории расчёта сооружений и программирования [24].
     Научные исследования в области строительных конструкций направлены главным образом на развитие (совершенствование и обновление) конструкций для зданий и сооружений различного назначения. Ядром развития строительных конструкций являются исследования теории расчёта сооружений. Их цель - развитие теорий прочности и разрушения, разработка методов статического и динамического расчёта сооружений как пространственных систем, а также методов расчёта на вероятностной основе, базирующихся на использовании статистических методов обработки данных о нагрузках, их сочетаниях, свойствах материалов и конструктивных элементов. Достижения в области строительных конструкций являются основным источником повышения надёжности и эффективности сооружений. Результаты научных исследований строительных конструкций легли в основу методики расчёта по предельным состояниям, принятой на вооружение проектировщиками разных стран.


4

     Одно из основных направлений в исследовании строительных конструкций - совместная работа, взаимодействие элементов конструктивных систем [59]. Любая конструкция - это система, поэтому при их исследовании следует применять системный подход.
     Системный подход - это общее направление, в основе которого лежит исследование объектов как систем. Основная особенность системного подхода - изучение элементов с учётом целого. Считается, что системный подход способствует адекватной постановке проблем и выработке эффективной стратегии их изучения [31]. Методологическая специфика системного подхода определяется тем, что он ориентирует исследование на выявление многообразных типов связей сложного объекта и сведение их в единую теоретическую картину, он акцентирует исследование на изучение соединений элементов и их взаимодействие в пространственной системе сооружения [40].
     Системный подход и общая теория систем являются основой системного анализа, к процедурам и методам которого обращаются при решении проблем в условиях неопределённости и отсутствии строгой количественной оценки. Таковы, например, проблемы, связанные с прогнозированием надёжности и долговечности конструкций.
     В наиболее общем понимании система - это упорядоченная совокупность функционально взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, образующих единое функциональное целое, предназначенное для решения определённых задач.
     Понятие «строительная конструкция» также связано с составом и взаимным расположением частей и элементов, а также со способом их соединения и взаимодействия. В этих понятиях много общего, очевидно поэтому термин «система» часто употребляется в смысле конструкции и наоборот, например, в понятиях пространственной системы или пространственной конструкции подразумевается одно и то же. К системам относят отдельные конструктивные части зданий и сооружений, например система перекрытия или здания в целом, в частности каркасная система здания. По выражению проф. В.В. Болотина, современные здания - это сложные системы, предназначенные для выполнения разнообразных функций [8]. Он считает, что понятия «конструкция» и «конструктивная система» тождественны.
     Таким образом, если конструкция - это система, то имеются все предпосылки использования системного подхода для их исследования и построения теории. Системами при этом являются конструкции на всех этапах их развития: от проектной модели до реального изделия.
     Чтобы разобраться с особенностями системного подхода, обратимся к методологическому инструментарию общей теории систем, основные принципы которой применимы к любым системам. Значение

5

общей теории систем неоценимо для развития теории конструкций, так как она вооружает исследователя конструкций общей (принципиальной) моделью и чёткой дедуктивно-диалектической логикой.
     Частями общей теории систем могут быть специальные теории, в частности, специализированная теория конструктивных систем. Главная задача теории конструктивных систем - объединить, синтезировать научные знания на основе системного подхода.
     Механическое (несистемное) соединение гипотез и законов различных теоретических дисциплин с эмпирическими данными, например о железобетонных конструкциях, будет малоуспешным, если все стороны знаний развивать независимо. Необходимо взаимопроникновение развивающихся наук, эффективность которого обеспечивается посредством специализированной теории конструктивных систем. В использовании системных принципов содержится механизм построения и развития знаний о строительных конструкциях (рис. 1).


Рис. 1. Схема взаимосвязи теорий в системе знаний о строительных конструкциях

     Основная цель общей теории систем заключается в описании и объяснении сложных явлений, не заменяя, а дополняя другие науки и объединяя их посредством обобщённой модели. Иначе говоря, общая теория систем вооружает исследователя конструкций некоей обобщённой моделью конструктивной системы. Такой моделью может быть совокупность принципов, характеризующих основные стороны и свойства системы [96].
     Наиболее общими принципами для любых систем являются:
     - принцип структурности (возможность описания системы в виде структуры с устойчивыми связями), характеризующий состав, свойства и внутреннее строение системы;
     - принцип целостности (отличие свойств и функций целого от свойств и функций частей целого - элементов, подсистем), ха
6

       растеризующий общесистемные, интегральные свойства, поведение системы;
     - принцип взаимозависимости системы и среды (проявление и формирование свойств системы в процессе взаимодействия с внешней средой), характеризующий внешние свойства, качество системы;
     - принцип множественности описания каждой системы (потребность построения множества различных моделей, каждая из которых описывает лишь определённый аспект системы).
     Отметим также принцип иерархичности (возможность рассмотрения каждой системы в качестве элемента более сложной системы и каждого элемента исходной системы в качестве системы другого уровня). Однако этот принцип не является общим и используется как признак систем с особой структурой. Конструктивные системы следует относить к иерархическим системам.
     Общие принципы взаимосвязаны и при объединении образуют обобщённую, принципиальную модель, которую можно представить в виде схемы (рис. 2).


Рис. 2. Принципиальная схема иерархической системы

     Использование принципов общей теории систем даёт возможность сформулировать общие требования к конструкциям и на их основе конкретизировать общую модель исследования, представленную на рис. 3.


Рис. 3. Принципиальная модель конструктивной системы

7

     Для построения общей модели конструктивной системы в качестве основной предпосылки принята гипотеза соответствия общесистемных принципов и общих признаков классификации конструкций. Вообще классификация как форма научного знания генетически предшествует теории, нередко сосуществует и взаимодействует с ней.
     В наиболее общем определении классификация - это система понятий, классов, признаков объекта, используемая как средство для установления связей между разнообразными их типами и точной ориентации. Классификация способствует определению места объекта теории в системе и позволяет упорядочить процесс его изучения.
     Наиболее общие признаки классификаций различных конструкций: конструктивный, расчётный, функциональный, надёжности и эффективности [59]. Рассмотрим, соответствуют ли эти признаки общесистемным принципам (см. рис. 2)ив какой степени.
     Очевидно, что общесистемный принцип структурности полностью соответствует конструктивному признаку, характеризующему внутреннее строение и состав конструкции. Как структурное образование любая система рассматривается в виде целостного объекта, который допускает различные варианты декомпозиции (членения на составные части -элементы и подсистемы). Свойство членения на элементы характерно и для конструктивных систем, особенно при решении вопросов унификации и индустриализации. Из общей теории систем известно, что не всякое членение позволяет получить простые и достаточно доступные для изучения части. Эффективность решения этой задачи зависит от числа связей, объединяющих выделяемый элемент с остальными частями. С выявления необходимых и устойчивых связей системы начинается её познание, поэтому принцип структурности следует признать первичным при исследовании конструктивных систем. Понятие связи как части конструкции, объединяющей основные элементы в единое целое, играет важную конструктивную роль не только при исходном расчленении объекта изучения, но и в процессе его воспроизведения в целостной теоретической модели и в реальном виде.
     Принцип целостности общей теории систем объединяет основные требования к функциональным свойствам, поведению системы, обусловленному взаимодействием элементов. Применительно к конструктивным системам действие принципа функционирования проявляется в том, что в результате (обратите внимание) взаимодействия элементов конструкция приобретает специфические (системные) свойства, отличающиеся в той или иной степени от свойств элементов. Например, плиты перекрытия, предусмотренные для работы на поперечный изгиб по балочной схеме, при объединении межплитными швами образуют

8

систему в виде диска, способную работать на горизонтальные воздействия. Свойства такого диска нельзя получить суммированием свойств отдельных плит, так как в диске, вследствие включения в работу межплитных связей (соединений), происходит взаимодействие плит.
     Любая система должна быть способна к функционированию в той или иной среде, в результате чего происходит их взаимодействие. Взаимозависимость конструктивной системы со средой наиболее наглядно проявляется в условии прочности, которое обычно представляется в виде отношения случайных величин внешнего воздействия F и сопротивления конструкции R:
F < R.                          (1)
     Условие (1) называют ещё условием надёжности, поскольку именно в таком виде рассматривается математическая модель надёжности конструктивной системы. Поэтому принцип взаимозависимости системы со средой применительно к конструктивным системам следует отождествлять с принципом надёжности.
     Наконец, принцип множественности общих систем можно отождествить с принципом эффективности конструктивных систем, так как именно в многообразии вариантов мы находим наиболее приемлемое, оптимальное решение.
     Таким образом, подтверждая соответствие общесистемных принципов и общих признаков классификации конструкций, преобразуем принципиальную схему иерархической системы (см. рис. 2) в общую (принципиальную) модель (см. рис. 3), которая может быть положена в основу специализированной теории конструктивных систем.

1.2. Теория конструктивных систем - инструмент исследования строительных конструкций

     Основной объект теоретического исследования - конструктивные системы зданий, сооружений или их части, многообразие которых в определенной степени можно объяснить недостатком системных исследований и в связи с этим хаотичностью нормирования, проектирования и строительства. В результате строительства сооружений с неопределённой надёжностью и долговечностью увеличиваются затраты на содержание, снижается безопасность жизнедеятельности. Одной из причин этого является слабая теоретическая база дисциплин, изучающих строительные конструкции, недостаточная связь между ними и отсутствие единой модели конструктивных систем.

9

     Проведению системных исследований способствует специализированная теория конструктивных систем. Для построения такой теории имеются все необходимые компоненты: эмпирическая и теоретическая основы, содержание и логика.
     Исходная эмпирическая основа теории включает множество зафиксированных в области строительных конструкций фактов, полученных в ходе экспериментов, наблюдений, обследований и требующих теоретического объяснения. Эмпирическая основа - одна из сторон обобщённой модели конструктивной системы, без которой не реален полный анализ большого объёма эмпирической информации.
     Исходную теоретическую основу составляют классификация конструктивных систем по критериям, соответствующим принципам обобщённой модели, и теоретическая модель в виде принципиальной схемы (см. рис. 3), иллюстрирующей процесс теоретического раскрытия конструкции. Принцип структурности раскрывает внутренние свойства, строение и состав конструкции; принцип функционирования - общесистемные свойства или поведение; принцип надёжности - внешние свойства, определяемые условиями эксплуатации, а принцип эффективности -качество системы, обусловливающее пригодность конструкции удовлетворять определённые потребности. Основным инструментом, обеспечивающим взаимодействие всех сторон обобщённой модели, является расчётный принцип. Теоретическая модель предусматривает возможность повторения циклов познания в зависимости от сложности решаемой проблемы и способа развития объекта исследования. Объект теоретического исследования - конструктивная система здания, сооружения или их части (элементы).
     Системный подход определяет логику теории конструктивных систем, т.е. правила логических выводов и доказательств, которые должны допускаться в рамках теории. Логика вытекает из главного системного принципа - познание от общего к частному.
     Основное содержание теории на данном этапе развития составляют основные понятия и принципы обобщённой модели конструктивной системы. Системные принципы - это различные стороны теоретической модели, требующие тщательного изучения и совершенствования. Каждый из принципов является предметом специальных теорий и дисциплин (теории расчёта сооружений, строительных конструкций, теории надёжности и эффективности). Главная задача теории конструктивных систем - объединить, синтезировать научные знания на основе системного подхода с целью познания конструкций и успешного решения их проблем.

10