Введение к работе
Актуальность проблемы. В Стратегии национальной безопасности Российской Федерации до 2020 года одним из путей обеспечения безопасности в чрезвычайных ситуациях указано совершенствование и развитие единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера (в том числе территориальных и функциональных сегментов). Анализ аварий металлоконструкций зданий и сооружений, произошедших на территории Северо-Востока России, показывает, что основное количество аварий приходится на несущие конструкции покрытия в виде стальных стропильных ферм и арочные конструкции. Причинами, вызвавшими обрушение стальных стропильных ферм, явились: неучтенные снеговые и снеголедовые накопления, ошибки при проектировании, наличие значительного количества разного рода дефектов и повреждений, некачественное выполнение монтажных узлов, возникновение местных нагрузок, скопление производственной пыли на покрытии, неравномерные осадки фундаментов. Анализ обрушений покрытий сводчатого типа показывает, что основные причины аварий арочных конструкций обусловлены превышением снеговой нагрузкой в некоторых районах нормативных значений, несовпадением фактического распределения снеговой нагрузки с регламентированными схемами нагружения, ошибками при проектировании, низким качеством изготовления металлических арок.
Обобщение материалов аварий и результатов натурных обследований показывает, что для обеспечения надежности рассматриваемых в работе металлических конструкций (стальных ферм и арок) в условиях Севера, первостепенное значение имеет необходимость научно-обоснованной формулировки нормативных требований к снеговой и ветровой нагрузкам. Стремление к унификации в отечественных нормах приводит к тому, что при нормировании снеговых нагрузок в один снеговой район включены территории с весьма большим разбросом снеговых нагрузок вследствие градации интервальных параметров. Согласно метеоданным в некоторых районах Якутии годовые снеговые максимумы превышают расчетные значения веса снегового покрова на земле по строительным нормам в 1,5-2 раза. В отечественных и зарубежных нормах снос снега с покрытия здания определяются весьма приблизительно, а понижающий коэффициент не учитывает климатические условия эксплуатации зданий.
В действующих нормах СНиП 2.01.07-85* использована карта районирования по давлению ветра, составленная почти 50 лет назад. Значительная часть территорий отнесена к малоизученным районам и значения скоростей ветра не представлены. Применение единого значения коэффициента надежности по ветровой нагрузке при переходе от нормативных к их расчетным значениям не позволяет учитывать разброс переменных значений коэффициентов вариаций годовых максимумов, что в итоге приводит к неравной надежности проектируемых конструкций.
В условиях повышения со стороны государства требований к энергоэффективности исключительно остро стоит проблема сокращения потерь тепловой энергии через ограждающие конструкции зданий и сооружений, что особенно актуальна для условий Северо-Востока России. В последнее время большинство жилых и общественных зданий с несущим железобетонным каркасом для северных регионов проектируются и строятся с применением различных теплоизоляционных материалов, в том числе с вентилируемыми фасадными системами (ВФС). Многие из них не адаптированы для экстремальных условий и не учитывают особенности Севера. В результате они обладают низкой эксплуатационной надежностью и долговечностью.
Материалы многолетних натурных обследований промышленных зданий с металлическим каркасом, жилых и общественных зданий на северных территориях страны и отмеченные обстоятельства требуют повышения надежности стальных конструкций покрытий и ограждающих конструкций зданий с учетом региональных особенностей, атмосферных нагрузок и воздействий.
Исходя из актуальности проблемы исследования и из предпосылок, изложенных выше, цель работы заключается в комплексном решении и развитии научной и практической проблемы повышения надежности металлических покрытий и ограждающих конструкций зданий в условиях Севера и разработке нормативных требований к проектированию конструкций.
Для достижения намеченной цели в диссертации определены следующие задачи:
-
Оценить эксплуатационную надежность несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений на основе комплексного анализа особенностей природно-климатических условий эксплуатации, режима нагруженности и причин аварий металлоконструкций зданий и сооружений, результатов натурных обследований их технического состояния.
-
Провести вероятностную оценку данных об общих искривлениях стержней ферм, экспериментальные исследования устойчивости сжатых искривленных стержней в системе элементов фермы, разработать методику расчета элементов ферм на устойчивость с учетом реальной жесткости узлов.
-
Выполнить факторный анализ атмосферных нагрузок и воздействий на конструкции покрытия в условиях Севера, разработать методику обработки статистических данных по снеговым и ветровым нагрузкам, провести районирование территории Якутии по расчетному значению веса снегового покрова на земле и расчетному давлению ветра.
-
Научно обосновать нормативные требования к снеговой нагрузке для различных схем покрытий зданий, разработать методику учета совместного действия снеговых и ветровых нагрузок.
-
Оценить эксплуатационную надежность вентилируемых фасадных систем зданий на основе данных натурных обследований и экспериментальных исследований.
-
Разработать рекомендации по нормированию снеговых и ветровых нагрузок на конструкции зданий и сооружений, формированию требований к надежности металлических конструкций покрытия, повышению эксплуатационной надежности вентилируемых фасадных систем.
Научная новизна работы заключается в решении вопросов повышения надежности металлических конструкций покрытий и ограждающих конструкций зданий в условиях Севера и разработке нормативных требований к проектированию конструкций. При этом получены следующие основные научные результаты:
Разработана методика определения расчетных длин сжатых элементов решетки ферм с учетом габаритов фасонок, выявлен запас несущей способности элементов решетки ферм с исходными искривлениями и определены предельные значения допустимых погибов.
Предложена методика нормирования снеговых нагрузок, основанная на непосредственной аппроксимации опытных данных годовых максимумов веса снегового покрова земли и методика экстраполяции данных хвостовой части распределений максимумов снеговых нагрузок при малой выборке данных.
Проведено районирование территории Якутии по расчетным значениям веса снегового покрова на земле, ветрового давления и средней скорости ветра за зимний период.
Предложена методика определения на вероятностной основе коэффициента сочетания снеговых и ветровых нагрузок, получены коэффициенты сочетаний для отдельных районов Якутии.
Проведена оценка эксплуатационной надежности вентилируемых фасадных систем зданий на основе анализа их фактического состояния в период эксплуатации, результатов натурного эксперимента на реальной конструкции.
Практическая значимость определяется тем, что в результате предложенных методов и проведенных исследований было достигнуто следующее:
при проектировании конструкций покрытий рекомендованы конструктивные схемы, снижающие влияние осадок фундаментов, выявлен запас устойчивости деформированных сжатых элементов решетки стальных ферм, предложена методика учета жесткости узлов в стальных фермах из уголков;
разработана методика статистической обработки данных по снеговым и ветровым нагрузкам;
проведено районирование территории Северо-Востока России по снеговым и ветровым нагрузкам, разработаны расчетные схемы снеговых нагрузок на покрытиях различного очертания с учетом специфических климатических условий эксплуатации;
разработаны конструктивные мероприятия по повышению эксплуатационной надежности вентилируемых фасадных систем зданий.
Результаты исследований учтены при составлении следующих документов:
- Территориальных норм и правил РС(Я) ТСН 20-301-97 «Нагрузки и воздействия. Снеговые нагрузки», Якутск: Минстрой РС(Я), 1998 г;
- Рекомендаций по проектированию, монтажу и эксплуатации вен-тилируемых фасадных систем зданий с железобетонным каркасом в условиях Республики Саха (Якутия).- Якутск, Минстрой РС(Я), 2010 г.
Результаты работы на протяжении более 20 лет используются в учебном процессе Якутского государственного университета им.М.К.Аммосова.
На защиту выносятся результаты решения сформулированных автором задач, обеспечивающих достижение цели диссертационной работы:
анализ климатических условий эксплуатации конструкций зданий и сооружений на Севере;
анализ аварий металлических конструкций покрытий зданий и сооружений в условиях Севера, результаты вероятностной оценки данных об общих искривлениях стержней ферм и экспериментальных исследований устойчивости сжатых искривленных стержней в системе элементов фермы;
методика учета габаритов фасонок в фермах со стержнями из двух уголков;
методика обработки статистических данных по снеговым и ветровым нагрузкам, районирование территории Северо-Востока России по весу снегового покрова на земле и ветровому давлению, методика учета совместного действия снеговых и ветровых нагрузок;
анализ действительного состояния вентилируемых фасадных систем, результаты экспериментальных исследований работы ВФС в условиях устойчивой низкой температуры воздуха;
предложения по нормированию снеговых нагрузок на покрытиях зданий различной конфигурации, методика учета сноса снега ветром с покрытия в условиях низкой температуры наружного воздуха.
Достоверность результатов проведенных исследований определяется следующим:
комплексным характером работы, базирующимся на результатах статистической обработки данных обследований значительного количества каркасов производственных зданий и вентилируемых фасадов жилых и общественных зданий, их сопоставление с имеющимися в литературе данными;
использование общепринятых и широко используемых расчетных предпосылок;
хорошим соответствием результатов расчетов на основе разработанных методов данным экспериментальных исследований, выполненных в диссертации, и материалам, опубликованным отечественными и зарубежными авторами;
соответствием основных выводов практическому опыту проектирования и эксплуатации металлических конструкций покрытий и фасадных систем зданий в условиях Севера.
Апробация работы. Основные результаты выполненных по теме диссертации НИР и положения диссертации доложены на следующих научных конгрессах, конференциях и симпозиумах международного, всероссийского и регионального уровня:
- школе – семинаре «Прогрессивные методы ведения проектных и исследовательских работ при реконструкции стальных каркасов зданий и сооружений», Киев, 1991;
- всесоюзной конференции «Усиление и реконструкция промзданий и сооружений, построенных в металле», Киев, 1992 г;
- региональной научно-практической конференции «Проблемы строи-тельства в Республике Саха(Якутия)», Якутск, 1994 г;
- всероссийской конференции «Прогрессивные строительные кон-струкции для условий Дальнего Востока», Хабаровск, 1994 г;
- региональной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы освоения природных ресурсов Южной Якутии», Нерюнгри, 1996 г;
- региональной научно-практической конференции «Наука-невос-требованный потенциал», Якутск, 1996 г;
- международной конференции «Стихия. Строительство. Безопасность», Владивосток, 1997 г;
- городской научно-практической конференции «Современные технологии в строительстве-образование, наука и практика: материалы», Москва, 2001 г;
- международных научных чтениях «Приморские зори-2003. Экология, безопасность жизнедеятельности, защита в чрезвычайных ситуациях, охрана, безопасность, медицина, гигиена труда, устойчивое развитие Дальневосточных территорий», Владивосток, 2003 г;
- республиканской научно-практической конференции «Актуаль-ные проблемы строительного и жилищно-коммунального комплексов РС(Я)», Якутск, 2004 г;
- республиканской научно-практической конференции «Наука-строительному комплексу Севера», Якутск, 2006 г;
- 64-й научно-практической конференции Новосибирского ГАСУ (Сибстрин), Новосибирск, 2007 г;
- XVIII научных чтениях «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии», Белгород, 2007 г;
- I Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения:безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение», Якутск, 2008 г;
- международной конференции «Стихия. Строительство. Безопасность», Владивосток, 2008 г;
- международной научно-практической конференции «Строи-тельный комплекс России: наука, образование, практика», Улан-Удэ, 2008 г;
- научно-техническом совете Министерства строительства и про-мышленности строительных материалов РС(Я), Якутск, 2009 г;
- международном симпозиуме по развитию стран Балтийского региона, Санкт-Петербург, 2010 г;
- IX международном симпозиуме по развитию холодных регионов «Iscord 2010», Якутск, 2010 г;
- научной конференции – II академических чтениях памяти академика Г.Л.Осипова «Актуальные вопросы строительной физики – энергосбережение и экологическая безопасность», Москва, 2010.
Полученные в настоящей работе данные реализованы при оценке технического состояния производственных зданий АК (ЗАО) «АЛРОСА», ОАО «Якутскэнерго», ОАО «Якутуголь», ОАО «Якутзолото», жилых зданий г.Якутска, и при разработке рекомендаций по использованию продукции компании «Isover».
Основное содержание диссертации освещено в 75 печатных работах, в т.ч. в 1-й монографии и 3-х учебных пособиях. Получен 1 патент на изобретение.
Личный вклад автора. Все положения диссертационной работы выдвинуты и обоснованы лично ее автором. Материалы других авторов, использованные для обоснования положений диссертации, приведены с точными ссылками, включенными в «Библиографию» диссертации. Личный вклад автора заключается в оценке эксплуатационной надежности металлоконструкций покрытия и ограждающих конструкций зданий и сооружения в условиях Севера на основе комплексного анализа особенностей природно-климатических условий эксплуатации, режима нагруженности и причин аварий металлоконструкций, результатов натурных обследований их технического состояния, в развитии методики расчета элементов ферм на устойчивость с учетом реальной жесткости узлов, в разработке методики определения предельных снеговых и ветровых нагрузок, в развитии методики расчета температурно-влажностного режима ограждающих конструкций с вентилируемым фасадом, в разработке нормативных требований к проектированию металлоконструкций покрытия и ограждающих конструкций с учетом региональных особенностей. Во всех необходимых случаях отмечается уровень участия отдельных специалистов под руководством автора диссертации в разработке содержащихся в диссертационном исследовании предложений по комплексному повышению эксплуатационной надежности металлических конструкций покрытий и фасадных систем зданий.
Автор выражает глубокую благодарность всем коллегам и участникам творческих коллективов, в среде которых шел процесс формирования основных идей представленной диссертации.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает введение, пять глав, заключение и приложение. Каждая глава завершается параграфом «Выводы по главе …», а работа в целом – разделами «Заключение», «Библиография».
Полный объем диссертации составляет 390 страниц, включая 128 рисунков и 48 таблиц. Основной текст (без заглавия, оглавления, библиографии, рисунков и таблиц) занимает 301 страницы, в том числе 1 приложение на 11 страницах. Список литературы включает 290 источников и размещен на 30 страницах.
Похожие диссертации на Повышение надежности конструкций зданий и сооружений в условиях экстремальных атмосферных нагрузок и воздействий Севера
