Природа случайного характера поведения несущих конструкции в эксплуатации.

Несущая способность однотипных несущих конструкций и действующие на них нагрузки неоднозначны, что отражается в слу­чайном характере поведения конструкции в эксплуатации.

Каковы основания для отнесения поведения несущих конст­рукций к категории случайных?

Первым таким основанием является широкое при­менение в расчетах строительных конструкций идеализированных и упрощенных моделей, в которых учитываются не все действую­щие факторы. Рассмотрим несколько примеров.

Пример 14 .1. На угол поворота опорных сечений влияют силы тре­ния, случайные значения которых зависят от состояния контактных поверхно­стей шарнира.

Пример 14.2. Фактическая эпюра напряжений в сжатой зоне бетона отличается от прямоугольной, принятой для упрощения расчета. Криволиней­ное очертание эпюры (рис. 14.1,а) в серии однородных конструкций будет слу­чайным образом изменяться 6 зависимости от деформативных и прочностных свойств железобетонного элемента.

Пример 14.3. Закон Гука, применяемый в расчетах предварительно напряженных железобетонных конструкций, относится только к идеально уп­ругим телам, в то время как бетон представляет собой упругопластический материал. В результате учета упругопластических дефор­маций напряжения сжатия в ниж­нем поясе от усилия натяжения ар­матуры уменьшаются (рис. 14.1, 6). Эти изменения напряжений будут случайными, так как они зависят от свойств бетона, усилия натяже­ния арматуры и геометрических характеристик сечения.

Вторым основанием для отнесения поведения несущей конструкции к категории случайных явлений выступает сложность, слабая предсказуемость и неизученность ряда физических процес­сов, протекающих при эксплуатации. Деформации усадки и ползу­чести колеблются в широких пределах в зависимости от большого числа изменчивых случайных факторов (состав бетона, условия его твердения, действующие напряжения, климатические условия и др.). Ни одна из существующих в настоящее время теорий не может од­нозначно определить исход протекания процессов усадки и ползу­чести, поскольку этих факторов так много, что практически невоз­можно учесть их.

Точно так же нельзя однозначно предсказать прочность бе­тона в различных элементарных объемах железобетонного изделия. Так, лабораторией ЖБК ХИСИ проводились исследования по вы­яснению характера распределения прочности в пределах

изгибае­мого элемента. Прочность бетона в стенке оценивалась по скорос­ти прохождения ультразвука. Как показали измерения, поля с по­ниженной и повышенной прочностью бетона чередуются без видимых закономерностей (рис. 14.2), что зависит от технологии из­готовления железобетонных балок.

Лабораторией мостовых конструкций МИИТа при обследо­вании мостов на Красноярской железной дороге были обнаружены пролетные строения с пониженной прочностью бетона в стенках. Прочность в ослабленных зонах, измеренная неразрушающим способом, составила 40—60 % от проектной.

Причины появления дефектов могут быть техно­логического характера (от­клонения в составе бетона, некачественное уплотнение смеси в зоне наклонных пуч­ков, наличие технологических раковин, заделанных слабым бетоном) или под влиянием эксплуа­тационных факторов (постоянное увлажнение и выщелачивание бе­тона из-за неисправности водоотвода, что приводит к коррозии бетона, его замораживанию, разрыхлению структуры бетона из-за действия главных растягивающих напряжений, динамические воз­действия нагрузки).

Рис. 14.1. Эпюры напряжений в бетоне:

а—при разрушении; б—при обжатии бетона;

1 — прямоугольная эпюра; 2 — криволиней­ная эпюра;

3—с учетом упругопластических деформаций;

4 — при упругой работе ма­териала;

Рис.14.2. Распределение прочности бетона в балке: R — средняя прочность бетона.

Рис. 14.3. Предварительные напря­жения в арматуре;

σ_пр— проектные значения предварительных напря­жений;

N1, N2, N3, N4, N5 — номера напрягаемых стержней.

Третьим основанием для отнесения поведения конст­рукции к категории случайных является нестабильность свойств материалов и технологических приемов при изготовлении и мон­таже железобетонных конструкций.

Поступающие для приготовления бетона песок, щебень и це­мент обладают различной плотностью. Качество изготовления и монтажа находится в зависимости от оснащенности производства технологическим оборудованием, уровня механизации и техничес­кого состояния машин и механизмов.

Пример 14.4. Ярким примером случайной величины, обусловлен­ной однородностью свойств материалов и отклонениями в технологических процессах, служит кубиковая прочность бетона, которая определяется таки­ми случайными факторами, как активность цемента, крупность заполнителя, загрязненность инертных заполнителей, способ уплотнения бетонной смеси, режим пропаривания и т.д.

Пример 14.5. Прочность строительных сталей и арматуры обладает статической изменчивостью, обусловленной разбросом механических характеристик как внутри одной плавки, так и между отдельными плавками.

Пример 14.6. Усилие натяже­ния предварительно напряженной арма­туры для одних и тех же конструкций не­стабильно вследствие разной длины проволок, их проскальзывания в анке­рах и захватах, неоднородности деформативных свойств арматуры (рис. 14.3).

Пример 14.7. Геометрические размеры конструкций изменяются в пре­делах технологических допусков, уста­новленных на заводах железобетонных изделий в зависимости от применяемого оборудования. Эти изменения и от­клонения носят случайный характер и зависят от состояния технологического оборудования и культуры производства.

Пример 14.8. Расчетный эксцентриситет приложения нагрузки для железобетонных пролетных строений под железнодорожную нагрузку опреде­ляется точностью монтажа балок, укладки пути и его деформациями в процес­се эксплуатации, плотностью и упругими свойствами балласта под шпалами и может изменяться случайным образом в 1,5—2 раза.

Пример 14.9. При монтаже колонн многоэтажного здания наблю­дается их отклонение от вертикали и эксцентриситеты в стыках. Чем больше высота здания, тем длиннее расчетная цепь погрешностей и более значитель­ны отклонения от проектного положения замыкающего звена. Эти отклоне­ния зависят от культуры сборки и монтажа и носят случайный характер.

Четвертым основанием для отнесения поведения кон­струкции к категории случайных является изменчивый характер фи­зических процессов, вызванных влиянием внешней среды и оказы­вающих влияние на величины и направления нагрузок естественно­го происхождения. К таким нагрузкам относятся ветровая, снеговая, сейсмическая, гололедная, волновые воздействия моря. Причина­ми этих воздействий являются случайные процессы, происходящие в атмосфере, земной коре и гидросфере.

Ветровая нагрузка, действующая на сооружение, по своей при­роде носит случайный характер, обусловленный случайным распре­делением полей давлений и температур в атмосфере и переменой рельефа местности. Толщина снега на покрытии кровли и его объем­ная масса, которые определяют значения снеговой нагрузки, явля­ются случайными величинами, так как вес снегового покрова изме­няется в зависимости от метеорологических условий и очертаний кровли, на которой возможно повышенное накопление снега в так называемых, снеговых мешках, препятствующих его сдуванию вет­ром. Трудно предсказуемая интенсивность землетрясения и располо­жение его эпицентра, многократная дифракция и интерференция при прохождении сейсмических волн в сложных и геологически неодно­родных слоях земной коры предопределяют случайную природу сей­смического воздействия. Волновые колебания моря, определяющие нагрузки на нефтепромысловые сооружения (стационарные и пере­движные), на берегоукрепительные сооружения являются результа­том случайных процессов, происходящих в атмосфере.

Пятым основанием для отнесения поведения конструк­ции к категории случайных является случайный характер времен­ной и постоянной нагрузки. Нагрузка от собственного веса конст­рукции обладает статистическими свойствами, обусловленными
изменениями объемной массы материала, влажности, отклонением
геометрических размеров от номинальных в связи с особенностями технологии изготовления.

Внутренние усилия в подкрановой балке (рис. 14.4) зависят от положения крана на ней, от расположения грузовой тележки в проле­те цеха, от веса поднимаемого груза. Все эти факторы, особенно их сочетания, носят случайный характер.

Временные подвижные нагрузки на мосты и другие искус­ственные сооружения также имеют случайный характер. Статистичес­кая изменчивость временных нагрузок обусловлена различным давле­нием на ось в зависимости от степени загрузки подвижного состава.

Рис. 14.4. Случайные величины Q., a_i, х_i, влияющие на внутренние усилия в подкрановой балке:

1 — подкрановая балка; 2 — мостовой кран; 3 — грузовая тележка; — случайное значение опорной реакции

В процессе эксплуатации происходит одновременное комп­лексное воздействие случайных факторов перечисленных категорий. В результате случайное изменение начального или промежуточного состояния приводит к случайному изменению конечного состояния конструкции и времени выхода ее из строя. По­ведение конструкции определяется факторами случайной природы на­грузок, неоднородными свойствами конструк­тивных материалов и не­стабильностью техноло­гических приемов при изготовлении и монтаже.

В процессе эксплуатации характер случайного поведения кон­струкций обусловлен еще и тем обстоятельством, что каждое пос­ледующее случайное воздействие на конструкцию (а тем более ком­бинация из двух и более воздействий) усиливает эффект от преды­дущего воздействия (суммы предыдущих воздействий), суммируется с усталостными процессами в материалах конструкций, усиливая таким образом случайный характер поведения конструкций.