ГлавнаяВ связи с данным определением необходимо отметить различие между расчетными и фактическими нагрузками, действующими на сборную строительную конструкцию. Они совпадают по величине при расчетных значениях, равных условиям фактической работы, что для типовых конструкций возможно как крайний случай. Обычно фактическая нагрузка по величине меньше расчетной, что означает не исчерпание ее несущей способности. В исключительных случаях (при ошибках) фактическая нагрузка по величине может быть больше расчетной, что ведет к разрушению конструкции.
При сборе нагрузок на несущие конструкции учитывают возможные: виды этих нагрузок, их нормативные значения, характер распределения по грузовой площади, нормативные сочетания, изменение на различных стадиях «жизни» (изготовление, монтаж, транспортировку, проектное положение и т.д.) и др. Величины расчетных нагрузок корректируются коэффициентами надежности относительно нормативных величин по условиям работы, однородности материалов, другими видами поправок, примечаний, ограничений и т.п. Учет такого многообразия условий, обеспечивая максимальное приближение к возможной реальной работе конструкции, фактически соответствует «индивидуальному» проектированию. То есть тщательная детализация в сборе нагрузок методически не отвечает типовому проектированию, призванному обеспечивать серийное производство сборных изделий для ИСС, работающих в различных условиях (точнее, в определенном диапазоне расчетного параметра - нагрузки).
При методике расчета конструкций по предельным состояниям создается мнимое представление о предельно возможном исчерпании их несущей способности в здании, сооружении. Однако в номенклатуре конструкции одного типа и разных типоразмеров по несущей способности образуют дискретный ряд, который не обеспечивает экономии материала (обычно дает его перерасход), поскольку они соответствуют наибольшему нагружению в широких пределах области их использования. Однако в этой области конкретные условия чаще дают меньшее нагружение.
Таким образом, имеет место противоречие. Индустриальное производство требует обоснованного огрубления в расчете, поскольку без этого типовое проектирование «индивидуализирует» стандартные конструкции и приводит к увеличению номенклатуры их типоразмерых рядов, а также к сужению области использования. Однако при этом закладывается серийный перерасход материалов.
Объемно-планировочная «гибкость» зданий обеспечивается укрупнением геометрических парам между их опорными конструкциями. Следовательно, она обеспечивается архитектурными решениями, т.е. фактически параметрами строительных конструкций, соответствующими этим решениям. Тогда конструктивнофункциональная «гибкость» конструкций практически отсутствует при их соответствии предельным параметрам инженерных расчетов. Строже соответствуя понятию можно отметить, что «гибкости» (как вариабельности) в таких объемно-планировочных решениях практически нет.
Аналогично возникает огрубление в расчете строительных конструкций, которое связано с обобщенной модульной системой. Последняя включает в себя дополнительно к укрупненным геометрическим еще параметры грузовые и несущей способности.
Предлагаемое огрубление расчета за счет модульности в нагрузках и несущей способности не означает исключение учета перечисленных выше особенностей, содержащихся в строительных нормах. Их учет - необходимая часть на начальном этапе проектирования типовых конструкций, делающая расчетчика «зрячим» по отношению к реально возможным условиям работы. Однако на последующем этапе может быть проведено модулирование строительных конструкций по несущей способности, подобное укрупненному объемно-планировочному модулированию.
Стрелецкий Н.С. считал, что предложенный им принцип концентрации материала в строительных конструкциях не является ведущим принципом типизации; его следует заменить принципом упрощения формы и компоновки. Если принять, что геометрическая модульная координация в строительстве (МКРС) обеспечивает упрощение компоновки, то можно предположить, что грузовая и силовая модульная координация упрощает конструктивную форму по содержанию, а обобщенная модульная координация (OMKC) дает упрощение в обоих отношениях. Понятно, что последнее приведет к дополнительному перерасходу материала, неизбежному при отдельном упрощении компоновкой, т.е. при геометрической унификации.
Экономический эффект при унификации конструкций состоит в компенсации затрат на перерасход материала снижением стоимости изделий за счет их массового серийного производства. Упрощение же за счет модульности нагрузки и несущей способности конструкций обеспечивает дополнительную «гибкость» сборных ИСС в различных отношениях. В конечном счете, обобщенная модульная система может быть не только технически целесообразной, но и экономически приемлемой.
Обобщенный модульный принцип приобретает наиболее высокий уровень, поскольку основан на взаимосвязи геометрической, грузовой и силовой модульных подсистем, обеспечивающих всестороннюю вариабельность ИСС с использованием сборных конструкций.
Источники «резервов» несущей способности. Для типовых строительных конструкций причиной превышения проектного напряженного состояния относительно фактического являются конкретные факторы. Знание их необходимо для проверочных расчетов при использовании методов разнозаменяемости, например, при выборе типовых конструкций для конкретных условий работы методами исчерпания или компенсации их несущей способности. Для этого отметим методическую сторону данного расхождения, принципиальная суть которого заключена в унификации.
Один из конкретных источников резерва несущей способности — несовпадение унифицированных рядов в исходных данных расчетов с расчетными значениями соответствующих им величин. К таким рядам относятся значения расчетного сопротивления материалов различных марок и классов, нагрузок и воздействий, в частности, кратковременных - снеговых и ветровых.
Другой источник находится в сортаментах на материалы и изделия (стального проката, гнутого профиля, кирпича, арматуры и др.). Например, двутавры имеют площади сечений с шагом параметрического ряда от 12 до 18% по сечению; в круглой стали такой шаг составляет около 8,5%.
Очень крупны шаги рядов унификации между нормативными значениями нагрузки от снегового покрова, которые составляют от 20 до 50% относительно предыдущего значений; для нагрузки от давления ветра они составляют от 13 до 36 %; для значений расчетных нагрузок на перекрытия зданий различного назначения - от 25 до 215% (табл. 3.5.2), а на покрытия производственных зданий - от 11 до 55% (табл. 3.5.3).
Дополнительным источником возможности превышения расчетной несущей способности типовых конструкций является дискретный ряд типоразмеров самих конструкций, определяемый стремлением уменьшить номенклатуру и, тем самым, увеличить объемы серийных партий изделий. Например, плиты покрытий размерами 6x3 м с.1.465 имели шаг в общем расходе арматуры до 12%. В сортаменте колонн с.1.423-3 для зданий без мостовых кранов смежные типоразмеры колонны имели различие в общем расходе арматуры в 2,2 раза.
Одна из весомых причин рассматриваемого явления заключается в величинах модульных грузовых площадей, шагов и пролетов зданий, характеризующихся укрупненными унифицированными рядами, как правило, превышающими технологически необходимые величины.
Основным показателем для выявления недогружения конструкций является расхождение между расчетными и фактическими значениями нагрузок. Возможен учет несоответствия между требуемым и полученным напряжением, которое возникает из-за недостаточно тонкой градации сортаментов строительных материалов и по другим причинам. Для реализации избытка несущей способности конструкции в этих случаях необходимы данные о расчете конструкций по проектной документации.
Источником резерва несущей способности может быть замена конструктивных слоев в ограждающих элементах на более эффективные, а также упрощение состава покрытий, например, исключением традиционной кровли, тяжелого утеплителя и т.п.
Геометрическая модульная подсистема - одна из составных частей обобщенной модульной системы (образующая частное целое), которая связана с линейными, плоскостными и объемными размерами конструктивных элементов и архитектурно-строительных систем из них, а также с их соизмеримостью и координацией.
Подсистема состоит из стандартной мкрс в полном объеме и дополнена положением настоящего издания об укрупненно-дробных геометрических параметрах элементов и систем.
Таким образом, обобщенная модульная система (координация) содержит через геометрическую подсистему все стандартные и нормативные положения общепринятой МКРС - определение основного модуля, его производные (укрупненные и дробные) значения, категории размеров типовых сборных конструкций и их положения в зданиях, сведения о допусках размеров и классах точности строительных изделий, определения унификации и типизации, в том числе, понятие о взаимозаменяемости сборных конструкций.
Однако данные положения в обобщенной модульной системе содержатся в методологической экспликации с соответствующим распространением на перечисленные выше нормативные основы свойств разно- и амбизаменяемости сборных элементов в отношении ту на геометрические параметры.
Грузовая модульная подсистема - одна из составных частей обобщенной модульной системы (образующая частное целое), которая взаимосвязана с внешними нагрузками и воздействиями на конструктивные элементы и архитектурно-строительные системы из них, а также с их соизмеримостью и координацией.
Данная подсистема предназначена для проведения инженерных расчетов несущих конструкций зданий, сооружений по предельным состояниям и содержит нормативные значения нагрузок, ранжированные в унифицированные ряды. Нагрузки выражены в модульных эквивалентных суммарных величинах (от различных видов нагрузок). В соответствии с грузовой модульной подсистемой, включающей в себя геометрическую подсистему через грузовые площади, рассчитывают усилия в конструктивных элементах систем согласно их расчетным схемам.
В величинах нагрузок и воздействий, применяемых по строительным нормам при наличии в них градации от минимальных до максимальных значений, отсутствует кратность какой-либо начальной величине - модулю. Принимая основной модуль нагрузки Mн одинаковым от снегового покрова Mс, от давления ветра Mв и полезной нагрузки на перекрытия и покрытия Mп равным Mн = 100 Па, переведем нормативные значения этих нагрузок в модульное выражение, а затем — в унифицированные ряды (табл. 3.5.1, 3.5.2).
В табл. 3.5.1 модулированы и унифицированы нормативные нагрузки от снегового покрова и давления ветра, приведенные в СНиП 2.01.07-85; в табл. 3.5.2 - временные нагрузки на перекрытия и покрытия. Здесь ряды имеют следующие шаги: от снегового покрова -2,5 Мн, далее 5 Mн; от давления ветра - 0,5Мн, далее 1,0 Мн, затем 1,5 Мн; на перекрытия и покрытия - 2,5 Мн, 5 Mн и 10 Мн. Эти таблицы приведены в качестве иллюстраций возможных грузовых модульных подсистем.
Значения нагрузок от веса снегового покрова и давления ветра по строительно-климатическим районам, величины собственной массы строительных конструкций, различных конструктивных вариантов решений перекрытий и покрытий, а также функционально-технологических нагрузок на них (людей, мебели или оборудования, материалов, малых средств механизации и т.д.) дают определенные диапазоны значений от минимального до максимального. Поэтому в типовом проектировании используют параметрический ряд значений расчетных нагрузок в возможном диапазоне изменения, по которому определяют число типоразмеров несущих конструкций одного функционального назначения по несущей способности.
По унифицированным рядам нагрузок от снегового покрова и от давления ветра интерполяцией могут быть уточнены на карте ареалы, соответствующие модульной методике нормирования нагрузок. Однако при любом методическом начале нормативные величины нагрузок имеют «скачки» в значениях, равные шагу параметрических рядов, что не соответствует естественным условиям. Понятно, что один шаг ряда - это, как минимум, один типоразмер строительной конструкции по несущей способности.
Поскольку в расчетах, приведенных далее, используются не нормативные, а расчетные значения нагрузок, полученные модульные унифицированные ряды нарушаются из-за различных коэффициентов - надежности, аэродинамических и др. Поэтому практически можно пользоваться унифицированным рядом значений суммарных модульных расчетных нагрузок на покрытия с эквивалентным учетом в расчетных усилиях строительных конструкциях давления ветра, приведенного в табл. 3.5.3.
Тогда в модульной методике расчета «мешает» нагрузка на здание от давления ветра, являющаяся горизонтально направленной и обычно принимаемая как равномерно распределенная (при высоте здания до 10 м над поверхностью земли для местности типа А).
Положение о равномерно распределенном давлении ветра не соответствует в данном случае реальной работе, поскольку стеновое ограждение в пределах этажа является жестким и передает нагрузку от ветра на каркас не по криволинейной эпюре, а двумя сосредоточенными силами (рис. 3.5.1). Это обусловлено высотой панели, равной высоте этажа, толщиной и армированием панели, зазором между колонной и стеной, а также креплением панели в крайних точках по высоте.
С приведенным уточнением для инженерных расчетов можно принять ряд суммарной нагрузки на покрытие по табл. 3.5.3, в которой натуральные значения совпадают со значениями, применяемыми в проектировании. Однако методически они отличаются тем, что:
• содержат эквивалентные нагрузки от давления ветра через соответствующую долю в расчетных усилиях рамы;
• соответствуют по давлению ветра климатическим районам;
• дополнительно имеют модульное выражение величин;
• включают собственную массу конструкции покрытия.
Модульной методикой воспользуемся для проведения укрупненного конструктивно-компоновочного расчета плоскостных трехшарнирных или других рам и арок с вариабельными структурными, геометрическими и силовыми параметрами. При заданном ряде модульных значений приведенной расчетной нагрузки на покрытия образуется ряд типоразмеров каркасных зданий различных конструктивных схем. В обобщенной модульной системе изменения в величинах нагрузок расчетных схем относительно типовых учитываются в эквивалентной форме и отражаются:
• выбором типоразмера конструкции с несущей способностью, соответствующей следующему значению расчетных нагрузок в ряде (влево или вправо) по табл. 3.5.3;
• увеличением или уменьшением шага (пролета) конструкций;
• увеличением или уменьшением массы покрытия.
Изменения нагрузок в расчетной схеме, тем не менее, могут дать некоторую недогрузку или перегрузку конструкций из-за грубой дискретности модульного шага структурных, геометрических и грузовых парам. Тогда возможно получение экономии материалов, применением соответственно методов исчерпания (избытка) или компенсации (недостатка) несущей способности. Эти методы — дополнительные возможности применения типовых конструкций при их «нестандартном» применении или нетиповом (оригинальном, творческом) проектировании ИСС.
Метод исчерпания более применим из-за тех особенностей типового проектирования, которые являются источниками несоответствия расчетных и фактических условий работы конструкций. Метод компенсации менее возможен, т.к. недостаток несущей способности -следствие ошибки проектирования. Здесь же этот метод приводится в аспекте расширения возможностей стандартных конструкций путем повышения их конструктивно-функциональной «гибкости».
Таким образом, рассматриваемая методика обеспечивает, с одной стороны, учет возможных нагрузок, а, с другой - упрощение расчета при использовании номенклатуры сборных изделий методом каталогов, а с третьей - разрешается противоречие между «индивидуальной» работой стандартных изделий и типовым проектированием.
Грузо-геометрическое соотношение модулей. Исходя из положений МКРС, в которой основной модуль M = 100 мм, примем за основной модуль грузовой площади Mг горизонтальную площадку - квадрат со стороной, равной М: Mг = 100 см2 = 10в2 см2.
В геометрической модульной системе значения укрупненных модулей теоретически обоснованы основными свойствами натуральных чисел. На поле модулированных чисел согласно этому обоснованию приняты оптимальные значения 6, 12 и 30, 60. Эти значения кратны всем возможным значениям укрупненных модулей, основанных на совершенном числе 6. Соответственно оптимальным модулированным числам получим ряд укрупненных модулей грузовых площадей: 6*10в2, 12*10в2 и 30*10в2, 60*10в2 см2.
Наименьшее рекомендуемое значение укрупненного модуля в геометрической системе УМ = 60 см; аналогично наименьшее значение укрупненного модуля грузовой площади в виде полосы 60х10 см УМг = 600 см2, т. е. 6*10в2 Мг или в виде квадрата 60x60 см УМг = 36*10в2 Mг. Такие значения укрупненных модулей определяют возможную грузопланировочную «гибкость» решений, поскольку шаги и пролеты каркасно-панельных зданий кратны УМг как производной УМ = 60 см. Эти значения допускают при необходимости наибольшее дробление грузовых площадей, при этом числа 6*10в2 и 12*10в2, а также 30*10в2 и 60*10в2 попарно связаны простым удвоением, как и в исходной геометрической системе. Наконец, числа 6*10в2, 12*10в2 и 30*10в2 являются также делителями наибольшего числа 60*10в2 этой группы чисел.
Математическая обоснованность указанного ряда чисел и взаимозависимость геометрической модульной системы с обобщенной делают целесообразным принятие в качестве основного модуля нагрузки на грузовую модульную площадь Mн = 100 ед. (кН/м2, МПа). Тогда производными модульными нагрузками от 60 Mн будут 6Мн, 12Мн, 30 Мн.
Общие выражения укрупненной модульной нагрузки, приходящейся на укрупненную модульную грузовую площадь в вертикальной и горизонтальной плоскости QМВ и QМГ согласно рис. 3.3.1 имеют вид:
где Mг, Mн - соответственно модули грузовой площади, нагрузки;
h, l, b - целые числа, кратные 6 и равные по величине модульным высоте, пролету, шагу;
qс, qн - целые числа, кратные 6 и равные по величине модульным нагрузкам от давления ветра, массы покрытия и нагрузки на него (см. выражение 3.4.2).
Для зданий небольшой высоты (до 10 м) нагрузка, соответствующая выражению (3.5.1), приводится к эквивалентной вертикальной нагрузке в виде приращения соответствующей доли усилий в элементах рамы, как отмечалось выше.
Из выражения (3.5.2) следует, в частности, что для каркасов:
• однопролетных одноэтажных зданий модульные нагрузки для крайних и средних колонн составляют соотношение:
т.к. в таком соотношении находятся их модульные грузовые площади в связи с делением крайнего шага пополам - (b/2)Мг;
• многопролетных одноэтажных зданий модульные нагрузки для угловых (индекс - уг), крайних (кр) и средних (ср) колонн составляют соотношения:
при этом крайние в торце и крайние в ряду колонны имеют одинаковые модульные нагрузки, поскольку (Мгb/2) l = (Мгb) l/2;
• многоэтажных многопролетных зданий модульные нагрузки на угловые, крайние и средние колонны верхнего этажа находятся в таком отношении, как и предыдущие (3.5.4), а на нижних этажах для колонн тех же положений:
где n - число этажей, условно принимая нагрузки на перекрытия и покрытие одинаковыми на всех этажах.
Выражения (3.5.3)—(3.5.5) и (3.4.12)—(3.4.17) по вариабельности сборных ИСС в OMKC согласуются между собой.
Если принять за единичное значение грузовую площадь, приходящуюся на наименее нагруженную колонну
то общая нагрузка на любую колонну может быть записана в виде:
где n1 - число грузовых площадей, приходящихся на колонну;
n2 - число этажей в каркасе.
Выражение (3.5.7) дает дополнительную вариабельность обобщенной модульной системе за счет количества модульных колонн с одинаковой и минимальной модульной несущей способностью согласно наименьшему общему кратному в модульном выражении. Этим выражением воспользуемся при решении задач по унификации несущих конструкций, в том числе, для получения «идеального» решения - исключить перерасход материалов в колоннах многоэтажного здания при одном типоразмере колонны по несущей способности на всех этажах.
В частности, если количество колонн на этаже отнести к площади их сечения, получим выражение вариабельности каркаса в обобщенной модульной системе по числу колонн с модульной единичной несущей способностью на любом этаже при постоянной нагрузке на грузовую площадь; вариабельной будет площадь сечения колонны:
Из выражения (3.5.8) можно получить количество типоразмеров колонн, равное 1, для здания с любым количеством пролетов, шагов и этажей, когда колонна имеет «единичную» несущую способность:
Силовая модульная подсистема как третья составляющая по логике обобщенной ОМКС может образовываться величинами максимальных внутренних усилий в элементах и их предельных деформаций. Расчетная несущая способность при этом ранжировалась бы по «собственным» модульным рядам такой подсистемы.
Однако разный порядок величин усилий и деформаций, их разнородность, многократное модулировние и т.п. вызовет дополнительный, весьма существенный перерасход конструкционных материалов, что в экономическом отношении, очевидно, не целесообразно. Поэтому практически под силовой модульной подсистемой, обеспечивающей соизмеримость и координацию несущих элементов в ИСС, можно рассматривать их расчетную несущую способность от приложения к ним модульных внешних нагрузок на модульные грузовые площади, образуемые модульными габаритными параметрами ИСС.
Соответственно за модуль несущей способности элементов в ИСС как меру их несущей способности, принятой за единицу, можно принять результаты инженерных расчетов по нормативной методике. Такая несущая способность тоже является величиной соизмеримости элементов в ИСС как составных системах или макросистемах (в номенклатуре элементов при «открытой» унификации). При этом фактическую несущую способность элементов может приравняться к ближайшим величинам унифицированного модульного ряда, кратным 3Mc: например, 6Mc, 9 Mc, 12 Mc и т.д., где Mc - основной модуль несущей способности силовой модульной подсистемы, равный 100 ед.
С силовой модульной подсистемой появляются большие возможности по архитектурно-конструктивной, объемно-планировочной, архитектурно-композиционной и другой «гибкости» (как вариабельности, а не свободной планировки) полносборных и комбинированных со сборными элементами ИСС.
Из выражения (3.4.2) следуют частные случаи проектирования модульных строительных конструкций ИСС:
когда нагрузка на строительную конструкцию остается постоянной при вариабельных геометрических и грузовых параметрах;
когда нагрузка на конструкцию изменяется при вариабельности или постоянстве остальных парам.
Неаддитивность вызвана нелинейным влиянием приращений нагрузки на работу несущих элементов, в частности, на продольную гибкость, местную устойчивость. Такое влияние в определенной мере может компенсироваться соответствующими конструктивными мероприятиями, т.е. возможно приведение неаддитивных условий работы несущих элементов к квазиаддитивным. Таким образом, выражения (3.5.10), (3.5.11) являются критериальными условиями характеристики сборных ИСС в отношении аддитивности их модульных АКТ-решений в OMKC.