Особенности проектирования и строительства уникальных сооружений
Как всегда, вначале следует выявить смысл понятия «уникальное сооружение». Согласно первоначальному определению, уникальное сооружение — объект с безопорным покрытием свыше 60 метров и возможностью пребывания под ним или на нем (мосты) более трехсот человек, а также здание выше 75 метров. П. Еремеев, анализируя зарубежные и отечественные публикации, уточняет:
- «К уникальным большепролетным объектам, как правило, следует относить сооружения, <…>
- отвечающие следующим условиям:
- пролет свыше 60 м – при принципиально новых конструктивных решениях, не прошедших апробацию в
практике строительства и эксплуатации; - пролет свыше 100 м – при конструктивных решениях, прошедших успешную апробацию в практике проектирования, строительства и эксплуатации».
Вдумываясь в написанное, понимаешь, что размеры здесь не полностью отражают смысл вещи. Действительно, уникальным может быть и небольшое по размеру здание, — невысокое, подземное, впервые оснащенное новейшим оборудованием, посаженное на впервые встретившееся сочетание грунтов, приближенное к источникам сильной вибрации и так далее. Что связывает все эти сооружения и относит к уникальным явлениям в архитектуре и строительстве? Только одно: отсутствие на момент их создания соответствующих нормативов и технических регламентов.
Следовательно, когда у проектировщика в том или ином случае нет возможности обратиться к строительным нормам (СН), – значит, он имеет дело с уникальным объектом. Общее в уникальных зданиях — только их обособленность от других, неповторимость. Поэтому для того, чтобы работать с уникальным объектом, нужно: одновременно с проектированием создавать нормативы для этого сооружения; осознать, что многоступенчатый контроль в данном случае приобретает первостепенное значение. Контроль над творчеством — звучит парадоксально, но это как раз то, что обеспечит безопасность строительства и надежную эксплуатацию объекта.
Нагрузки и воздействия
Сооружения должны воспринимать любые сочетания нагрузок, включая распределенные, временные, статические и динамические, в виде грузов — сосредоточенных, полосовых, распределенных.
Большепролетные покрытия находятся под действием собственного веса, снеговых и ветровых нагрузок. К ним добавляются технологические нагрузки (от оборудования, подвесных потолков и так далее), предварительное натяжение, а также монтажные нагрузки, вызывающие дополнительные усилия. При использовании в конструкции материалов с различными коэффициентами линейного расширения необходимо учитывать температурные воздействия.
Строительство сооружений башенного типа
... деформациями объектов строительства. Съемочные и трассировочные работы предшествуют проектированию строительства и проводятся в период инженерных изысканий. 1 Сооружения башенного типа К промышленным сооружениям башенного типа относят: ... уменьшить влияние одностороннего солнечного нагрева и ветровой нагрузки. Контролируют также наличие крена и изгиба сооружения путем наблюдения с опорных знаков ...
Учет формы покрытия или высотного здания в плане обязателен, поскольку сильно влияет на результирующую ветровую нагрузку, а также на ее пульсационные усиления. Их величины устанавливаются также аэродинамическими исследованиями. Распределение снега на значительных площадях покрытия необходимо принимать с учетом статистических данных. Для большепролетных покрытий уменьшается вероятность сноса снега, поэтому расчетные климатические нагрузки следует принимать с коэффициентом до 1,5, в сравнении с обычными сооружениями.
Часто большепролетные покрытия имеют относительно небольшую собственную массу и незначительную изгибную жесткость. В этом случае неравномерные снеговые и ветровые нагрузки могут вызвать сильные деформации покрытия, как правило, приводящие к потере местной устойчивости покрытия или к дефектам кровли. Чтобы их предотвратить, применяются различные способы стабилизации покрытий. Точное знание величин и распределения климатических нагрузок, оптимальный выбор системы ужесточения покрытия позволяют с успехом решать эту задачу. Для висячих покрытий следует учитывать кинематические перемещения, абсолютные значения которых в ряде случаев намного больше прогибов от статических нагрузок.
Возможное увеличение технологических нагрузок на покрытие при длительной эксплуатации зданий и сооружений, их реконструкции и модернизации обязательно должно быть учтено в общем своде нагрузок. Повышенный уровень ответственности таких зданий и сооружений требует применения соответствующего коэффициента надежности по ответственности.
Расчеты
При расчетах уникальных большепролетных и высотных сооружений последние следует рассматривать как единые пространственные системы, включающие основание, фундаменты, каркас, покрытие, с учетом продольных, изгибных и крутильных жесткостей основных (а ряде случаев и второстепенных) элементов, их связей, узловых эксцентриситетов. Расчеты статических и динамических воздействий на конструкцию и ее элементы при изготовлении и транспортировке — часть основной работы. Сопротивление «взрослеющей» конструкции различным воздействиям, то есть учет последовательности ее монтажа, требует особого внимания конструктора, поскольку отдельные элементы могут оказаться более загруженными при монтаже, чем под полной расчетной нагрузкой. Иными словами, расчетом должна быть подтверждена надежность и пространственная устойчивость системы на всех этапах ее жизни.
Если в концептуальном проекте в ходу приближенные (ручные) расчеты, дающие возможность инженеру-конструктору почувствовать «игру сил» в конструкции и далее осознано, предвидя результат, переходить к работе с компьютером, то на стадии «Проект» рассчитываются сечения основных элементов. Здесь уже вовсю пользуются компьютером. На этой стадии, когда обычно соотносятся геометрические и жесткостные параметры элементов системы, рекомендуется переход от сложной к упрощенной схеме с последующим ее усложнением за счет последовательного присоединения новых элементов и исследования их влияния на работу конструкции в целом.
Инженерные системы зданий и сооружений
... ПЛ = 160 мм – принята по расчету. План здания и разрез представлены в Приложении 1. РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ПОМЕЩЕНИЯМИ ЗДАНИЯ Ориентация главного фасада здания – северо-запад. Определение потерь теплоты ... После определения тепловых потерь всеми помещениями здания Q зд , Вт (удвоенное значение рассчитанных для одной секции потерь теплоты), следует найти расход теплоты за отопительный период, ...
На стадии рабочего проектирования расчетная схема максимально приближается к несущему остову сооружения. Особое внимание следует уделять узлам, стараясь выполнять сопрягаемые элементы равнопрочными. Численные методы, ориентированные на широкое использование современной вычислительной техники, способствуют успешному решению сложных задач. Их использование позволяет учесть различные виды загружений и воздействий, конструктивные особенности системы — геометрию поверхности, переменные толщины элементов, наличие проемов и так далее. При этом в большинстве случаев применяют хорошо известные стандартные вычислительные комплексы. Для повышения надежности результатов расчеты рекомендуется проводить по различным программам и сопоставлять полученные данные. Расчет «в две руки» — один из приемов, снижающий вероятность ошибок (элемент внутреннего контроля).
Но использование компьютера, позволяющего оперировать огромными массивами чисел, имеет и обратную сторону. Молодые инженеры решают на компьютере все более сложные задачи без предварительного выполнения упрощенных расчетов для осознания «игры сил» в конструкции. В то же время такое осознание, основанное на правилах строительной механики, — совершенно необходимо. Вслепую расшифровывать численные результаты без первоначальных знаний об ожидаемых расчетных величинах ненельзя.
Важнейший этап — составление расчетной схемы сооружения, представляющей идеализированную модель, максимально приближенную к натурной системе, надежность которой прочувствована уже в эскизном проекте и доказана на стадии «Проект».
В большинстве случаев расчеты уникальных сооружений выполняются в геометрически нелинейной постановке. Их рекомендуется выполнять с учетом неупругих деформаций, деформаций усадки и ползучести бетона, приводящих к изменению геометрии системы при длительной эксплуатации. Кроме того, следует учитывать образование трещин в железобетонных элементах на участках, где они работают на внецентренное сжатие с большими эксцентриситетами, что приводит к местному снижению изгибной жесткости. Так как большепролетные и высотные сооружения относятся к системам, в которых присутствует нелинейность, при их расчете неприменим принцип независимости действия сил и поэтому приходится последовательно, шаг за шагом, загружать конструкцию и всякий раз фиксировать изменение ее формы и способность измененной структуры воспринимать новую «порцию» нагрузок.
При расчетах следует иметь в виду статическую и динамическую реакции большепролетных и высотных сооружений на воздействия ветра с учетом квазистатических и резонансных вкладов. Динамический расчет таких систем сложен по причине их пространственной работы, геометрической и физической нелинейности, существенного влияния податливости основных, элементов и так далее, но, тем не менее, необходим, поскольку существуют системы, устойчивость которых нельзя установить статическими расчетами, — только динамический метод может в подобных случаях оказаться действенным.
История развития строительных конструкций
... Строительные процессы в части изготовления конструкций всё больше становятся заводскими. Работа же строителей нацелена на механизированный процесс сборки и монтажа зданий и сооружений ... слабое сопротивление скалыванию. Историческое развитие деревянных конструкций как отрасли строительной техники неизбежно связано с развитием производства, ... Создаются такие уникальные сооружения, как Московский Кремль ...
Повышенная по сравнению с традиционными конструкциями легкость и деформативность большепролетных покрытий определяют их чувствительность к динамическим воздействиям. Следует отметить, что динамическую реакцию можно существенно снизить конструктивными мероприятиями, например, введением в систему дополнительных оттяжек или демпфирующих
Важный раздел расчета уникальных сооружений — проверка их общей и местной устойчивости, конструирование опорных устройств.
Перечисленное показывает не только охват и глубину знаний, которыми должен обладать инженер-конструктор, но и меру его ответственности за безопасность сооружения. Отсюда необходимость персонального лицензирования инженеров на право работать с уникальными объектами. Нынешнее положение, когда авторы прикрыты ответственностью организации, где они работают, зачастую приводит к парадоксальным ситуациям.
Научно-техническое сопровождение
Проектирование уникальных большепролетных и высотных сооружений предполагает обязательное комплексное научно-техническое сопровождение, которое включает: упомянутые ранее продувки макета сооружения в аэродинамической трубе и разработку рекомендаций по определению снеговых и ветровых нагрузок; изготовление и исследование физической модели сооружения; в особо сложных случаях не исключается создание крупномасштабного прототипа сооружения, как это было сделано при проектировании Дворца спорта «Юбилейный» в Санкт-Петербурге (на такой натурной модели не только испытывались несущие конструкции, но и отработывались монтажные операции).
Научные бригады могут оказать существенную помощь при составлении и исследовании расчетной схемы сооружения, выполнении проверочных расчетов. Кроме того, научно-исследовательские и специализированные организации привлекаются к изготовлению и монтажу конструкций, разработке рекомендаций по обеспечению жизнеспособности сооружения в экстремальных ситуациях, мониторингу основных несущих конструкций на стадии возведения и эксплуатации. Экспериментальные исследования на крупномасштабных моделях, прототипах и натурных объектах выполняются не только для выявления действительной картины напряженно-деформированного состояния сложных систем, но и для исследования таких сторон работы конструкций, которые трудно рассчитывать математическими методами.
Другая важная задача — подготовка рекомендаций по выбору рационального варианта конструктивной схемы, оптимальных геометрических соотношений и жесткостных параметров. Не все проектировщики сегодня могут охватить в сжатые сроки этот комплекс проблем и найти ему подобающее решение. Подключение научных институтов к проектированию как нельзя лучше отвечает этим задачам.
Некоторые специальные вопросы проектирования
При проектировании уникальных сооружений необходимо учитывать также аварийные ситуации.
«Аварийная расчетная ситуация — это работа несущих конструкций в исключительных условиях (например, пожар, промышленный взрыв, авария оборудования, при малой вероятности проявления в небольшой продолжительности), которая приводит в большинстве случаев к тяжелым последствиям, если не принимаются специальные меры».
Проектирование системы внутреннего холодного водоснабжения жилого здания
... курсовой работе проектирование системы водоснабжения и водоотведения выполнялось, исходя из двух наиболее важных аспектов: экономической целесообразности и комфортности со стороны потребителей и технического обслуживания. 1. Проектирование системы внутреннего холодного водоснабжения здания, .1 Выбор и обоснование системы внутреннего холодного водоснабжения ...
Отечественные нормы не регламентируют необходимость проверки несущих конструкций на живучесть. Эта ситуация непосредственно связана с предвидением отказа какого-либо элемента конструкции при проектировании. Естественно возникают вопросы: какие элементы следует при расчетах исключить, в каком количестве, в какой последовательности, какие расчетные сочетания нагрузок принимать для этого случая? Ответы на них – в работе инженера-конструктора. Он должен иметь в виду, что каждому сооружению присуща некоторая вероятность разрушения. Попытка приблизить ее к нулю сопровождается стремлением стоимости сооружения к бесконечности. Повышенный уровень надежности уникального сооружения и обеспечивающий надежность перечень дополнительных мероприятий должен быть обязательно оговорен в Техническом задании на проектирование, утверждаемом заказчиком.
Вместе с тем обеспечить существование уникального большепролетного или высотного сооружения после отказа опорного контура висячих или выпуклых оболочек, несущих пилонов или колонн высотного здания, подвесок вантовых систем и тому подобное — невозможно. Очевидно, что живучесть таких сложных систем должна достигаться в первую очередь необходимыми запасами несущей способности основных элементов конструкций, работающих на общую устойчивость сооружения, исключением лавинообразного обрушения системы вследствие отказа второстепенных элементов конструкции, узлов и деталей, а также комплексом антитеррористических организационных мероприятий, как это делается в авиационном транспорте и при охране мостов.
Выводы
Статистические данные, информация об авариях уникальных объектов и опыт выявления причин обрушения большепролетных покрытий показывают, что в большинстве случаев катастрофические ситуации становятся результатом комплекса ошибок, в ряду которых первое место занимают просчеты проектировщиков.
