Повышение надежности конструкций зданий и сооружений в условиях экстремальных атмосферных нагрузок и воздействий Севера (20.09.2010)

Автор: Корнилов Терентий Афанасьевич

Рис. 11. Районирование территории Якутии по расчетному давлению ветра

Большое различие между нормативными показателями и разработанной картой отмечено в западной части Якутии. В этом районе, например, в г.Мирном по данным метеостанций максимальное значение скорости ветра достигает 37 м/с, что соответствует ветровому давлению 0,84 кПа. В связи с этим, в этой части территории появились VI-VII ветровые районы с расчетной нагрузкой 1,02-1,19 кПа, что намного выше нормативных значений.

Тундровая часть территории Якутии, прилегающая к морю Лаптевых, и лесотундровая часть, включая Верхоянские горы, отнесены к V и VII ветровым районам по результатам обработки данных метеостанций. В центральной части Якутии, по наблюдениям метеостанций, скорости ветра небольшие и большая часть в основном отнесена к I, II и III ветровым районам. Уточнение ветровых районов выполнено и в обширной восточной части территории Якутии. Ранее этот регион в СНиП 2.01.07-85* относился к малоизученным районам. Здесь в основном располагается III ветровой район с расчетным значением ветрового давления 0,53 кПа.

В результате анализа данных метеостанций установлено, что при достижении снеговой нагрузкой своего максимального значения, ветровая нагрузка колеблется в пределах 50-99%. Для регионов Якутии максимумы ветровой нагрузки наблюдаются в основном в летние месяцы. Предложенная выше методика вероятностной оценки одновременного действия максимальных значений снеговых и ветровых нагрузок позволяет снижать уровень ветровой нагрузки при расчете строительных конструкций.

Приведены результаты районирования территории Якутии по требованиям теплозащиты зданий. При районировании по требованиям теплозащиты зданий за основные показатели принят показатель «градусо-сутки отпительного периода» (ГСОП) для жилых зданий и соответственно требуемые значения приведенного сопротивления теплопередаче стеновых конструкций. В этом случае при районировании четко прослеживается и соответствие территориального расположения отдельных районов.

Приведены предложения по нормативным требованиям к надежности металлоконструкций покрытия. Для снижения влияния возможных осадок фундаментов зданий в северных условиях рекомендовано при проектировании конструкций покрытия в одно- и многопролетных зданиях принимать шарнирные соединения в узлах крепления стальных стропильных ферм с колоннами и не предусматривать в покрытиях зданий и сооружений вертикальные связи посередине каждого пролета вдоль всего здания, как это предложено в действующих нормах.

Вторая основная причина, по которой наступают аварийные ситуации в конструкциях покрытия в условиях устойчивой низкой температуры, это скопление снега на определенных участках и образование наледи в местах расположения вентиляционных труб. В связи с этим, для уменьшения снеговых мешков рекомендуется в многопролетных зданиях, в случае если по условиям технологии требуются перепады высот, рекомендуется группировать повышенные пролеты группировать по одну сторону от пониженных, а при перепаде высот до 1,8 м принимать пролеты здания принимать одной высоты. Образование наледи в местах образования вентиляционных труб и т.п. следует устранить конструктивными мероприятиями, например, увеличением зазора между крышкой и основной шахтой.

Опыт проектирования показывает, что большой гибкостью, как правило, обладают раскосы в средних панелях ферм, в которых возникают небольшие усилия. Вместе с тем, именно на эту часть фермы приходится наибольшее количество повреждений ферм. В связи с этим, при оценке несущей способности ферм из уголков, предлагается выполнять дополнительную проверку промежуточных сжатых элементов решетки на устойчивость как внецентренно-сжатых элементов с эксцентриситетами в зависимости от гибкости. При этом, эксцентриситеты от искривлений стержней ферм в плоскости и из плоскости фермы предлагается принимать при уровне вероятности их появления Р=0,05.

При оценке несущей способности эксплуатируемых ферм из уголков рекомендуется учитывать размеры фасонок при определении гибкости сжатых элементов решетки в плоскости фермы. Учитывая максимальное соотношение погонных жесткостей, при определении гибкости сжатого промежуточного элемента решетки значения коэффициентов ?х предлагается принимать в зависимости от габаритов фасонок.

, равного 0,9.

рекомендуется принять с некоторым запасом на уровне 0,2 вт/(оС·м2) независимо от температуры наружного воздуха.

Разработан ряд конструктивных предложений по повышению надежности подоблицовочной конструкции в случае использования кладки из щелевидных блоков в качестве основы. В частности, рекомендовано устанавливать анкера для крепления кронштейнов только в глухой части стенки щелевидного блока, что повышает их несущую способность на 50-60%, с переходом от вертикальной системы подоблицовочной конструкции ВФС к смешанной – горизонтально-вертикальной системе. В угловых зонах зданий по вертикали, где возникает наибольшее отрицательное давление ветра, рекомендуется крепить кронштейны с помощью металлических распорных анкеров.

Для оценки несущей способности анкеров на основе испытаний на строительной площадке предложено применять метод экстраполяции.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ аварий металлоконструкций зданий и сооружений, произошедших в северных территориях России, показывает, что основное количество аварий приходится на несущие конструкции покрытия. Основными причинами, вызвавшими обрушение стальных стропильных ферм, являются неучтенные снеговые и снеголедовые накопления, ошибки при проектировании, наличие значительного количества разного рода дефектов и повреждений металлоконструкций покрытия, некачественное выполнение монтажных узлов, скопление производственной пыли на покрытии, неравномерные осадки фундаментов. Анализ обрушений покрытий сводчатого типа показывает, что основные причины аварий арочных конструкций обусловлены превышением снеговых нагрузок в некоторых районах нормативных значений и несоответствием схем распределения нагрузок, ошибками при проектировании, низким качеством изготовления.

2. Наиболее часто встречающимися дефектами ферм являются искривления элементов решетки, особенно в средних панелях ферм. Проведена вероятностная оценка общих искривлений элементов решетки стальных ферм. Установлено, что превышение нормативной величины искривления сжатых элементов (1/1000 длины) с обеспеченностью 0,95 наблюдается для элементов решетки в плоскости фермы при гибкости 73 и более, из плоскости фермы при гибкости 55 и более.

3. Экспериментальные исследования моделей ферм с различными искривлениями сжатых элементов решетки в плоскости и из плоскости фермы выявили наличие значительного резерва несущей способности, обусловленное запасами, связанными с назначением нормативных значений коэффициентов расчетных длин. Экспериментально установлены величины коэффициентов расчетных длин. Несущая способность сжатых стержней при искривлении до 1/300 длины не снижается.

Разработана методика учета габаритов фасонок при определении расчетных длин сжатых стержней стальных стропильных ферм. Установлено, что коэффициенты приведения расчетной длины сжатых элементов в плоскости фермы зависят от условия работы в системе элементов фермы, габаритов фасонок и соотношения погонных жесткостей. Проведен численный анализ влияния этих факторов на расчетную длину сжатых элементов решетки в плоскости фермы. Для промежуточных элементов решетки ферм из уголков коэффициент приведения расчетной длины в плоскости фермы предложено принимать в зависимости от габаритов фасонок от 0,62 до 0,8.

4. Особые климатические условия Севера по современным условиям энергосбережения требуют внедрения эффективных видов стеновых конструкций в зданиях и сооружениях. В результате натурных обследований вентилируемых фасадных систем зданий установлено действительное состояние теплоизоляционного слоя и подоблицовочной конструкции, особенности работы в реальных условиях длительного зимнего периода и повышенной инфильтрации воздуха, физические характеристики теплоизоляционных материалов.

Получены экспериментальные данные распределения температуры по толщине ограждающей конструкции при различном виде наружной теплоизоляции с помощью стекловолокнистых и каменноватных плит в течение двух зимних периодов. Установлено, что влияние на теплозащитные свойства ограждающей конструкции продольной фильтрации наружного воздуха в волокнистых теплоизоляционных материалах и наличия теплопроводных включений в виде кронштейнов не превышает соответственно 3% и 5%. В наиболее холодное время зимнего периода (-40оС и ниже) температура воздуха в зазоре выше, чем температура наружного воздуха на 7-8,3%. Установлено, что с повышением температуры наружного воздуха разница между ней и температурой в зазоре уменьшается. В среднем эффективное термическое сопротивление воздушного зазора составляет 0,2/0,226 вт/(оС·м2). Скоростной напор ветра на здание незначительно влияет на скорость движения воздуха в воздушном зазоре и скорость воздуха в зазоре не превышает 1 м/сек.

Разработана методика проведения и обработки данных испытаний анкеров на вырыв. Уточнен перечень типов анкеров для крепления кронштейнов к кладке из щелевых бетонных блоков.

5. Разработана методика нормирования снеговых нагрузок, основанная на результатах непосредственных замеров запаса воды в снеговом покрове. Предложена методика аппроксимации опытных данных о годовых максимумах веса снегового покрова земли на основе использования численных методов и методов экстраполяции для хвостовых точек при ограниченности количества данных. Проведены обработка снеговых нагрузок по данным метеостанций, расположенных на территории Якутии, и разработана карта районирования по расчетной снеговой нагрузке. Предлагается в некоторых районах Западной Якутии и северной части увеличить расчетную снеговую нагрузку по сравнению с принятыми в нормах значениями на 33,3%.

6. На основе факторного анализа показано существование в низкотемпературных районах специфических условий формирования снегоотложений на покрытиях зданий. В результате длительных натурных наблюдений за характером снегоотложений на покрытиях зданий, расположенных в различных районах Якутии, уточнены схемы распределения снеговых нагрузок на плоских покрытиях зданий с перепадами высот и парапетами, сводчатых покрытиях. Установлена зависимость плотности снегового покрова от высоты парапетов. Обоснована целесообразность учета сноса снега с малоуклонных покрытий при устойчивой низкой температуре наружного воздуха в рассматриваемом регионе и разделения покрытий зданий региона с малыми уклонами на группы: покрытия шириной до 60 м и более 60 м. Несмотря на небольшие скорости ветра в зимний период, выявлен интенсивный снос снега с арочных покрытий в зависимости от расположения здания к основному направлению ветра и шероховатости поверхности. По данным натурных измерений для сводчатых и близких к ним покрытий получены коэффициенты перехода к снеговой нагрузке на отдельных участках покрытий с различной вероятностью в зависимости от очертания покрытия и шероховатости покрытия. Уточнение снеговых нагрузок на покрытиях различной конфигурации с учетом специфических условий Севера значительно повышают точность расчетов металлоконструкций покрытия зданий.

7. Предложена методика определения расчетных значений скоростей ветра и ветрового давления. Получены расчетные значения ветровой нагрузки для конкретных населенных пунктов Якутии. Анализ результатов показал, что на 50% территории Якутии фактические значения давления ветра не соответствуют картам районирования, принятым в действующих нормах. Для учета сноса снега с покрытий зданий составлена карта районирования по средней скорости ветра за зимний период, включая ранее неизученные районы. В среднем свыше 60% территории Якутии по последним данным отличаются по районированию средней скорости ветра за зимний период. Предложена методика определения коэффициента сочетания снеговых и ветровых нагрузок на основе вероятности одновременного появления пиковых значений данных нагрузок в реальном времени. На основе разработанной методики получены коэффициенты сочетаний нагрузок для конкретных населенных пунктов. Значения коэффициентов сочетаний имеют достаточно большой разброс и находятся в пределах от 0,56 до 0,9.

8. Разработанные рекомендации по нормированию снеговых и ветровых нагрузок на конструкции зданий и сооружений, по расчету и конструированию металлических конструкций покрытия, нормированию требований теплозащиты зданий, проектированию вентилируемых фасадных систем комплексно повышают надежность металлических покрытий и ограждающих конструкций зданий в условиях Севера. Уточнены расчетные и нормативные значения веса снегового покрова земли, разработаны схемы распределений снеговых нагрузок на плоских покрытиях зданий, покрытиях с парапетами и перепадом высот, сводчатых покрытиях с учетом специфических условий формирования снегового покрова в условиях Севера. В предлагаемой карте районирования по весу снегового покрова земли у 40% территории Якутии изменены снеговые районы. Уточнены ветровые нагрузки на здания и сооружения в регионах Якутии. При проектировании конструкций покрытия предложено принимать конструктивные схемы, снижающие влияние осадок фундаментов, учитывать в расчетах сжатых элементов решетки ферм из уголков возможные искривления и габариты фасонок. Проведено районирование территории Якутии по требованиям теплозащиты зданий. Предлагается проектировать вентилируемые фасады с использованием двухслойной теплоизоляции и первым слоем из теплоизоляционного материала низкой плотности с учетом коэффициента, учитывающего фильтрацию воздуха, равного 0,95, и коэффициента однородности, равного 0,95, эффективного термического сопротивления воздушного зазора, равного 0,1 вт/(оС·м2). Разработан ряд конструктивных мероприятий по повышению эксплуатационной надежности вентилируемых фасадных систем зданий.

4. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Корнилов Т.А. Учет габаритов фасонок при определении расчетных длин сжатых стержней стальных стропильных ферм [Текст] /И.Д.Грудев, В.В.Филиппов, Т.А.Корнилов //Изв.вузов. Строительство и архитектура. -1990.- №5.- С.1-5. (0,31 п.л.). Лично автором 3 стр.

2. Корнилов Т.А. Рекомендации по оценке несущей способности металлических конструкций производственных зданий с учетом особенностей эксплуатации [Текст] / О.И.Слепцов, К.П. Бережнов, В.В.Филиппов, А.А.Собакин, Т.А.Корнилов.- Якутск: Якутский HЦ СО АН СССР,1989. -32с. (2 п.л.). Лично автором 6 стр.

3. Корнилов Т.А. Анализ процесса переноса и сноса снега на покрытиях промзданий в условиях Якутии [Текст] / Т.А.Корнилов, А.Т.Копылов // Усиление и реконструкция промзданий и сооружений, построенных в металле: тез.докл.межд.конф, сентябрь.- Киев,1992. - С.39-40. (0,125 п.л.). Лично автором 1 стр.

4. Корнилов Т.А. Формирование снегового покрова на покрытиях промзданий Якутии [Текст] / В.В.Филиппов, А.Т.Копылов, Т.А.Корнилов //Изв.вузов. Строительство.- 1992.- №9-10.- С.136-138. (0,19 п.л.). Лично автором 1,5 стр.

5. Корнилов Т.А. Районирование территории Якутии по весу снегового покрова [Текст] / Т.А.Корнилов, А.Т.Копылов, А.В.Рыков //Изв.вузов. Строительство.- 1993.- № 10. - С.13-16. (0,25 п.л.). Лично автором 1,5 стр.

6. Корнилов Т.А. Оптимизация геометрических параметров малоэлементной фермы [Текст] / Т.А.Корнилов //Проблемы строительства в Республике Саха(Якутия): сб.научн.трудов. -Якутск: ЯГУ, 1994 - С.12-18.

7. Корнилов Т.А. Разработка легких малоэлементных ферм [Текст] / Т.А.Корнилов //Прогрессивные строительные конструкции для условий Дальнего Востока: сб.науч.труд.- Хабаровск, 1994. - С.32-34. (0,19 п.л.).

8. Корнилов Т.А. Снеговая нагрузка на покрытия зданий в условиях Якутии [Текст] / Т.А.Корнилов, А.Т.Копылов, А.В.Рыков //Металлические конструкции: Работы школы Н.С.Стрелецкого.- М.: МГСУ, 1995- С.194-198. (0,31 п.л.). Лично автором 3 стр.

9. Корнилов Т.А. Внедрение легких металлических конструкций в Республике Саха (Якутия) [Текст] /Т.А.Корнилов, В.ГАржаков //Металлические конструкции: Работы школы Н.С.Стрелецкого.- М.: МГСУ, 1995- С.199-205. (0,44 п.л.). Лично автором 4 стр.

10. Корнилов Т.А. Состояние металлоконструкций производственных зданий Якутии на примере Нерюнгринской ГРЭС. Опыт применения и совершенствования арочных конструкций в РС(Я) [Текст] /Т.А.Корнилов, В.В.Филиппов, П.М.Иванов //Проблемы и перспективы освоения природных ресурсов Южной Якутии: мат.науч.-практ. конф.- Нерюнгри, 1996.- С.98-99. (0,1 п.л.). Лично автором 1 стр.

11. Корнилов Т.А. Опыт применения и совершенствования арочных конструкций в РС(Я) [Текст] /Т.А.Корнилов, В.ГАржаков // Вопросы надежности и совершенствования строительных конструкций: сб.науч.труд.-Якутск: ЯГУ, 1996.- С.97-102. (0,38 п.л.). Лично автором 4 стр.

12. Корнилов Т.А. Разработка территориальных строительных норм по снеговым нагрузкам [Текст] /Т.А.Корнилов, А.В.Рыков, А.Г.Алексеенко // Стихия. Строительство. Безопасность: тез.докл.межд.конф. сентябрь 1997 г. – Владивосток, 1997.- С.215-216. (0,13 п.л.). Лично автором 1 стр.

13. Корнилов Т.А. ТСН РС(Я) 20-301-97. Нагрузки и воздействия. Снеговые нагрузки. [Текст] /В.В. Филиппов В.В., Т.А.Корнилов, А.Т.Копылов, А.В.Рыков, А.Г. Алексеенко, В.А.Отставнов, В.Д.Райзер, Б.Ю.Уваров.- Якутск: Минстрой РС(Я), 1998.-11 с. (0,69 п.л.). Лично автором 2 стр.

14. Корнилов Т.А. Нормирование снеговых нагрузок на покрытиях зданий в условиях Якутии [Текст] / Т.А.Корнилов //Наука и образование.-1998.-№3.-С.12-18. (0,38 п.л.).


загрузка...