автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Сравнительный анализ расчета большепролетных стальных конструкций на снеговую нагрузку с использованием вероятностного подхода и действующих нормативных документов

На правах рукощси

ПАВЛОВ СТАНИСЛАВ АНДРЕЕВИЧ

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАСЧЕТА БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА СНЕГОВУЮ НАГРУЗКУ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕРОЯТНОСТНОГО ПОДХОДА И ДЕЙСТВУЮЩИХ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ.

Специальность 05.23.17 - «Строительная механика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

005539688

Москва 2013

005539688

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Мондрус Владимир Львович

Мкртычев Олег Вартанович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский

государственный строительный

университет», профессор кафедры сопротивления материалов

Симон Наталья Юрьевна

кандидат технических наук ЗАО «Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-

исследовательский и проектный институт строительных металлоконструкций им. Н.П. Мельникова», главный специалист отдела промышленного и гражданского строительства

ЦНИИСК им. Кучеренко, подразделение ОАО «НИЦ «Строительство»

Защита состоится «06» декабря 2013 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.138.12, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. №9 «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан « £» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ¿¿¿л

Анохин Николай Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Метод предельных состояний впервые был широко внедрен в практику проектирования несущих конструкций в середине 50-х годов XX столетия с принятием первой редакции Строительных норм и правил. Его широкое международное признание можно связать с появлением в 70-х годах первой редакции ИСО и, в особенности, с серией Еврокодов, при этом в упомянутых международных документах метод получил название метода частных коэффициентов надежности.

В этом методе предельные состояния определяются как состояния, при которых конструкция перестает удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям.

Метод предельных состояний по форме является детерминированным. Однако он может быть поставлен на вероятностную основу с любой степенью достоверности. Степень достоверности зависит от степени достоверности процедур, используемых для выбора значений коэффициентов надежности.

На сегодняшний день нормы проектирования Российской Федерации не дают четкого представления об уровне надежности сооружений, о вероятности их безотказной работы, а также о реальной вероятности превышения заданной нагрузки (снеговой, ветровой и т.д.).

В данной диссертационной работе предполагается создание

вероятностной методики расчета на снеговую нагрузку элементов

большепролетных стальных конструкций, по которой сооружение

рассчитывается уже с заданной вероятностью безотказной работы за

заданный срок службы, а сама нагрузка задается с необходимой

3

вероятностью превышения (или непревышения) за срок эксплуатации сооружения. Разработанная методика и полученные результаты сравниваются с методами, предлагаемыми в действующих нормативных документах.

Цель диссертационной работы.

1. Получить в вероятностной постановке расчетные значения снеговой нагрузки с использованием реальной статистики по различным регионам России и сравнить их с данными в действующих нормативными документах.

2. Разработать вероятностную методику расчета большепролетных стальных конструкций на снеговую нагрузку с заданным уровнем надежности.

3. Провести сравнительный анализ расчета стальных большепролетных конструкций на снеговую нагрузку с помощью предлагаемой методики расчета и расчетом по действующим нормативным документам.

Методы исследования опираются на использование современных научных положений, относящихся к вероятностным методам в строительном проектировании, изучения научно-технической литературы по проблемам, связанными с задачами, поставленными в работе. Анализируются также различные проектные работы, выполненные по различным нормативным документам. В процессе исследования использовались следующие методы: конечных элементов, статистических испытаний, статистической обработки данных, Монте-Карло.

Научная новизна исследования заключается в создании вероятностной методики расчета большепролетных стальных конструкций на снеговую нагрузку с заданным уровнем надежности, в том числе с использованием реальной статистики по различным регионам России.

Достоверность предложенной методики подтверждается использованием хорошо апробированных методов строительной механики и теории надежности, близостью полученных результатов к экспериментальным данным и вычислениям по СНиП и Еврокоду, сходимостью с исследованиями других авторов по данной тематике.

Практическая значимость. Разработанная в данной диссертационной работе методика вероятностного расчета большепролетных стальных конструкций на снеговую нагрузку с заданным уровнем надежности может быть использована для проектирования различных типов промышленных зданий и сооружений, конструкций покрытий (куполов, сводов и др.), а также служить в роли справочного материала при сопоставлении нормативных документов различных стран.

Внедрение результатов исследования. Разработанная в данной диссертационной работе методика была использована в проектных и поверочных расчетах несущих металлоконструкций промышленных зданий в ООО «ЦНИИПСК им. Мельникова». Предлагаемая методика рекомендуется для использования в работе для следующих организаций и институтов:

- МГСУ;

- ЦНИИСК им. Кучеренко;

- ЦНИИПромзданий.

Апробация работы. Основные результаты работы и материалы исследований докладывались и обсуждались на следующих мероприятиях:

- Всероссийская научно-техническая конференция студентов, Москва, МГСУ, март 2009.

- Семинар «Еврокоды»: актуальность применения на территории Российской Федерации», Москва, октябрь 2009г.

- Всероссийская научно-техническая конференция студентов, Москва, МГСУ, март 2010.

- Выставка «Строительный сезон», Москва, Крокус Экспо, ноябрь,

2010.

- Международная научно-практическая конференция «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы», посвященная 100-летию со дня рождения Б.Г. Коренева, Москва, МГСУ, ноябрь 2010.

- I Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений», Москва, МГСУ, декабрь 2010.

- Международная научно-практическая конференция «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы», посвященная 100-летию со дня рождения А.Р. Ржаницына, Москва, МГСУ, июнь 2011.

- Семинар «MSC Software». Москва, октябрь 2011г. Публикации. По материалам работы имеется 5 публикаций, из

которых 3 напечатаны в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

На защиту выносятся:

- результаты обработки и анализа статистических данных веса снегового покрова для различных регионов России за период 46 лет;

- вероятностная методика расчета большепролетных стальных конструкций на снеговую нагрузку с заданным уровнем надежности;

- сравнительный анализ расчета различных сооружений на снеговую нагрузку с использованием предлагаемой методики и расчетом по действующим нормативным документам.

Объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы и два приложения. Объем

б

диссертации: 113 страниц текста, в том числе 17 таблиц, 32 рисунков и список литературы из 87 наименований работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обзор опубликованных работ по тематике диссертации, обосновывается место и роль вероятностных методов расчета конструкций в строительной механике. Сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность проведенных исследований, изложены основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе приведен обзор основных литературных источников, посвященных проблемам вероятностного расчета конструкций и теории надежности в строительном проектировании, развитием норм проектирования, а также вероятностному обоснованию метода предельных состояний.

Теоретические основы расчета конструкций сформулированы в методах строительной механики, которая оформилась как самостоятельная научная дисциплина к середине 19 века. С ее появлением появилась возможность установить правила проектирования сооружений. Для этого были рассчитаны допустимые значения величин напряжений (деформаций, перемещений). Впервые это было сделано в 1840 году, когда Торговая Палата Великобритании установила для ковкого чугуна в железнодорожных мостах допускаемое напряжение равное 77,2 МПа.

В первых нормах основой проектирования являлся метод допускаемых напряжений, который был сохранен при формировании расчетных требовании в СССР до середины 50-х годов прошлого столетия, а в нормах стран Западной Европы, США и Канады вплоть до 90-х годов 20 века.

В 1926 году М. Майер в своих работах предложил вместо расчета по допускаемым напряжениям использовать вероятностные методы для выбора значений параметров, вводимых в расчет. В 1929 году Н.Ф. Хоциалов предложил, принимая во внимание изменчивость основных параметров, вести проектирование конструкций, исходя из оптимальной суммы как капитальных затрат, так и вероятности «дефектных уклонений» и суммы убытков от аварии (идея вероятностной оптимизации).

Существенным развитием идей М. Майера и Н.Ф. Хоциалова явились работы Н.С. Стрелецкого, М. Плота и В. Вержбицкого, в которых в качестве случайных величин использовались не только прочностные характеристики материала, но и параметры нагрузок. Совершенствованию методов нормирования расчетов на основе вероятностного подхода способствовали работы A.M. Фрейденталя, А.Р. Ржаницына и А.И. Джонсона.

Введение метода предельных состояний, который базируется прежде всего на работах Н.С. Стрелецкого, позволило учесть специфику работы разных конструкций, фактическую изменчивость нагрузок и несущей способности. Этот метод получил широкое признание во всем мире. В нормах США, Канады, Европейских стран он получил название «метод частных коэффициентов надежности».

Общие принципиальные вопросы применения вероятностных методов к анализу надежности сооружений получили развитие в фундаментальных исследованиях В.В. Болотина и А.Р. Ржаницына. Существенный вклад в совершенствование методов расчета конструкций и обоснований процедур нормирования расчетных параметров внесли исследования А.Я. Дривинга, Б.И. Снаркиса, Ю.Д. Сухова, В.П. Чиркова, А.В, Перельмутера, В.Д. Райзера, О.В. Мкртычева и др.

Серьезный вклад в исследование нагрузок, учета их сочетаний и обоснования процедур их нормирования внесен работами М.Ф, Барштейна, A.A. Бать, И.А. Белышева, JI.C. Розенберга и др.

8

Из зарубежных авторов в вероятностных методах расчета и проектирования конструкций стоит отметить работы Г. Аугусти, А. Баратта, Ф. Кашиати, Ф. Боржеса, М. Кастанеты и др.

В последние годы благодаря развитию вычислительной техники и программных комплексов появилась возможность автоматизировать сложные вычисления, использовать для расчета вероятности отказа численные методы (метод статистического моделирования и др.), а также возможность использования реальных данных, учитываемых в расчете. Это открывает широкие возможности использования вероятностных методов в практике проектирования.

Во второй главе рассматривается проблема задания расчетного значения снеговой нагрузки. Ситуация в области нормирования снеговой нагрузки в российских нормах давно привлекает внимание. За последние десятилетия ее расчетное значение существенно изменялось трижды и, например, для Московской области было увеличено с 1,400 до 1,800 кПа. При этом обращает на себя внимание тот факт, что расчетная нагрузка принята меньшей, чем вес снежного покрова 2,100 кПа, отмеченный за XX век дважды - в 1924 и 1984 годах.

В 2011 году вышел СП 20.13330.2011 актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия. Вместо задания нормативных значений нагрузок и введения к ним фиксированных коэффициентов надежности по нагрузке введен принцип нормирования непосредственно расчетных значений веса снегового покрова (ВСП) земли. Разработана новая карта районирования территории РФ по ВСП, в основу которого положены наибольшие ежегодные значения, превышаемые в среднем один раз в 25 лет. Таким образом, расчетное значение ВСП для 3-го снегового района 8=1,800 кПа.

Если проанализировать данное принятое значение, то мы получим, что его вероятность (риск) равна Я=1/25=0,04, а вероятность непревышения

9

(вероятность безопасной работы) Р(8)=1-0,04=0,96. Однако, это значение верно для срока в один год (т.е. для одной зимы). Для срока службы в 25 лет вероятность безопасной работы сооружения будет равна: РТ(8)=Р(8)Т=( 1 -0,04)25=0,36;

для 50 лет Рт(8)=0,13; (1)

для 100 лет Рт(8)=0,02.

Далее предложена методика, в которой обеспеченность принятой при проектировании какого-либо сооружения расчетной снеговой нагрузки, т.е. вероятность того, что снеговая нагрузка в течение п лет - срока его эксплуатации - не превысит расчетную величину 5, вычисляется по формуле Р(8,п)=ехр[-ехр((а+р1п(п)-Щ]=Р(8,1)' (2)

Параметры а и ¡3 вьиисляются статистической обработкой результатов измерения веса снегового покрова. По данным наблюдений до 2003 года, для района г. Москвы имеем а = 918 Па, Р = 281 Па.

Отсюда следует, что нагрузка 5, которая с вероятностью Р не будет превышена в течение п лет, будет равна

Б(Р,п) -а+[Пп(п)-р1п[-1п(Р)] (3)

Для московского региона при Р = 0,95 и п = 100 лет получаем расчетную нагрузку

Б(0.95,100)=918+2811п(100) - 281 1п[-1п(0.95)] = 3.047 кПа. а при и = 50 лет 5(0.95, 50) = 2.852 кПа.

Стоит отметить, что эти результаты отлично согласуются с Европейскими нормами, согласно которым за нормативное значение принимается вес снегового покрова со средним периодом повторяемости 50 лет, а коэффициент надежности по нагрузке равен 1,5. Таким образом, для 3-го снегового района нормативное значение ВСП равно 2,000 кПа, а расчетное - 3,000 кПа. Такому значению соответствуют период повторяемости Т=2000

ю

лет, вероятность безопасной работы в течение одного года Р(8)=0,9995, а для Т=100 лет РТ(8)=Р(8)100=0,95.

Аналогичные расчеты с использованием реальной статистики за 46 лет были проведены для Волгограда, Белгорода, Нижнего Новгорода и Перми, которые подтвердили вышеуказанный взгляд.

Существует мнение, что можно не придавать описанным выше результатам вычислений (и наблюдений) буквального значения, так как одновременно с фактами превышения снеговой нагрузкой ее расчетного значения мы не наблюдаем массовых аварий стоящих под этим снегом конструкций. Однако ясно, что так происходит только из-за наличия неучтенных запасов прочности. В правильно запроектированных и изготовленных конструкциях распространенных типов такие запасы достигают 1.5 и более раз. И если за 30 - 40 лет наблюдений отмечались факты превышения снеговой нагрузкой расчетного значения на 20 - 50 %, то для конструкций с тяжелыми покрытиями это могло вызвать перегрузку лишь на 10 - 20 %. Для таких покрытий запасов прочности, как правило, хватает, чтобы избежать аварий. Но факт нарушения предельного неравенства говорит о том, что конструкция стала работать в условиях, которые не предполагались проектировщиком и, следовательно, им не обсчитывались и не анализировались. В этих условиях отсутствуют гарантии безопасной эксплуатации. Это недопустимо, даже если аварии и не произошло. Особенно, если учесть, что величина отмеченных выше запасов является оценочным, а отнюдь не гарантированным фактом. Такими запасами многие конструкции могут и не обладать, в особенности в настоящее время при общем снижении качества изготовления, монтажа и тщательности контроля свойств материалов.

Психологически можно понять возникающее на бытовом уровне впечатление, будто события, характеризуемые риском 11(8)=0,0005 за 1 год, настолько маловероятны, что нет смысла предусматривать из в вычислениях

при оценках риска в течение полного срока службы здания или сооружения. При этом упускается из вида, что при многократных реализациях нагрузок риск столкнуться с редкими событиями возрастает на порядки и перестает быть малым. Потому бытовые соображения не могут подменять последовательные аккуратные вычисления рисков и вероятностей безопасной работы сооружения в течение всего срока эксплуатации. Конкретный пример произошел совсем недавно: аномально жаркое лето 2010 года продемонстрировало нам возможность реализации при сроках наблюдения порядка 100 лет даже событий, оцениваемых периодом повторяемости Т=6000...10 ООО лет и считавшихся до того практически невероятными.

В третьей главе предоставляется методика расчета конструкций в вероятностной постановке с использованием метода численного моделирования.

При выполнении вероятностного расчета случайными принимаем:

- снеговую нагрузку;

- расчетные сопротивления стали;

- неточности изготовления;

- неточности монтажа;

- отклонения от геометрических размеров сечения.

На рисунке 1 приведена блок-схема алгоритма работы разработанной программы с использованием системы МаШСас!.

Рисунок 1. Общая блок-схема алгоритма работы разработанной программы

Разработанная программа используется с любым МКЭ программным комплексом. В рассмотренных примерах расчеты проводились с использованием ПК Scad.

В четвертой главе показаны расчеты различных типов большепролетных стальных конструкций с использованием предлагаемой методики и действующих нормативных документов. Также был проведен сравнительный анализ этого расчета.

Схемы конструкций приведены на рисунках 2-6.

Пример 1. Рассматривалась балочная клетка размером 54x18м, высотой 9м с металлическим настилом. Марка стали колонн и балок - С255. Район строительства — г. Волгоград. Расчетный срок службы - 50 лет.

I-

Рисунок 2. Схема конструкции в примере 1

Пример 2. Трехпролетный ангар размером 72x108м, высотой 18м. Марка стали и колонн С255. Район строительства - г. Пермь. Расчетный срок службы - 50 лет.

Рисунок 3. Разрез здания в примере 2

Пример 3. Ангар с пристройкой с размером в плане 33 x60м. Марка стали - С255. Район строительства - г. Москва. Расчетный срок службы - 50 лет.

Рисунок 4. Разрез здания в примере 3 Пример 4. Промышленное здание размером 18x96м. Марка стали -С345. Район строительства - г. Пермь. Расчетный срок службы - 50 лет.

©

Рисунок 5. Схема промышленного здания в примере 4

г 1250

0,000

18000

Рисунок 6. Разрез промышленного здания в примере 4 Пример 5. Ребристо-кольцевой купол резервуара нефтехранилища. Объем резервуара - 10000 м3. Диаметр купола - 28,5м. Марка стали - С255. Район строительства - Московская область. Расчетный срок службы - 25 лет.

Рисунок 7. Схема купола покрытия резервуара в примере 5

В сравнительной таблице приведены вероятностные надежности за весь срок эксплуатации зданий и сооружений по несущей способности по

первому и по второму предельному состоянию по проведенным примерам.

Таблица 1.

Номер примера Заданная надежность Рм по предлагаемой методике Надежность Рснип по расчету по СНиП Надежность Ре по расчету по Еврокод

1 0,99999 0,99973 0,99996

2 0,99999 0,99975 0,99997

3 0,99999 0,99974 0,99997

4 0,99999 0,99978 0,99995

5 0,99999 0,99971 0,99996

Основные результаты и выводы.

1. Получены и обработаны в вероятностной постановке статистические данные по весу снегового покрова для различных регионов России, на основании которой были получены расчетные значения снеговой нагрузки с заданной вероятностью превышения и непревышения в течение всего прока эксплуатации сооружений.

2. Проанализирована методика назначения расчетного значения снеговой нагрузки, в которой нагрузка задается с вероятностью непревышения в течение срока эксплуатации здания или сооружения лет. Также был проведен сравнительный анализ полученных результатов и

17

данных из действующих нормативных документов, по которому было показано, что данные из Еврокода практически полностью сходятся с предложенной методикой (с погрешностью до 1,5 %).

3. Была получена методика, позволяющая рассчитывать большепролетные стальные конструкции на снеговую нагрузку с заданным уровнем надежности на заданном сроке эксплуатации.

4. Сопоставив расчет по полученной методике с расчетом конструкций по действующим нормативным документам, был сделан вывод, что вероятностному подходу более соответствует Еврокод, чем СНиП (максимальная разница в вероятностной надежности в примерах Р=0,99996 для Еврокода и Р=0,99971 для СНиП).

Список публикаций по теме диссертационной работы:

1. Мондрус В.Л., Павлов С.А. Основы вероятностной оценки живучести зданий при сейсмических нагрузках. Сборник докладов по итогам научно-исследовательских работ студентов МГСУ за 2008-2009 учебный год. Москва, 2009 год. С. 65-69.

2. Мондрус В.Л., Павлов С.А. К вопросу об определении расчетного значения снеговой нагрузки для купола резервуара. Сборник трудов III международной научно-практической конференции «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы». Москва, МГСУ, 2010г. С. 256-260.

3. Мондрус В.Л., Павлов С.А. Определение расчетных значений снеговых нагрузок для купола резервуара. Журнал ПГС. 11/2010. С. 50-52.

4. Мондрус В.Л., Павлов С.А. Рассмотрение различных методик по назначению расчетного значения снеговой нагрузки для купола резервуара. Научно-технический журнал «Вестник МГСУ». №1.Т2.2011. С. 184-188.

5. Павлов С.А. Сравнительный анализ расчетного значения снеговой нагрузки в СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия» со СНиП 2.01.07-85*,

18

а также с другими нормативными документами и методиками. Научно-технический журнал «Вестник МГСУ». №8.2011. С. 164-167.

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 экз. г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54,8-906-787-70-86

www.kopii-ovka.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАСЧЕТА БОЛЫНЕПРОЛЕТЫХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА СНЕГОВУЮ НАГРУЗКУ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕРОЯТНОСТНОГО ПОДХОДА И ДЕЙСТВУЮЩИХ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ

Специальность 05.23.17 - Строительная механика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.Л. Мондрус

Москва, 2013

Оглавление

Введение 4

1 Обзор существующих исследований в области вероятностых методов расчета конструкций и теории надежности 10

1.1 Развитие методов нормирования расчета конструкций К)

1.2 Развитие вероятностных методов расчета и теории надежности в проектировании строительных конструкций 14

1.3 Общие положения теории надежности 16

2 Сравнительный анализ расчетных значений веса снегового покрова с использованием вероятностного подхода и действующих нормативных документов 20

2.1 Вес снегового покрова. Общие положения 20

2.2 Нормативное и расчетное значения веса снегового покрова согласно СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия», Eurocode EN 1991-1-3 "Snow loads" и вероятностной методике непревышения 22

2.3 Анализ статистических данных по весу снегового покрова для различных регионов России 32

3 Формирование методики расчета большепролетных стальных конструкций на снеговую нагрузку с заданным уровнем надежности 46

3.1 Общие положения расчета 46

3.2 Расчетное сопротивления стали 50

3.3 Неточности при монтаже. Оценка качества работ 56

3.4 Статистический контроль несущей способности 58

4 Расчет различных типов большепролетных сиальных конструкций и оценка их надежности на всем сроке эксплуатации 62

4.1 Балочная клетка 62

2

/

4.2 Трехпролетных ангар 67

4.3 Ангар с пристройкой 73

4.4 Промышленное здание 78

4.5 Ребристо-кольцевой купол 83 Заключение 90 Список литературы 91 Приложение 1 98 Приложение 2 105

ВВЕДЕНИЕ

Метод предельных состояний впервые был широко внедрен в практику проектирования несущих конструкций в середине 50-х годов XX столетия с принятием первой редакции Строительных норм и правил. Его широкое международное признание можно связать с появлением в 70-х годах первой редакции ИСО и, в особенности, с серией Еврокодов, при этом в упомянутых международных документах метод получил название метода частных коэффициентов надежности.

В этом методе предельные состояния определяются как состояния, при которых конструкция перестает удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям.

Метод предельных состояний, заложенный в нормах проектирования, по форме является детерминированным. Однако он может быть поставлен на вероятностную основу с любой степенью достоверности. Степень достоверности зависит от степени достоверности процедур, используемых для выбора значений коэффициентов надежности.

На сегодняшний день нормы проектирования Российской Федерации не дают четкого представления об уровне надежности сооружений, о вероятности их безотказной работы, а также о реальной вероятности превышения заданной нагрузки (снеговой, ветровой и т.д.). В то же время расчет строительных конструкций, отражающий их реальное поведение в эксплуатации, должен в полной мере базироваться на теории надежности, основанной на вероятностных методах, которые позволяют дать более объективную оценку конструкции о ее пригодности к нормальной эксплуатации.

В данной диссертационной работе предполагается создание вероятностной методики расчета на снеговую нагрузку элементов большепролетных стальных конструкций, по которой сооружение рассчитывается уже с заданной вероятностью безотказной работы за заданный срок службы, а сама нагрузка задается с необходимой вероятностью превышения (или непревышения) за срок эксплуатации сооружения. Разработанная методика и полученные результаты сравниваются с методами, предлагаемыми в действующих нормативных документах.

Цель диссертационной работы:

1. Получить в вероятностной постановке расчетные значения снеговой нагрузки с использованием реальной статистики по различным регионам России и сравнить их с данными в действующих нормативными документах.

2. Разработать вероятностную методику расчета большепролетных стальных конструкций на снеговую нагрузку с заданным уровнем надежности.

3. Провести сравнительный анализ расчета стальных большепролетных конструкций на снеговую нагрузку с помощью предлагаемой методики расчета и расчетом по действующим нормативным документам.

Методы исследования опираются на использование современных научных положений, относящихся к вероятностным методам в строительном проектировании, на изучение научно-технической литературы по проблемам, связанными с задачами, поставленными в работе. Анализируются также различные проектные работы, выполненные по различным нормативным документам. В процессе исследования использовались следующие методы: конечных элементов, статистических испытаний, статистической обработки данных, Монте-Карло.

Научная новизна исследования заключается в создании вероятностной методики расчета большепролетных стальных конструкций на снеговую нагрузку с заданным уровнем надежности, в том числе с использованием реальной статистики по различным регионам России.

Достоверность предложенной методики подтверждается использованием хорошо апробированных методов строительной механики и теории надежности, близостью полученных результатов к экспериментальным данным и вычислениям по СНиП и Еврокоду, сходимостью с исследованиями других авторов по данной тематике.

Практическая значимость. Разработанная в данной диссертационной работе методика вероятностного расчета большепролетных стальных конструкций на снеговую нагрузку с заданным уровнем надежности может быть использована для проектирования различных типов промышленных зданий и сооружений, конструкций покрытий (куполов, сводов и др.), а также служить в роли справочного материала при сопоставлении нормативных документов различных стран.

Внедрение результатов исследования. Разработанная в данной диссертационной,работе методика была использована в проектных и поверочных расчетах несущих металлоконструкций промышленных зданий в ООО «ЦНИИПСК им. Мельникова». Предлагаемая методика рекомендуется для использования в работе для следующих организаций и институтов:

- МГСУ;

- ЦНИИСК им. Кучеренко;

- ЦНИИПромзданий.

Апробация работы. Основные результаты работы и материалы исследований докладывались и обсуждались на следующих мероприятиях:

6

- Всероссийская научно-техническая конференция студентов, Москва, МГСУ, март 2009.

- Семинар «Еврокоды»: актуальность применения на территории Российской Федерации», Москва, октябрь 2009г.

- Всероссийская научно-техническая конференция студентов, Москва, МГСУ, март 2010.

- Выставка «Строительный сезон», Москва, Крокус Экспо, ноябрь, 2010.

- Международная научно-практическая конференция «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы», посвященная 100-летию со дня рождения Б.Г. Коренева, Москва, МГСУ, ноябрь 2010.

-1 Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений», Москва, МГСУ, декабрь 2010.

- Международная научно-практическая конференция «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы», посвященная 100-летию со дня рождения А.Р. Ржаницына, Москва, МГСУ, июнь 2011.

- Семинар «MSC Software». Москва, октябрь 2011г.

По материалам работы имеется 5 публикаций, из которых 3 напечатаны в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

На защиту выносятся:

- результаты обработки и анализа статистических данных веса снегового покрова для различных регионов России за период 46 лет;

- вероятностная методика расчета большепролетных стальных конструкций на снеговую нагрузку с заданным уровнем надежности;

- сравнительный анализ расчета различных сооружений на снеговую нагрузку с использованием предлагаемой методики и расчетом по действующим нормативным документам.

Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы и два приложения.

Первая глава посвящена обзору публикаций, посвященных вероятностным методам расчета конструкций и теории надежности. Исследована история развития строительной механики, теории надежности, различных вероятностных методов расчета строительных конструкций при разработке правил проектирования сооружений от метода допускаемых напряжений до метода предельных состояний. Показана возможность использования вероятностных методов расчета строительных конструкций в практике проектирования также благодаря развитию вычислительной техники и появлению серьёзных программных комплексов.

Во второй главе проведен сравнительный анализ различных методик назначения расчетного значения снеговой нагрузки. Рассмотрены и проанализированы значения, предлагаемые в российских нормативных документах (СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия». Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*), в европейских строительных нормах (Eurocode EN 1991-1-3 «Snow Loads»), а также в методике, разработанной специалистами ЦНИИПСК им. Мельникова и основанной на назначении расчетного значения веса снегового покрова, исходя из вероятности ее непревышения на всем сроке эксплуатации здания или сооружения. Также проанализирована реальная статистика по снеговой нагрузке за 46 лет для четырех городов (регионов) России

8

- Волгограда, Нижнего Новгорода, Белгорода и Перми. Предложены расчетные значения снеговой нагрузки с заданной обеспеченностью для рассмотренных снеговых районов на основании вероятностного подхода.

В третьей главе диссертации автором описана методика расчета большепролетных стальных конструкций на снеговую нагрузку с заданным уровнем надежности. Приведены общие алгоритмы разработанной программы, представлено описание учета случайных параметров в конструктивных системах при последующем расчете напряженно-деформируемого состояния конструкции.

В четвертой главе приведены расчеты на снеговую нагрузку пяти зданий и сооружений с использованием предлагаемой методики. Эти здания имеют различные расчетные схемы и представлены однопролетными и трехпролетными конструкциями, купольным покрытием цилиндрического резервуара. Проведена оценка надежности рассмотренных сооружений, рассчитанных с использованием нормативных документов России и европейских норм проектирования, на всем сроке эксплуатации. Проведен сравнительный анализ полученных результатов.

1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ВЕРОЯТНОСТНЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИЙ И

ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

1.1 РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ НОРМИРОВАНИЯ РАСЧЕТА

КОНСТРУКЦИЙ

Методы строительной механики формулируют теоретические основы расчета строительных конструкций. Как самостоятельная научная дисциплина она сформировалась в середине 19 века. С этого момента появилась возможность установить правила проектирования сооружений. В 1840 году Торговая Палата Великобритании утвердила для ковкого чугуна (основной на тот момент конструкционный материал) в железнодорожных мостах допускаемое напряжение равное 77,2 МПа или 5 т/кв.дюйм. Получено это значение было при различных испытаниях ковкого чугуна, при получении среднего максимального напряжения равного 20 т/кв.дюйм и последующим делением полученного значения на 4, что и предусматривало определенный запас прочности. В 1909 году Совет Лондонского Графства выпустил первые в Великобритании нормы проектирования зданий и сооружений со стальным каркасом, в котором и был утвержден коэффициент запаса равный 4, считавшимся приемлемым для того времени. Для стали британские нормы проектирования устанавливали допускаемое напряжение равное 115,8 МПа. Однако при расчете устойчивости сжатых колонн коэффициент запаса был принят намного большим (до 10) ввиду существенного влияния неизбежных несовершенств изготовления и монтажа [45].

В Российской Империи в 1896 году вышел первый отечественный нормативный документ «Урочное положение Московской губернии», в котором

10

,|1! 1 Ж *

> ¡1' { Л I, I 'ЙьЦ! V 1

I

¡и и

Л'

V»

■ 'Л!»

■» I

I I

I 1 1 Л

I »'(.»ч г

1 И , 1,'

»1 (

1 ¡А

, I

1.М1 < , : \

г М-/ Ч I

, ,, ¡(/'о*

„ V ^ '

V «1'

,, Ч,

V у

10 «'I1'

1ч1 А'"

I I V * 1

I Л

зафиксированный коэффициент запаса прочности определялся как отношение фактической прочности к допускаемому напряжению. При формировании требований к расчету и проектированию различных типов конструкций метод допускаемых напряжений был основой в «Единых нормах строительного проектирования», выпущенный в 1930 году в СССР. До 90-х годов прошедшего столетия этот метод был в основе нормативных документов по проектированию строительных конструкций Западной Европы, США и Канады.

Метод допускаемых напряжений имел ряд существенных недостатков. При проектировании по этому методу работа строительных материалов в конструкциях рассматривалась лишь в упругой стадии. Пластические свойства материалов практически не были учтены. При этом также не учитывалась фактическая работа таких комплексных материалов, какими являются, например, железобетон или каменная кладка, компоненты которых имеют различные механические характеристики и в соответствии с этим в различной степени и с различной быстротой теряют свою несущую способность. Эта ситуация усугублялась единым (одинаковым) коэффициентом запаса для всех видов конструкций из данного конкретного материала.

Это поспособствовало для разработки иного, более совершенного, метода, который способен учитывать пластическую работу материала для определенных схем разрушения, устанавливаемых испытаниями различных конструктивных элементов. Таким образом, в начале 30-х годов прошедшего столетия группа таких советских ученых, как А.Ф. Лолейт, A.A. Гвоздев и другие, в результате проведенных исследований разработала метод, который учитывает упругопластические свойства железобетона и назван методом расчета сечений по разрушающим нагрузкам. В СССР в нормах проектирования и в технических

условиях железобетонных и каменных конструкций этот метод был закреплен в 1938 году [40].

Метод более правильно отражает действительную работу сечений конструкции под нагрузкой и являлся серьезным развитием в теории сопротивления железобетонных конструкций. Основными преимуществами этого метода являлись: возможность определения общего коэффициента запаса прочности, близкого к действительности; в ряде случаев расход арматуры получался меньшим по сравнению с расходом при расчете методом допускаемых напряжений. Однако такой подход расчета с общим коэффициентом запаса не учитывал возможные отклонения действительных нагрузок и механических характеристик материала. Тем не менее, это был крупный шаг в развитии теории расчета конструкций.

Таким образом, общим недостатком обоих рассмотренных выше методов являлось использование единого коэффициента запаса, который не мог учитывать весь комплекс факторов, влияющих на фактическую работу конструкции. К тому же метод расчета по разрушающим нагрузкам хоть и позволял достоверно определять прочность конструкции, тем не менее не давал возможности оценить ее работу на стадиях, предшествующих разрушению, в частности при эксплуатационных нагрузках. Хотя стоит отметить, что в тот период исследователям не было необходимости решать подобную задачу, так как применяемые материалы (сталь и бетон) обладали относительно низкой прочностью, конструкции были массивными с развитыми сечениями, таким образом, прогибы в конструкциях были небольшими, а их нормальная работа была практически полностью обеспечена. Однако в дальнейшем в практику были внедрены бетон и арматура более высокой прочности, что позволило уменьшить сечения. Это привело к снижению жесткости конструктивных элементов, прогибы

12

^ >

" К +1 \ Л

I * I

< с

! '

I гч

I' *

от действительных нагрузок оказывались значительными, что во многих случаях препятствовало нормальной эксплуатации конструкций. К тому же, встала проблема коррозии, к которой очень восприимчива сталь высокопрочной арматуры, при раскрытии трещин в бетоне. Все перечисленные выше факторы и недостатки применявшихся методов потребовали дальнейших исследований и совершенствований методик расчета конструкций.

Таким образом, в 50-х годах 20 века был разработан метод предельных состояний, основанный на исследованиях Н.С. Стрелецкого, В.А. Балдина, A.A. Гвоздева, И.И. Голь