Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Грунтовые основания
Опорные сооружения





















Яндекс.Метрика

Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Теоретической основой АКТ-решений, приведенных ниже, являются положения ОМКС. Они использованы для решения частных проблем (задач) при проектировании типовых и нетиповых сборных и других ИСС.
Исчерпание несущей способности: вариабельный пролет. Метод соответствует варианту аддитивной вариабельности обобщенной модульной системы, когда изменяются модульный пролет ригеля при постоянном модульном шаге поперечных рам и удельная модульная нагрузка при неизменной общей нагрузке на модульную грузовую площадь, т.е. когда Ivar, bcnst, qvar и Qconst согласно выражению 3.4.9.
Приведенное на рис. 5.2.1 АКТ-решение экономит материал в типовых несущих конструкциях, когда фактическая нагрузка меньше расчетной. Это неизбежно из-за унификации в типовом проектировании при массовом использовании конструкций в разных условиях их фактического нагружения, что отмечалось ранее.
Применим метод разнозаменяемости - исчерпание несущей способности строительных конструкций к типовой и подобной раме.
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Рама рассчитанная для определенного климатического района и определенной конструкции ограждений, воспринимает нагрузку по верхнему пределу значений q1. Для применения рамы в другом климатическом районе с другим ограждением, создающими нагрузку q2, меньшую, чем q1, полурамы соединяют вставкой пролетом l1. При этом в полурамах возрастают усилия до значений, равных усилиям от нагрузки q1. Используя раму в следующем районе и с другим ограждением, создающим еще меньшую нагрузку q3, берут еще большую вставку l2, которая вызывает в полурамах большее увеличение усилий до значений, равных усилиям от q1, и т.д. Для унификации пролета рамы с рядом значений нагрузки q1, q2, q3, ... образуют модульный ряд длины l1, l2,... вставки.
При использовании вставок в коньковом узле в сечениях ригеля (ближе к коньковой части) возможно изменение величины и знака усилия. Это может происходить в трехшарнирной раме со стороны жесткого крепления вставки с ригелем (рис. 5.2.2), осуществляемого для обеспечения геометрической неизменяемости рамы.
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Заметим, что армирование типовой железобетонной рамы в коньковом шарнире не соответствует расчетному. Теоретически в шарнире изгибающий момент равен нулю. Однако ригель в этом месте имеет толщину 250 или 350 мм (для разных типоразмеров рам) и конструктивно армирован по сечению. Значит, ригель в коньке фактически способен нести некоторую нагрузку разного знака на каком-то протяжении к карнизному узлу (до совпадения расчетных и конструктивных значений). Для этого должна быть возможность приварки накладок к ригелю сверху и снизу конька. При модификации полурам установка закладных деталей возможна на стадии изготовления.
Для обоснования работоспособности предложенного решения проведем проверочные расчеты каждой из схем рам (типовой и нетиповой) в произвольном шаге унифицированного ряда нагрузок.
Пример 5.2.1 (рис. 5.2.3,а, б). Армирование рамы принято типовое для обоснования возможности изменения пролета при новом ее применении. Эпюры моментов по первой расчетной схеме при q2 = 10,5 кн/м и q1 = 9,0 кн/м даны соответственно на рис. 5.2.3,в, г. Размер вставки Δl, равный 2 м, получен из условия не превышения величины.
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Однако в защемлении стойки по новой схеме величина момента получилась больше, чем в том же сечении по исходной схеме, чего не должно быть при эксплуатации рамы. Уменьшая величину Δl, обеспечиваем соблюдение условия, чтобы момент в этом сечении по новой схеме не превышал бы момента в исходной. Округленно до 3M получаем Δl = 1,8 м.
Пример 5.2.2 (рис. 5.2.4,а, б). Эпюры моментов по второй расчетной схеме приведены на рис. 5.2.4,в, г; величины нагрузок q1, q2 - те же. В данной расчетной схеме по варианту со вставкой возникает отличие: в сечении по коньку, где в исходной схеме Ми = 0, в схеме со вставкой появляется момент Ми = 2,6 кНм в нижней растянутой зоне сечения. Проверим достаточность типового армирования в сечении по коньку.
Возьмем сечения по карнизу 1-1 и по коньку 2-2 полурамы РЖК 21-1600. В сечении 1-1 растянутая зона верхняя, в сечении 2-2 - нижняя (см. рис. 5.2.5, а, б). При классе бетона В40, арматуре класса A-III, mδ1 = 0,85, ho1-1 = 69,9 см, ho2-2 = 21,4 см моменты, воспринимаемые сечениями 1-1 и 2-2 соответственно равны M1-1 = 988,74 кНм, M2-2 = 63,99 кНм.
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Для приведения конструкции типовой (т) рамы и новой (н) расчетной схемы к сопоставимым результатам возьмем соответствующие соотношения моментов Mт и Mн по сечениям 1-1 и 2-2:
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Поскольку первое отношение меньше второго, то применение пролетной вставки возможно без изменения типового армирования, т.е. последнего достаточно.
Таким образом, типовые трехшарнирные рамы принципиально могут использоваться с пролетными вставками по методу исчерпания несущей способности при уменьшении фактической нагрузки на них относительно расчетной.
В обосновании был взят минимальный шаг унифицированного ряда (1,50 кН/м) приведенных суммарных модульных нагрузок (см. табл. 3.5.3). Если принять раму с расчетной нагрузкой через шаг в этом ряду (3,0 кН/м), то длина вставки соответственно возрастет, а новая величина этой длины определяется аналогично.
Способ расширяет возможности применения типовых рам, обеспечивая межрайонную строительно-климатическую унификацию и типизацию. Увеличение пролета зданий за счет длины пролетной вставки повышает объемно-планировочные и технологические возможности при тех же типовых конструкциях.
На данном примере видно, что при расчете Г-образных полурам с пролетными вставками решается обратная задача: по имеющимся архитектурно-конструктивно-технологическим данным (классу бетона, проценту армирования, геометрическим характеристикам сечений стоек и ригелей и др.) Находится максимально возможная длина вставки, соответствующая фактической нагрузке, которая принимается равной типовой нагрузке в эквивалентном воздействии на предельное состояние конструкции. Расчетная длина вставки может находиться приемом последовательного приближения новых усилий в полураме к их типовым значениям.
Рассмотренная ранее на рис. 5.1.14, 5.1.15 конструкция с вариабельными габаритными размерами Г-образных полурам, разработана также на теоретических положениях модели сборной ИСС при изменении пролета lvar постоянном шаге bconst и удельной модульной нагрузке qconst. В этом АКТ-решении дополнительно вариабельным принят параметр высоты каркаса hvar, что дает большее разнообразие объемно-планировочным решениям зданий при уменьшении количества типоразмеров сборных изделий.
Исчерпание несущей способности: нетиповая привязка. Применение в типовом проектировании укрупненных модульных парам, в частности, шага несущих конструкций обычно приводит к перерасходу материалов. Конструктивное решение, полученное приемом «удаляющейся» привязки соответственно выражению 3.4.4, позволяет при исчерпании несущей способности типовой балки решить дополнительно еще одну практическую задачу - образование бессварного покрытия, например, производственного здания.
В покрытии (рис.5.2.6) ригели расположены между торцами продольных ребер плит в одной плоскости с ними. Опорные элементы -П-образные стальные подвески с полками на концах. Плиты в собственной плоскости зафиксированы от горизонтальных смещений ригелями как разделяющими элементами в жестком диске покрытия. Ригели средних шагов нагружены полками по обе стороны одинаково; крайние плиты заделаны в стенах.
Последовательно укладываемые плиты между ригелями увеличивают длину здания с каждым шагом на толщину ригеля. При количестве шагов п и толщине ригеля b увеличение длины здания будет равным b(n—1). Плиты имеют номинальную длину, равную шагу (они не укорочены как, например, в сериях ИИ-04, 1.020-1). Такое расположение плит и ригелеи уменьшает высоту здания на высоту основного ребра плиты.
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Пример 5.2.3. По МКРС, определяющей модульную грузовую площадь на плиты размерами 6x1,5; 6x3 или 12x1,5; 12x3 м, решение дает перегрузку ригелей, рассчитанных по предельным состояниям. Перегрузка будет численно равна величине bxВ. где В - размер шага (рис. 5.2.7).
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Для плит шириной 1,5 м перегрузка на ригели составляет 4%, а 3 м - 2%, т.к. при b = 0,24 м приращение нагрузки Δqn для шага 6 м:
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

а для шага 12 м;
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

На 1 пог. м пролета балки покрытия перегрузка составляет 1,3%.
Для плит покрытий перегрузки не будет, т.к. их расчетная длина прежняя. Поскольку изгибающий момент в балке определяется выражением Mlr= ql2/8, то при постоянном пролете Iconst увеличение Ми при q = Qvar происходит аддитивно. Таким образом, решение применимо при уменьшении массы покрытия на 1 пог. м пролета на 1,3%, например, при бескровельном покрытии.
Увеличение длины покрытия одновременно с увеличением объема здания ведет к росту расхода материалов на стены по периметру здания. При этом за счет уменьшения строительной высоты покрытия уменьшается объем здания и снижается расход материалов на стены по их высоте. Значит, имеют место взаимно противоположные тенденции, требующие проверки экономичности.
Согласно рис. 5.2.7,а объем материала стен Vэ, закрывающий высоту плит покрытия, равен
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Этот объем соответствует экономии материала согласно новому AKT-решению.
По рис. 5.2.7,б находим, что объем материала стен Vp, закрывающий зазоры между плитами (и увеличивающими длину здания) при укладке с разделяющими их ригелями, равен
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Этот объем соответствует увеличению расхода материала, обусловленному предложенным АКТ-решением.
Примем условно длину здания, равной двум шагам n = 2, а высоту здания h, равной половине периметра стен здания h = 0,5р. Тогда
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Если учесть, что высота плиты h = 30 см и толщина ригеля b = 24 см примерно равны между собой, то Vэ = Vр.
Значит, объем сэкономленного материала по высоте стен равен объему перерасходованного материала по их периметру, но при условии, что высота здания равна половине его периметра. Например, при шаге B = 6 м, количестве шагов n = 2 и пролете L = 18 м периметр P = 60 м, а половина его - 30 м. Новое решение не дает экономии материалов при высоте одноэтажного здания H > 30 м.
Обоснование может быть проще. Примем, что экономия материала на стенах достигается соответственно длине плит В, а перерасход - толщине балки b. При значениях B=6 м и b=0,24 м получим их отношение - преобладание экономии над затратами, равное 25.
Покрытие, упрощая конструкцию, повышает его жесткость как диска в бессварном решении. Дополнительным эффектом является увеличение длины здания без увеличения его стоимости за счет уменьшения высоты здания.
Прием «удаляющейся» привязки математически подобен систематически накапливаемой ошибке. В практике строительства это соответствует последовательному смещению поперечных осей в зданиях большой протяженности при геодезической разбивке, что приводит к осложнениям в монтаже из-за несовпадения разбивочных осей с номинальными размерами конструкций. Данное решение исключает подобную ошибку и, следовательно, работы по сдвижке рам в номинальные положения.
Примененный прием «удаляющейся» привязки можно рассматривать как частный случай метода «скользящего» шага. В отличие от последнего, прием не требует доборных элементов и предполагает использование в каркасных системах с самонесущими стенами из мелкоштучных материалов или с панельными стенами, имеющими укрупненно-дробные размеры длины панелей (по «резательной» технологии производства).
Компенсация несущей способности: вариабельный шаг. Метод компенсации дефицита несущей способности конструкций получен на положениях обобщенной модульной системы при переменной удельной модульной нагрузке qvar, изменяющемся шаге bvar, постоянном пролете Iconst и неизменной общей модульной нагрузке Qconst, приходящейся на одну поперечную раму, т.е. вариант соответствует аддитивному случаю по выражению 3.4.8.
Конструктивные каркасные схемы с вариабельным шагом, приведенные на рис. 5.2.8, решают задачу по уменьшению номенклатуры изделий путем расширения области их применения, а также по экономии материала в промежуточных значениях унифицированного ряда нагрузок.
Способ образования каркаса включает установку поперечных рам, например, колонн и балок в количестве, определяемом величиной шага, исчерпывающей их несущую способность от расчетной нагрузки, приходящейся на грузовую площадь. При установке рам изменяют величину стандартной нагрузки qc, на которую рассчитаны типовые элементы, и принимают ее равной фактической нагрузке qф. Величина фактической нагрузки может отличаться от стандартной, в связи с использованием рам в другом климатическом районе или с иным типом покрытия, имеющим собственные массы большие или меньшие расчетных. Возможно использование элементов каркаса в зданиях другого технологического назначения с избытком или недостатком несущей способности по смежному типоразмеру конструкции в модульном ряду нормативных нагрузок по табл. 3.5.3. При таком подходе можно изменить количество рам в общей длине здания.
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Расчетную и фактическую нагрузки берут по удельным величинам, приходящимся на единицу длины пролета или модульной грузовой площади (пог. м, м2). Во всех случаях, когда qp ≥ qф, qp ≤ qф, qp = qф, произведение величины модульной грузовой площади, включающей величину шага, на удельную модульную нагрузку (фактическую или стандартную) является величиной постоянной и равной суммарной приведенной модульной нагрузке на покрытие, которая исчерпывает несущую способность рам. При неизменном пролете несущих элементов поперечных рам суммарная приведенная нагрузка на покрытие может быть постоянной при изменяющейся удельной модульной нагрузке (здесь: фактической относительно нормативной) за счет соответствующего изменения величины модульного шага.
Величина шага, при которой достигается предельное состояние несущей способности каркаса от действия фактической нагрузки, определяется выражением
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

где Bc, Вф - соответственно стандартный, фактический шаг, м;
Qc, Qф - стандартная (нормативная), фактическая (принимаемая) нагрузка, например, в модульном выражении Mн по табл. 3.4.3.
Физический смысл выражения (5.2.4) состоит в том, что фактический шаг Вф принимают большим стандартного Bс, если фактическая нагрузка Qф меньше стандартной Qс в обратно пропорциональной зависимости соответственно свойству аддитивности согласно выражению 3.5.10.
Пример 5.2.4. Вариант 1. Имеются типовые поперечные рамы стоечно-балочной конструктивной схемы с удельной нагрузкой, например, 90Mн по табл. 3.5.3, т.е. модульной суммарной приведенной расчетной. Предельное состояние рам (арок и т.п.) по несущей способности соответствует стандартному шагу 6 м (рис. 5.2.8,б). Это означает, что элементы рам используют в каком-либо заданном климатическом районе при какой-то заданной конструкции покрытия и т.п.
Такой вариант соответствует случаю, при котором совпадают фактические и расчетные условия работы строительных конструкций с унифицированным рядом приведенной суммарной нагрузки на покрытие в модульном выражении. Для каждого значения унифицированного ряда нагрузки существует отдельный типоразмер элемента по несущей способности. Согласно исходным данным Qс = Qф. По выражению (5.2.4) получим Bф = Bс = 6 м, поскольку
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Вариант 2. Использовать элементы рамы предыдущего примера в ином климатическом районе, с другой конструкцией покрытия и т.п. при Qф = 45Mн. Поскольку Qс = 90Mн, Bс = 6 м, по выражению (5.2.4) получим:
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Таким образом, фактический шаг должен быть в два раза большим, что позволяет использовать несущие конструкции, запроектированные на шаг 6 м, если фактическая нагрузка в два раза меньше стандартной (рис. 5.2.8,а).
Вариант 3. То же, что в предыдущем примере, но при фактической нагрузке Qф = 180Мн. Тогда
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Следовательно, те же стандартные конструкции могут использоваться с шагом каркаса в два раза меньшим при фактической нагрузке в два раза большей стандартной (рис. 5.2.8,в).
Вариант 4. Аналогично варианту 2 примем Qф = 120Мн. Остальные условия те же. Тогда
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Вариант 5. Аналогично варианту 2 примем Qф = 105Mн. Тогда
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Округляем полученный результат до значения, кратного основному модулю, в выгодную для несущих конструкций сторону и получим шаг, равный 5,1 м (рис. 5.2.8,г).
Вариант 6. Примем за исходное значение стандартной нагрузки из унифицированного ряда, например Qc = 180Мн. Несущие конструкции, соответствующие этому значению стандартной нагрузки, используем с фактической нагрузкой Qф = 210Мн. Фактический шаг в данном случае после округления тоже равен 5,1 м.
Варианты 2, 3 и 4 иллюстрируют образование каркасов с применением стандартных ограждающих элементов для стен и покрытий длиной соответственно 3; 4,5 и 12 м в то время как каркас был предназначен (согласно варианту 1) для использования стандартных ограждений длиной только 6 м. Сборные конструкции с полученными значениями длины имеются в типовой номенклатуре для промышленных и сельскохозяйственных зданий.
Варианты 5 и 6 иллюстрируют соответствие стандартных конструкций на различные нагрузки из унифицированного ряда шагам, отличающимся от укрупненных модульных шагов. Видно, что разные конструкции дают одинаковый шаг при соответствующих величинах нагружения, равно, как одинаковые конструкции могут использоваться с разным шагом. Эти варианты также соответствуют образованию зданий с неполными каркасами, возводимых со стенами и покрытиями из построечных материалов, поскольку для таких случаев отсутствует типовая номенклатура ограждающих изделий с укрупненно-дробными значениями длины.
Следовательно, целесообразно производство сборных элементов с укрупненно-дробными рядами шагов их длины типа 3,3; 3,6; 3,9 м и т.д. Предложенный способ компенсирует недостаток несущей способности элементов каркасов, а также исчерпывает ее избыток, создавая при этом экономию материалов за счет фактической работы несущих конструкций по предельным состояниям.
Рассмотренные варианты сокращают номенклатуру, поскольку любая из типовых конструкций используется при нескольких смежных значениях нагрузок в их ряду. При парах конструкций под кратные нагрузки 30Mн и 60Мн, 45Mн и 90Мн, 60Mн и 120Мн, 75Мн и 150Мн, 90Mн и 180Мн, 105Мн и 210Мн, 120Мн и 240Мн, 150Mн и 300Mн по табл. 3.5.3 обеспечивается формальная разнозаменяемость т.е. без конструктивно-технологической подгонки, поскольку используются сборные плиты серийного производства с кратными длинами: 6 и 12 м; 3 и 6 м; 4,5 и 9 м (последняя в случае изготовления плиты этого размера как типовой).
Остальные варианты применения стандартных изделий соответствуют неформальной разнозаменяемости, поскольку не укрупненный унифицированный шаг между конструкциями обязывает использование построечных ограждений, т.е. «подгонку», но не типовых конструкций покрытия, а стен. При укрупненно-дробных размерах длины панелей стен и плит покрытия все варианты будут согласовываться с формальной разнозаменяемостью, т.к. будут использоваться сборные ограждения «без подгонки».
Чем меньше шаг модульного ряда значений расчетной нагрузки, тем меньше перерасход материалов при нормативном использовании конструкций, т.к. они соответствуют меньшему диапазону крайних значений нагрузок, в котором могут отклоняться без достижения предельного состояния. Однако при этом возрастает количество партий серийных изделий, а объемы этих партий уменьшаются.
Например, между значениями 180Мн и 210Мн можно установить дополнительный ряд значений: 185Мн, 190Мн и т.д. с шагом ряда 5Мн. При таком дроблении увеличивается стоимость сборных изделий, а промышленное производство превращается в мелкосерийное.
Из приведенных примеров укрупненного конструктивно-компоновочного расчета видно, что объем серийных партий и номенклатура сборных изделий взаимосвязаны.
Кроме уменьшения номенклатуры предложенное решение также позволяет: во-первых, не изготавливать рамы с несущей способностью, например, под нагрузки 80Мн, 85Mн и т.д. (которые могли бы быть при установке на экономию материала); во-вторых, раму с несущей способностью, например, под нагрузку 150Мн можно исключить и использовать смежные рамы под нагрузки 120Mн или 180Мн. Эти варианты применимы при ограждающих элементах с укрупненно-дробными модульными размерами.
Метод компенсации несущей способности может иметь другие формы конструктивного использования, например, как метод не вынужденного усиления.
Вариабельность: количество структурных модулей. Решение, приведенное на рис. 5.2.9, соответствует частному случаю согласно выражениям (3.4.12)-(3.4.14). Цель - увеличение унифицированного ряда значений несущей способности рам, например, для различных строительно-климатических районов и разных архитектурно-конструктивных типов покрытий при уменьшении номенклатуры сборных элементов.
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Поставленная цель достигается способом изготовления составных рам из сборных элементов - стоек и ригелей, имеющих модульную несущую способность, с последующим образованием из них поштучным набором комплектов с требуемым количеством однотипных структурных модулей (изделий) соответственно модульной фактической нагрузке, приходящейся на модульную грузовую площадь покрытия одноэтажного здания. Комплекты стоек и ригелей объединяют между собой (сваркой, склеиванием, крепежными деталями и др.) с чередованием в карнизном узле разноименных элементов.
В каждом из комплектов стоек и ригелей количество одноименных элементов кратно их модульной несущей способности относительно общей несущей способности стоек и ригелей в рамах.
Несущую способность рам задают согласно модульному ряду нагрузки на покрытие, прикладываемой на модульные грузовые площади (по выражению 3.4.11). Количество однотипных элементов nМ с модульной несущей способностью в одноименных комплектах берут по соотношению
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

где Mу - наибольшее усилие в элементах (или их несущая способность) от нагрузки из ряда ее модульных значений;
mу - модульное усилие в единичном элементе (или его несущая способность) из некоторого унифицированного ряда их значений.
Модульную несущую способность однотипных элементов (стоек, ригелей) принимают согласно расчету по наибольшему усилию, которое выдерживает рассчитываемый элемент по предельному состоянию, учитывая выражения 3.4.12-3.4.17.
Для образования составных рам могут использоваться сборные элементы из пиломатериалов, водостойкой фанеры, армоцементных и других плоских изделий. Симметрия в чередовании разноименных элементов в узле сопряжения и возможность образования комплектов обеспечивается посредством прокладок (бобышек и т.п.) Той же толщины, что и модульные элементы. Прокладки размещены по длине элементов с шагом, обеспечивающим совместную работу элементов стоек и ригелей, исключающую местную потерю устойчивости при изгибе единичных элементов.
Данным конструктивным приемом компенсируется неаддитивность зависимости несущей способности сжато-изогнутых элементов от величины нагрузки на них из-за влияния продольной гибкости. При таких квазиаддитивных решениях возможно применение теоретических положений, полученных для аддитивных архитектурно-строительных систем (см. раздел 3.5), т.е. соответствующих критериальному выражению (3.5.10).
Примеры других конструктивных решений составных рам, в которых возможно применение метода модульной несущей способности из составных элементами приведены на рис. 5.2.10.
При изменении величины нагрузки или грузовой площади соответственно изменяют количество единичных элементов с модульной несущей способностью, причем в стойках и ригелях рам может быть неодинаковое число элементов согласно эпюрам усилий в них. Данный способ образования рам применим также к случаям с вариабельными шагом и пролетом, т.е. при изменении величины шага и пролета количество типоразмеров модульных элементов может не изменяется и, наоборот.
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Пример 5.2.5. Вариант 1. Имеется ряд модульной расчетной нагрузки на покрытие производственного здания, приведенный в табл. 3.5.3. Примем укрупненный модуль несущей способности, которой обладает элемент, m = 30Мн. При равенстве максимального изгибающего момента в ригеле и стойке согласно выражению (5.2.5) получим:
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

4,5; 5; 6,5; 7; 8; 9; 10. Четные значения n2, n4 и далее - не целые величины, что требует введения дробного модульного элемента по несущей способности, соответствующего 15Мн, для получения единичного элемента с кратной несущей способностью (в 2 раза меньшей).
Вариант 2. Примем наибольшее усилие в ригеле в 2 раза большим, чем в стойке. Тогда количество модульных элементов в стойке останется прежним, а в ригеле согласно выражению (5.2.5) удвоится и составит ряд: 2, 3, 5, ..., 20.
В вариантах 1, 2 приведен укрупненный метод конструктивнокомпоновочного расчета, как и в вариантах предыдущего примера, отражающий способ образования составных рам, комплектуемых из структурных модулей, обладающих модульной несущей способностью.
Можно взять конкретный шаг рам,например, 6 м, собрать нагрузки на раму с модульной грузовой площади и принять ее равной ближайшей величине из модульного ряда по табл. 3.5.3, определить расчетные усилия в раме соответственно ее расчетной схеме и округлить их также до ближайшего модульного значения. Затем рассчитать конструкции по СНиП и др.
Принимая расчетные усилия равными укрупненным модульным значениям, определяется количество структурных элементов с модульной несущей способностью в конструкциях (как в примерах, приведенных выше). Проверяется местная устойчивость при разных количествах модульных элементов в конструкциях рамы и уточняется количество соединительных деталей по длине конструкции.
Методика укрупненного расчета показывает возможность одним типоразмером структурного модуля удовлетворить весь модульный ряд приведенных суммарных нагрузок на покрытие здания. Однако в связи с многоэлементностью составных рам в верхних пределах значений приведенных нагрузок на покрытие их ряд может быть разбит на группы, например, образуя производный ряд укрупненных модулей под нагрузки 15Мн, 30Мн, 75Мн, 90Мн. В таком случае основной ряд приведенной нагрузки на покрытие удовлетворится четырьмя модулями по несущей способности.
Номенклатура сборных элементов, соответствующая исходному модульному ряду, позволяет получить требуемую номенклатуру составных конструкций, основой которой является ОМКС (здесь: с модульной несущей способностью). Данное решение дает коэффициент унификации Kу = 3,25 для рам с однозначными геометрическими параметрами.
Способ образования рам из составных структурных модулей с модульной несущей способностью снижает номенклатуру изделий, расширяет расчетно-проектные районы их применения, обеспечивает конструктивно-компоновочную «гибкость». Решение может использоваться для стоечно-балочных, рамных и других каркасов (рис. 5.2.10) одноэтажных здании различного назначения
Вариабельность: количество конструктивных модулей в многоэтажных зданиях. Аналогами являются типовые каркасы зданий, которые имеют принципиальное общее свойство, являющееся следствием нормативных основ типизации и унификации. Это - уменьшенная номенклатура конструкций для увеличения объемов их серийных партий за счет укрупнения габаритных объемно-планировочных парам (Lо, Bо, Hо и др.) зданий и укрупнения шага унифицированного ряда несущей способности конструкций (например, межвидового каркаса с.1.020-1/87).
Каркас многоэтажного здания в обобщенной модульной системе характеризуется тем, что колонны одного типа и размера могут использоваться на любом этаже от первого до, например, пятого. Модульные грузовые площади на колонны в пределах этажа отличаются относительно друг друга в 4 раза (по выражениям 3.5.4), а между этажами - 4*5, т.е. в 20 раз.
Под каждую из грузовых площадей соотношение количества типоразмеров и несущих способностей колонн принимается по следующей логической схеме. Есть колонна K1 под нагрузку P1 (рис. 5.2.11,а). Эту колонну нельзя использовать под нагрузку P2, если P2 ≥P1. Для этого необходим другой типоразмер колонны K2, соответствующий нагрузке P2 (рис. 5.2.11, б). И так далее. Используем колонны K1, K2 в многоэтажном здании. Согласно их несущим способностям колонна K1 будет на верхнем этаже, а колонна K2 - на нижнем (рис. 5.2.11,в).
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Поставим задачу уменьшить номенклатуру колонн. Для этого необходимо на всех этажах применить колонну K2, т.к. колонна K1 не удовлетворяет условиям несущей способности на нижнем этаже (рис. 5.2.11, г). Номенклатура колонн уменьшилась согласно выражению (3.5.7) в n1 раз, где n1 - число этажей. Однако одновременно увеличился расход материалов (арматуры и др.). Учитывая количество грузовых площадей по этажам, расход материалов увеличится еще (по несущей способности, не в физических объемах) в n2 раза, где n2 - число грузовых площадей на колонну в зависимости от ее положения в плане.
Возникает техническое противоречие: снижение номенклатуры колонн повышает объем серийных партий и делает целесообразным их заводское производство, но при этом увеличивается перерасход материалов и, наоборот.
Усложним задачу: при уменьшении номенклатуры не допускать перерасхода материалов. Частичное решение известно. Можно унифицировать типоразмеры колонн в пределах этажа; тогда при 5-ти этажном здании количество типоразмеров будет равно 5-ти и номенклатура уменьшится в 4 раза. Можно унифицировать колонны по высоте здания соответственно грузовым площадям; в этом случае номенклатура уменьшится в 5 раз. Во втором решении номенклатура меньше, но перерасход материалов больше.
Для высотных зданий известно, например, решение, когда колонны унифицируются по ярусам в пределах 8-ми этажей, что увеличивает однотипность колонн для вышерасположенных ярусов, имеющих этажность кратную 8. Это решение дает перерасход материалов (тоже по несущей способности, не в натуральном выражении) в 4*8, т.е. в 32 раза.
Известных конструктивных решений, полностью снимающих отмеченное техническое противоречие, нет.
Искомое решение может быть получено на положениях ОМКС для случая, когда nvar, где n - число колонн в многоэтажном здании. Выражения (3.5.8), (3.5.9) соответствуют АКТ-решению, приведенному ниже. В этом решении рассматривается теоретическая задача - максимально сократить номенклатуру колонн многоэтажного здания при полном соответствии их несущей способности независимо от положения в модульном координационном объеме здания. Прием решения -дробление, но не геометрических парам (т.е. по форме), а общей модульной несущей способности конструкций кратно единичной модульной несущей способности (т.е. по содержанию).
Продольная рама многоэтажного здания (рис. 5.2.12) образована однотипоразмерными ригелями в виде ферм (или балок-диафрагм) высотой на этаж и однотипоразмерными колоннами. Верхний этаж имеет две колонны, сечение которых соответствует нагрузке от покрытия. На каждом следующем этаже продольная рама включает дополнительные колонны той же несущей способности; их количество увеличивается от верхнего этажа к нижнему и определяется нагрузкой от вышележащих перекрытий. Фермы имеют число опорных участков, равное числу колонн на самом нижнем этаже (для типизации). Они же, образуя жесткие диски, обеспечивают равномерное распределение нагрузки от перекрытий на каждую из колонн независимо от размера шага между ними.
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Таким образом, на любом этаже нагрузка, приходящаяся на одну колонну, будет одинаковой и минимальной (единичной модульной), обуславливая однотипоразмерность колонн при минимальном их сечении и армировании. Увеличение количества соединений с ригелями от верхнего этажа к нижнему повышает жесткость и устойчивость продольной рамы в том же направлении.
Для 5-ти этажного здания уменьшается расход арматуры за счет одного типа и типоразмера колонны при повышении коэффициента унификации - Kу = 20. Задача решена при условии, что нагрузка от покрытия любого этажа распределяется между колоннами нижерасположенного этажа равномерно. Тогда колонны могут быть одинаковыми по деформационно-прочностным характеристикам (армированию, сечению, гибкости, прочности и др.). Пролетной конструкцией, обладающей жесткостью в собственной плоскости, является ферма (балка) высотой на этаж, позволяющая увеличить пролет без потерь полезного объема здания. Принципиальная схема, поясняющая данное положение, приведена на рис. 5.2.13.
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Другим положением, требующим обоснования, является экономия материала. Очевидно, что экономится только арматура, а расход бетона увеличивается при унификации сечения во столько раз, во сколько возрастает количество колонн. Типовые колонны многоэтажных зданий, например, с.1.020-1 имеют сечение колонн 40x40 см для зданий от одно- до десятиэтажного. При уменьшении нагрузки в 4 раза сечение колонны может быть соответственно равным (условно) 10x40 см, если не учитывать влияние продольного изгиба (рис. 5.2.14). Для единичной модульной грузовой площади необходимо сечение еще в 4 раза меньшее, т.е. 10x10 см. Однако такое сечение «неравнопрочно» с типовым по условию гибкости центрально нагруженного стержня.
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Если колонну выполнить полой с равновеликой площадью живого сечения, то получим единичную модульную несущую способность и примерно равные характеристики по суммарной несущей способности и общему расходу бетона. Такой прием дает эквивалентное сечение колонны, но он показывает, что имеются конструктивные приемы, которыми может достигаться цель по снижению расхода материалов.
Использованные приемы принципиально известны, но поставленная задача рассматривается впервые применительно к модульному выражению и унификации модульной несущей способности.
Пример 5.2.6. Для проведения сравнительного анализа возьмем существенные факторы, приняв прочие факторы равными (рис. 5.2.15). Оценим степень неравномерности нагружения колонн при условии не-деформируемости ригелей по аналогу и по новому решению. Согласно рис. 5.2.15,а в четырехярусной раме отношение нагрузки на наиболее нагруженную колонну к нагрузке на наименее нагруженную колонну (назовем такое соотношение коэффициентом неравномерности нагружения колонн К) равно:
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

где индексы 1, 2, 3, 4 - порядковые номера ярусов рамы,
P - величина нагрузки от перекрытия.
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Таким образом, коэффициент неравномерности нагружения колонн по новому решению в 4 раза лучше, чем по аналогу. Если взять для сравнения количество колонн на этажах 5-ти ярусной рамы (рис. 5.2.12), получим следующие соотношения:
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

То же соотношение для 5-ти ярусного типового каркаса К = 5Р/2:Р/2 = 5. Таким образом, новое решение улучшает коэффициент унификации Ky более чем в 3 раза (5:1,6).
Значит, равномерность нагружения колонн при некоторых допущениях может быть абсолютной, равной 1. Однако она реально отличается от нее (например, из-за неравенства нагрузок на покрытие и перекрытия), но степень приближения к ней зависит от методологии проектирования. Схема, приведенная на рис. 5.2.15,б, представляется как идеальный случай. Она приведена преимущественно с методической целью.
Так, данное решение якобы не соответствует известной закономерности: чем больше шаг унификации в параметрических рядах, тем больше перерасход материалов в конструкциях. Однако здесь нет противоречия, поскольку унификация в этом решении основана не только на геометрическом модуле пролета (или шага) колонн, а на обобщенном модуле, включающем дополнительно модуль несущей способности этих колонн.
Модульная теплоизоляционная панель для некапитальных зданий (рис. 5.2.16). Модульность к проектированию теплоизоляционных качеств зданий также не применялась. Поставим цель - уменьшение количества типоразмеров комплектующих изделий и увеличение объема их серийных партий при расширении области использования этих изделий в зданиях с разной расчетной температурой воздуха помещений, в различных строительно-климатических районах без перерасхода материалов и ухудшения эксплуатационных качеств.
Изготовление каркасно-щитовой панели включает крепление на каркасе теплоизолирующих штучных элементов с образованием воздушных прослоек; элементы взаимозаменяемые модульные по размерам и по теплотехническим качествам. Теплоизоляционные (они же воздухо- и пароизоляционные) модули с единичным сопротивлением теплопередаче RмТР (а также воздухопроницаемостью Rи(M) и паропроницаемостью Rп(M)) набирают в пакеты в количестве, равном требуемому сопротивлению теплопередаче кратно значению модуля.
Теплотехнические модули изготавливают из ДВП, ДСП, многослойной фанеры, гипсокартона, пенопласта и других материалов или в виде подрамников с пленочными материалами (полиэтилена, пергамина, рубероида и т.п.). Количеством модулей по высоте и ширине панели можно учитывать различие в градиентах температур у пола и потолка, а также в соседних помещениях.
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Пример 5.2.7. Определить количество теплотехнических модулей из полиэтиленовой пленки на подрамнике толщиной 0,05 м при требуемом сопротивлении теплопередаче стеновой панели Rтр = 1,00 м2*°С/Вт.
По СНиП находим, что заданной толщине воздушной прослойки при отрицательной температуре соответствует Rb.п. = 0,17 м2*°С/Вт; сопротивление теплопередаче пленки в виду малости ее толщины (δn=2*10в-4 м) не учитывается, т.е. Rк=0. Принимая за единый теплотехнический модуль Rм = Rн = 1/23 = 0,044, получим, что Rв = 1/8,6 = 0,12 = 3 R'м, RB.п. = R'm.
Тогда согласно выражению (3.7.2) Rм = Rв.п. и, условно не учитывая сопротивление теплопередаче наружных поверхностей панели, получим
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

подрамников, заключенных в каркас панели с наружной и внутренней облицовками, термические сопротивления которых могут быть учтены корректировкой теплотехнического расчета аналогично приведенному здесь, общая толщина панели - 5*0,05 = 0,25 м (без толщины облицовок).
Способ позволяет учитывать небольшие градиенты температур воздуха, что дает экономию материалов из-за исключения излишней толщины ограждения; снижается число типоразмеров сборных панелей, т.к. одним типоразмером теплотехнического модуля можно обеспечить любое требуемое термическое сопротивление. Увеличивается объем серийных партий однотипных изделий, снижая их стоимость.
Модульная теплоизоляционная панель для капитальных зданий. При прекращении поставок пенопласта для трехслойных стеновых панелей ПСТ 6-33-25 с.1.832.1, используемых в животноводческих зданиях, на одном из заводов ЖБИ возникла проблема с дальнейшим производством этих панелей.
Временная замена пенопласта минераловатными матами приводила к повышению расхода товарного бетона, утяжелению панели, снижению их теплотехнических качеств, перегрузке панелевозов, неустойчивой работе автокранов. Себестоимость панелей снизилась из-за разницы в стоимости утеплителей (пенопласт дороже), однако производство осталось убыточным, из-за директивно установленной низкой отпускной цены. В зданиях с панелями, ухудшающими температурновлажностный режим помещений, можно предполагать снижение продуктивности скота, его падёж.
Конструктивно-технологическая задача состояла в том, чтобы уменьшить массу панели, исключить перерасход бетона, не ухудшая при этом теплотехнические качества относительно нормативных показателей в условиях отсутствия пенопласта и исключения минераловатных утеплителей.
Способ изготовления многослойной стеновой панели (рис. 5.2.17) состоит в последовательной укладке в горизонтальную форму нижнего слоя из бетонной смеси, среднего слоя, содержащего листы рубероида, песка и снова бетонной смеси. Слои соединяют между собой поперечными связями из арматуры, верхний и нижний участки которой заанкерены в наружных бетонных слоях. После виброуплотнения и термообработки производят распалубливание панели и кантование в вертикальное положение для удаления песка и образования вместо него воздушных прослоек. При этом листы рубероида гладкой стороной обращены к песку (для облегчения его удаления), а посыпкой - к бетонной смеси (для примоноличивания к ней). Чередование горизонтальных слоев песка, рубероида и бетонной смеси производят многократно.
Стеновая панель, изготовленная данным способом, обеспечивает необходимые теплотехнические качества, повышая воздухо- и паро-непроницаемость, что важно для животноводческих зданий, в, частности для крупного рогатого скота (КРС), имеющих влажный режим помещений. Снижается стоимость панели до величины ниже директивной, их производство не зависит от поставщиков пенопласта.
Пример 5.2.8. Исходные данные: tв = 10°C (для молодняка на откорме), tв = 15°C (для телятников); для других групп KPC технологические нормы предусматривают более низкую температуру, tн.х.с.= -28 °С, tн.х.п. = -23°С (для Харьковской обл.). Зона влажности района строительства - сухая, внутренний режим - влажный; Δtн = 4,5 °C, Rтр = 1,034 м2*°С/Вт. По формуле (3.6.1) получаем необходимое количество теплоизоляционных слоев:
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

здесь: 0,1; 0,05 м - толщина соответственно внутреннего и наружного слоев бетона; 0,14 м2°С/Вт - термическое сопротивление воздушной прослойки толщиной 0,033 м; термическое сопротивление рубероида не учитывалось в запас расчета.
Конструкция удовлетворяет условиям требуемой тепловой инерции, отсутствия конденсата на внутренней поверхности, имеет повышенную воздухо- и паропроницаемость.
Технико-экономическим расчетом получено, что при цене панели 198 руб./м3 (до 1991 г.) ее производство с пенопластом было убыточно на 28,25 руб./шт. При объеме одного изделия 3,9 м3 и годовом производстве 5063 м3 убыток за год составлял около 52 тыс. руб. При замене пенопласта на 7 слоев рубероида дополнительные затраты составили 35,91 руб./шт. с учетом расхода песка 0,3 м3/шт. Исключение пенопласта и полиэтиленовой пленки давало экономический эффект 52,72 руб./шт. или 73,62 тыс. руб. в год. Стоимость панели снизилась на 17% с 772 руб./шт. до 640 руб./шт.
Методика проектирования и конструирования ограждающих конструкций (цельных, составных, комплексных и др.) с соответствующими АКТ-решениями расширяет область использования теории обобщенной модульности в ее физико-технической составляющей. Она дает экономический, а также различные технические эффекты - снижение номенклатуры сборных конструкций, повышение уровня унификации, расширение области применения, уменьшение расхода материалов и др.
Модульное соотношение несущей способности. Приведем пример конструктивного решения, полученного этим методом.
Разборное хранилище сыпучих материалов (рис. 5.2.18), имеет каркас, наружные и внутренние силосные банки с эластичными стенками. Сечение внутренней банки вдвое меньше наружной, а высота ее - вдвое больше. В банках унифицирована толщина стенок участков по высоте уравновешиванием внутреннего и наружного давлений сыпучего материала; увеличивается объем хранилища.
Пример 5.2.9. В расчете (рис. 5.2.18,б) размеры соответствуют капитальным силосным сооружениям. По СНиП горизонтальное равномерно распределенное давление P по периметру сечения на стенку банки:
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

где у, f - удельный вес, коэффициент трения по стенке сыпучего;
ρ = А/u - гидравлический радиус сечения банки;
А, u - площадь в м2 и периметр в м поперечного сечения банки;
λ - коэффициент бокового давления сыпучего материала, определяемый выражением λ = tg2(45° - φ/Т);
φ - угол внутреннего трения сыпучего материала;
z - расстояние от верха засыпки материала, м.
Горизонтальное давление на стенку внутренней силосной банки на глубине 18 и 36 м:
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

а на стенку наружной банки на глубине 18 м (без внутренней банки)
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Таким образом, давление на стенку внутренней банки при ее заполнении наполовину (участок II), наружной банки при заполнении внутренней и наружной банок одновременно (участок III), а также внутренней банки выше наружной при заполнении обеих банок полностью (участок I) будет одинаковым и равным:
Разнозаменяемость ИСС на основе обобщенной модульности

Следовательно, при унифицированных стенках силосных банок на участках I, II, III прочность наружной банки требуется в два раза меньшей в сравнении с обычным решением (без внутренней банки).

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: