ГлавнаяРазличают расчеты на силовые нагрузки и физические воздействия, т.е. расчеты, связанные соответственно с деформационно-прочностными свойствами материалов несущих конструкций и физико-техническими свойствами материалов ограждающих конструкций (теплотехническими, паро-, воздухоизоляционными и др.). Первые являются областью строительной механики, вторые - строительной физики.
Разнозаменяемые конструкции многозначны по применению и находятся в более сложном взаимодействии (относительно взаимозаменяемых) механических и физических свойств материалов. Поэтому необходимый состав пакета расчетов также взаимосвязан и предопределяется конкретным множеством различных назначений заданной номенклатуры сборных изделий. Примером может быть проектирование панелей и плит УСП сборно-разборных зданий.
В инженерных расчетах разнозаменяемых сборных конструкций при учете сочетаний нагрузок так же, как и при расчетах взаимозаменяемых, вводятся те же коэффициенты надежности. Специфика здесь состоит в том, что виды и состав нагрузок являются разными для одной и той же конструкции, поскольку эта конструкция предназначена для применения в различных ИСС. В связи с этим необходим учет всех предполагаемых вариантов работы конструкций каждого типа и типоразмера на все виды нагрузок, возможных во всех вариантах их использования.
Варианты нагружения, учитывающие условия возведения и эксплуатации при неблагоприятных частичных или полных схемах сборных и других ИСС, также учитывают при проектировании разнозаменяемых конструкций. Это правило отражает многовариантность условий их работы в какой-либо системе и в ряде возможных систем, где они применяются по разнообразию расчетных схем, схем нагружения, видов нагрузок и т.п., при которых может работать каждая отдельно взятая разнозаменяемая конструкция.
При одновременном действии нескольких временных нагрузок расчет конструкций, как по первой, так и по второй группе предельных состояний выполняется с учетом наиболее неблагоприятных сочетаний этих нагрузок и соответствующих им усилий. Сочетания нагрузок устанавливают, исходя из предусмотренных вариантов их одновременного действия и возможных изменений схем их приложения (например, при «нестандартном» применении).
Данные варианты более многообразны для разнозаменяемых конструкций. Они зависят не только от объективных условий (природно-климатических парам, технологических требований, функционального назначения и т.д.), а и от замысла проектировщика относительно возможных комбинаций разнозаменяемых конструкций и расчетных схем ИСС в отдельности. В этом случае усложняется методика расчета, которая должна отвечать более высоким требованиям к разно-заменяемым конструкциям - многофункциональности использования, многоцелевому назначению и универсальности совокупности свойств.
Данная особенность практически может реализоваться множеством частных методик расчета для конкретных групп разнозаменяемых конструкций (примеры расчетов для конкретных АКТ-решений были приведены выше), тем более многообразных, чем более сложен замысел возможных форм реализации разнозаменяемости как принципа, методов и свойства. Это многообразие, тем не менее, не исключает характерных рекомендаций.
В частности, при комбинировании разнозаменяемых конструкций в различных самостоятельных системах возможны изменения расчетных схем, предполагаемых при эксплуатации. Поэтому необходим контроль над соблюдением устойчивости, геометрической неизменяемости, работоспособности определенно заданных и предполагаемых систем. Такая возможность в ИСС из взаимозаменяемых конструкций исключается, поскольку заранее безошибочно заданная расчетная схема при проектировании обычно сохраняется на разных этапах: строительства, транспортировки реконструкции и эксплуатации.
Характерным при проектировании ИСС из разнозаменяемых конструкций может быть решение обратной задачи при расчете. Имея множество конструкций, используемых независимо друг от друга и рассчитанных как взаимозаменяемые, бывает необходимо определить предельные изменения расчетных парам, которые они способны выдержать при взаимодействии в качестве разнозаменяемых конструкций, например, в условиях «нестандартного» применения типовых конструкций - по другому назначению, в иных схемах и т.п.
В методике расчета разнозаменяемых строительных конструкций целесообразно выявление «базисных» расчетных схем и их парам, при которых хотя бы одна из конструкций принятого типа и типоразмера работает в экстремальных условиях. Совокупность всех базисных расчетных схем с их параметрами должна составлять полный набор экстремальных условий для всех типов и типоразмеров принятой номенклатуры разнозаменяемых конструкций. Такой прием гарантирует отсутствие какого-либо варианта с использованием хотя бы одного типоразмера изделия, неучтенного в экстремальных условиях его работы.
На рис. 5.5.1 приведена совмещенная схема базисных расчетных схем для разнозаменяемых стеновых панелей (их стоек) и плит покрытий (их ригелей), предназначенных для УСП сборно-разборных зданий. В этой схеме имеется любой тип и типоразмер из комплекта конструкций, который находится в наихудших условиях работы по величине изгибающего момента и относительного прогиба при расчетных значениях нагрузок, их видов и сочетаний по СНиП. В связи с этим, нет необходимости рассчитывать все 18 схем с размерно-подобными модульными параметрами, а достаточно 5 из них. Схема 1 дает экстремальные условия для При проектировании по принципу разно-заменяемости должны учитываться нагрузки, возникающие на стадиях эксплуатации и возведения зданий, а также на стадиях изготовления, хранения и транспортировки конструкций, как и при проектировании по принципу взаимозаменяемости.
Аналогично имеют место особенности расчета конструкций на физические воздействия (теплотехнические, светотехнические и др.) в зависимости от характера их функционирования, заданных технических требований использования и т.д. Реализация амбизаменяемости сборных элементов может быть различной и соответственно ей определяется совокупность конкретных методик расчетов (их пакет).
Таким образом, особенностями расчета разнозаменяемых элементов на силовые нагрузки и физические воздействия являются:
• «индивидуальность» подхода соответственно конкретным формам реализации принципа разнозаменяемости;
• взаимозависимость различных видов расчетов;
• всесторонний анализ возможных комбинаций взаимодействия разнозаменяемых изделий между собой;
• выявление и систематизация базисных расчетных схем для расчета соответствующих им типоразмеров конструкций в экстремальных условиях работы;
• контроль работоспособности возможных рабочих схем;
• приведение взаимосвязанного пакета расчетов (статических, кинематических и др.) схем и отдельных конструкций принятых типов на возможные виды нагрузок, воздействий и их сочетаний;
• использование нормативных исходных данных,расчетных формул и методических положений, применяемых для расчета типовых взаимозаменяемых конструкций как составной части расчета разнозаменяемых конструкций.
Методика расчета и проектирования ИСС с разнозаменяемыми конструкциями может дополняться учетом ОМКС, включающей наряду с геометрической МКРС еще грузовую и силовую (по несущей способности), а также другие модульные подсистемы. При этом в состав особенностей методики расчета включаются еще и положения по:
• модульной несущей способности строительных конструкций;
• модульным характеристикам (тепло-, светотехническим и др.) архитектурных конструкций;
• модульным параметрам функциональных, технологических, объемно-планировочных, градостроительных и других сторон проектирования.
Оценка уровня унификации и типизации. Для характеристики типовых сборных зданий и сооружений используют коэффициенты сборности, унификации и типизации объемно-планировочных и конструктивных решений одного (объектная оценка) или групп однотипных и разнотипных зданий и сооружений (внутриплощадочная оценка). Такие показатели определяют соотношением сметных стоимостей (трудозатрат, массы материала) оцениваемых групп конструкций и их общего количества в объекте или в комплексе объектов. Уровень межвидовой унификации аналогично определяют для нескольких типов сборных зданий и сооружений по среднеарифметическому значению унификации входящих в комплексный объект зданий и сооружений.
Данная методика показательна для организационно-технологической характеристики строительного производства. Для анализа уровня унификации и типизации в архитектурно-строительном проектировании она недостаточна, поскольку не дает оценки эффективности разрабатываемых конструктивных решений сборных ИСС по их многообразию и номенклатуре элементов.
В машиностроении используется оценка уровня унификации, в которой за коэффициент унификации принимается отношение числа унифицированных изделий Zу к общему числу изделий z:
Коэффициент унификации может определяться также по стоимости и по массе соответствующих групп изделий.
Коэффициентом повторяемости ηП как отношением числа наименований изделий Nн в системе к общему числу изделий N в ней оценивается степень внутренней унификации:
Образование в разных ИСС одинаковых изделий для увеличения серийности партий достигается типизацией их формы, материала и унификацией размеров (например, косынок, средников, разъемных деталей в панелях и плитах УСП сборно-разборных зданий). Это приемлемо для однотипных металлических, деревянных и других составных конструкций разных типоразмеров, что повышает уровень унификации комплектов изделий в организационно-технологическом отношении. К ним применимы выражения (5.5.1) и (5.5.2), поскольку во множестве одинаковых деталей для разных составных конструкций отражаются свойства взаимо- и разнозаменяемости, т.е. амбизаменяемости.
Для строительных конструкций (не только составных), обладающих свойством разнозаменяемости, и систем, образуемых методами разнозаменяемости, необходимы дополнительно показатели, характеризующие уровень комбинаторности изделий и вариабельности систем из них. Методика оценки должна отражать поисковую, творческую результативность проектирования.
Для сборных ИСС, основанных на принципе разнозаменяемости, приемлемыми являются коэффициент унификации и коэффициент комбинаторности номенклатуры типоэлементов. Коэффициент унификации определяется как отношение числа разновидностей унифицированных типоэлементов nу к общему числу типов элементов в составе номенклатуры и аналогично выражению (5.5.1):
Для систем с комбинируемой номенклатурой элементов показательным является коэффициент комбинаторности как отношение общего числа образуемых на ее основе разновидностей сложных систем nк к числу типов элементов номенклатуры nу.
Уровень комбинаторности типоэлемента характеризуется числом разновидностей систем, образуемых с участием этого элемента и частотой его применения при этом, т.е. повторяемостью использования аналогично выражению (5.5.2). Когда номенклатура состоит из типоэлемента одного вида, показатели уровня комбинаторности номенклатуры и типа элемента совпадают. По существу, коэффициент комбинаторности отражает формальную разнозаменяемость по результату вариантного метода проектирования.
Коэффициент комбинаторности (5.5.4) может включать взаимодействие разнозаменяемых конструкций, элементов и деталей методами разнозаменяемости (не только комбинаторным, но и другими методами). При оценке эффективности новых систем необходима еще сравнительная характеристика с существующей номенклатурой из взаимозаменяемых изделий, чего таким коэффициентом определить непосредственно нельзя.
Для оценки результативности проектирования и эффективности разнозаменяемых систем необходимы два показателя: коэффициент абсолютного многообразия и коэффициент относительного многообразия использования сборных элементов в ИСС.
В сравнении сборных (и других с применением сборных элементов) исс исходим из сопоставления взаимо- и разнозаменяемых номенклатур, которыми эти системы обеспечиваются. Было показано, что при разнозаменяемости необходимо меньше типов и типоразмеров элементов, чем при взаимозаменяемости. Для соизмеримости результатов необходимо количество вариантов систем условно уравнять через эквивалентность (индекс - экв) количества типов и типоразмеров элементов в сравниваемых системах, приняв NВэкв = Nр, где n - число вариантов систем соответственно со взаимо- и разно- заменяемыми элементами (индексы - в,р).
При оценке новых ИСС показательно сравнение суммарного количества типов и типоразмеров конструкций, элементов и деталей относительно их максимальных комбинаторных возможностей, т.е. относительно количества вариантов Np, что соотносит одновременно и с количеством вариантов NВэкв соответственно принятому условию.
Тогда коэффициент абсолютного многообразия использования номенклатуры элементов в системах можно определить так:
где nр, mр - тип, типоразмер разнозаменяемых элементов;
i,j - число типов, типоразмеров соответствующих элементов.
Коэффициент относительного многообразия номенклатуры элементов в системах выражается соотношением множеств взаимо- и разнозаменяемых типов и типоразмеров элементов:
где nВ, mВ - соответственно тип и типоразмер взаимозаменяемых элементов.
Коэффициент КРабс содержит количество комбинаций составных систем из амбизаменяемых элементов, поскольку при определении Np или NВэкв учитываются все возможные варианты решений, обеспечиваемые известными методами и свойством заменяемости. Данный коэффициент показывает, во сколько раз снижается количество типов и типоразмеров (многообразие номенклатуры) элементов благодаря разнозаменяемости при эквивалентном результате, получаемом типовыми взаимозаменяемыми элементами. Количественно многообразие получаемых составных систем оценивается непосредственно.
Коэффициентами КРотн и KРабс может оцениваться область виртуального применения типовых изделий методом «нестандартного» применения в новых системах или условиях работы и эффективность других методов разнозаменяемости. Возможна также оценка эффективности отраслевой Номенклатуры разнозаменяемых изделий для отраслевого Каталога при их формировании на основе экспликационной методологии проектирования.
Приведем примеры оценки многообразия использования номенклатуры разнозаменяемых элементов в ИСС по предложенной методике.
Пример 5.5.1. Относительное многообразие УСП сборно-разборных зданий шахтной поверхности характеризуется такими исходными данными: для получения 18-ти типоразмеров УСП 6-ти типов каждого из взаимозаменяемых элементов необходимо 4 типа по 3 типоразмера разнозаменяемых элемента. Значит, nВ = 18, mВ = 6, nР = 4, mР = 3. Тогда по выражению (5.5.6)
То же конструктивное решение при NP = 126 (общее количество вариантов УСЦ), nPi = 3, mPi = 3, nPj = 3, mPj = 1 (количество типов и типоразмеров одно- и разноименных разнозаменяемых элементов) дает по выражению (5.5.5)
При введении в номенклатуру еще 1-го типа 3-х типоразмеров утепляющих элементов тот же коэффициент для отапливаемых и холодных зданий из УСП, а также для навесов из них (без стеновых ограждений) составит:
При дополнительных 2-х типах 3-х типоразмерах ограждающих элементов (например, облицовочный и сетчатый) получим KРабс >20.
Пример 5.5.2. Оценим многообразие систем и элементов при образовании трехшарнирных рам (см. рис. 5.1.15). Номенклатура содержит 11 разнозаменяемых элементов, из которых получаем элементарной диверсификацией 280 вариантов типоразмеров полурам; она конкретно включает 1 тип 1-го типоразмера Г-образного элемента, 1 тип 6-ти типоразмеров пролетных и 1 тип 4-х типоразмеров стоечных элементов. Последние два можно объединить в 1 тип линейного элемента 10-ти типоразмеров. Тогда
Показательно, что с увеличением коэффициентов многообразия использования сборных элементов возрастает однообразие систем, поскольку одни и те же элементы все больше участвуют в разных системах. Это тоже сходимость противоположностей, отражаемая диалектическим квадратом заменяемости, что имеет место в типовом проектировании, например, при унификации объемно-планировочных и архитектурно-конструктивных «ситуаций» в Едином каталоге для гражданского строительства.
Если отвлечься от способов получения габаритных схем (агрегатированием и др.) и цели их получения (многообразия вариантов), то коэффициенты КРотн и КРабс по существу являются коэффициентами унификации и типизации. Однако содержание предложенных коэффициентов сложнее по свойству, методам и принципу разнозаменяемости, а результаты последних многократно выше.
Экономическая эффективность. Согласно нормам за базовый вариант необходимо брать самое современное решение сборноразборного здания из УТС. Однако оно в наибольшей мере не соответствует специфике применения в комплексе временных зданий. Такое сборно-разборное здание имеет большую начальную стоимость (на 1 м2, на 1 м3), чем построечное здание из штучных материалов, а дефицит оборачиваемости взаимозаменяемых секций-пакетов делает его неэкономичным. Правильным было бы сравнение зданий из УСП с временными зданиями из штучных материалов как экономически выгодных, но это противоречит нормативной методике, поскольку такие здания являются устаревшей техникой, с которой проводить технико-экономическое сравнение запрещено.
Сложился стереотип сравнения с базовым вариантом по выгодным для новой техники показателям. Такая методика приемлема при сопоставимых условиях. Например, возможно сравнение базового решения УТС с новыми решениями УСП, имеющими двухшарнирные узлы вместо трехшарнирных узлов в УТС с подкосами или отдельно сопоставимые узлы между собой (без секций), но это не показательно.
Для определения экономической эффективности разнозаменяемых УСП нормативная методика неприемлема, поскольку новое решение выходит за рамки предыдущих качественных уровней развития конструкций. В данном случае необходимо сравнивать экономические последствия от используемых до нового решения самых совершенных конструкций зданий из взаимозаменяемых УТС в их количестве, эквивалентном новому решению, позволяющему комбинировать разные УСП и здания. Снижать экономический эффект будут затраты на конгломерирование и агрегатирование, т.е. на перекомплектацию конструкций, а также перерасход стали из-за большей унификации разнозаменяемых элементов по несущей способности.
В технико-экономическом сравнении должны учитываться: ликвидация дефицита оборачиваемости инвентарных зданий и увеличение объема серийных партий разнозаменяемых изделий при снижении многономенклатурности производства. Так, при изготовлении УСЩбез асимметричных покрытий) 15-ти типоразмеров габаритных схем 6-ти типов каждого в количестве 1 тыс. штук всех 90 типоразмеров и типов необходимо 90 тыс. УТС со взаимозаменяемыми изделиями.
Данный объем многономенклатурного производства эквивалентен по конструктивному результату при разнозаменяемых изделиях следующего состава: 4 типоразмера панелей и плит, 3-х типов панелей по 1 тыс. шт. каждого изделия, т.е. 12 тыс. шт. тиражом по 7,5 тыс. шт. каждого типоразмера изделия. То есть номенклатура разнозаменяемых изделий получается в 7,5 раз меньшей, а объем серийных партий изделий каждого типоразмера - в 7,5 раз больший. При полной разнозаменяемости (т.е. при использовании съемных наружных и внутренних элементов стеновых панелей и плит покрытия) соотношение будет еще большим.
Пренебрегая экономией от более совершенных шарнирных соединений (относительно подкосов) и считая, что весь эффект образуется только за счет ликвидации дефицита оборачиваемости (т.е. базовый вариант оборачивается 1 раз, а новый согласно нормам амортизации 7 раз за срок службы) получается экономия в размере 6,80 руб./м3 строительного объема здания (до 1991 г.). При годовой потребности в инвентарных зданиях только по угледобывающей отрасли 680-760 тыс. м3 (750-1000 зданий) экономический потенциал от внедрения УСП с разнозаменяемыми конструкциями составлял примерно 4,6-5,2 млн. руб.