Но факт остается в том, что в один прекрасный момент люди захотели что бы лодка плавала быстрее, дома становились вместительннее, а мосты длиннее. Так возникла потребность в точном определении того, что требовалось изготовить или построить.
К счастью, к этому моменту, хорошо подготовились математики. Лагранж, Эллер, Гук и др. внесли большой вклад в разработку математического аппарата Теоретической механики и Теории упругости. К концу XIX века получила достаточное развитие дисциплина получившее название Строительная механика.
После чего проектирования каждого здания стало начинаться с точного расчета.
Но оказалось, что однозначно определить все нагрузки и воздействия на конструкцию здания в течении всего периода эксплуатации здания не представляется возможным. Используя аппарат Статистических методов и Теории Вероятности можно оценить диапазон отклонений нагрузок на конструкцию от осредненных значений (в некотором роде "волатильность" нагрузки). При этом, точность расчета конструкций имеет некоторую "избыточность”, относительно реальных усилий, которые возникают в конструкции (при реальных воздействиях). Следует заметить, что не только усилия имеют случайные значения, но и сам характер усилий в элементах конструкции приобретает черты случайного процесса.
На рис1 а, и б проиллюстрирован случай, на примере балки на упругом основании, когда сам по себе переход от детерминированной модели к стохастической ("случайной”) приводит к "появлению” усилий в конструкции!
рис 1а. Схема "детерминированного" основания.
рис 1б. Схема "стохастического" основания.
Кроме того, случайным (вероятностным) являются и сами свойства строительной конструкции, причем они могут меняться, как от внутренних, так и тот внешних факторов. Возьмем к примеру сталь. В зависимости от условий плавки, структура сплава может быть различной в пределах одной номинальной марки стали, при этом различными будут и механические свойство проката, изготовленного из металла этой плавки. Это внутренний фактор. Внешними факторами, могут быть: условия эксплуатации: химическая агрессивность среды, вибрационный воздействия, температурные воздействия и т.д. Они могут быть различными даже для двух зданий (а возможно и для двух колонн), стоящих рядом). На железобетонные конструкции влияют и условия твердения (температура, влажность), и качество уплотнения бетонной смеси, и даже гладкость поверхности минеральных заполнителя. По мнению ряда исследователей на стойкость арматуры в железобетонных конструкциях может повлиять электромагнитный фон (смог) существующий в крупных городах.
Множество подобных факторов серьезно затрудняет точное определения как собственно усилий, так, что особенно важно, и разрушающих нагрузок, на которые необходимо рассчитывать конструкции зданий. Часто бывает, что определить точное значение параметров необходимых для расчета зданий попросту невозможно.
В XX веке, и особенно, в начале нынешнего века, на проектирование и расчет несущих конструкций зданий как это бы не казалось странным, стал оказывать воздействие новый фактор - организационный. В процессе проектирования - проектировщик оказался в ситуации, когда параметры проектируемого здания стали сами по себе случайной величиной. Не редкость, когда этажность и площадь здания увеличиваются в ходе проектирования. Порой материал, типы конструкций, марки стали и бетона заказчиком проекта заменяются на другие. Неопределенность набора помещений при проектировании зданий, привела к сложности в определении( в назначении) несущих стен и колонн. Это явление получило название - "случайные” стены или "случайные” колонны (рис.2).
рис 2. Схема "случайных" колонн.
Таким образом, весь вышеуказанный спектр воздействий на конструкцию здания можно назвать фоновым воздействием. Фоновые воздействия, как правило, действуют все время эксплуатации здания и интегральное значение этих воздействий обычно постоянно. В строительных нормах ряда стран (Украина) к понятию фоновое воздействие близко понятие квазистатичесих нагрузок.
Применительно к железобетонным конструкция, фоновые воздействия вызвали появление фоновой арматуры. Введем определение: Фоновое армирование - армирование воспринимающее основные эксплуатационные (средние) и возможные случайные воздействия и нагрузки на конструкцию, а также участвующее в восприятии нагрузок в случае так называемого непропорционального (прогрессирующего) разрушения здания (сооружения).
В дополнении к фоновым нагрузкам, на здание действуют пиковые нагрузки: порывистые воздействие ветра, максимальные снеговые нагрузки, сейсмические нагрузки, локальные нагрузки от оборудования и т. д. (особые воздействия: взрывные, техногенные, аварийные и т.п. выходят за рамки данной статьи). Пиковые воздействия носят ограниченный по времени характер, но приводят к возникновению в конструкциях максимальных расчетных усилий (рис. 3).
рис 3. Усилия от возможного положения "случайных" колонн.
Отметим, что с точки зрения вероятностной теории прочности фоновые воздействия могут оказывать более существенно значение на прочность всего здания, чем пиковые воздействия. Это возможно из-за того, что накопление повреждений (количество повреждение) пропорционально, как уровню усилия, так и времени воздействия усилия. Однако, учет данного явления на практический расчет здания, пока, не нашел отражения в действующих СНиП.
Наличие определенного количества фоновой арматуры, облегчает работу проектировщика, позволяя свободнее обращаться с расположением стен и колонн при компоновки помещений здания. При этом незначительные изменения местоположения несущих стен и колонн не влекут за собой изменение армирования конструкций. В некоторых случаях, для специально разработанных конструктивных схемах зданий (точное определение данного утверждения выходит за рамки данной статьи) можно говорить, что армирования инвариантно по отношение к расположению несущих вертикальных конструкций. Так называемое конструктивне армирование (которое требуется устанавливать согласно СНиП) является частным случаем фонового армирования. Кроме того, фоновое армирование в условиях массового строительства позволяет избежать ошибочных проектных решений.
Обычно, при правильно запроектированной конструкции, зона расположения фоновой арматуры занимает 85-90% площади конструкции (этажа), а в остальных местах ставиться пиковая арматура , в дополнение к фоновой. При этом, фоновую арматуру проектируют в виде верхней и нижней ортогональной сетки с регулярным шагом (не более 200 мм) и одинаковым для каждого направления диаметром арматуры. Минимальный диаметр арматуры принимают: для плиты толщиной 250 мм - Ø16мм, для плит толщиной 160-200мм - Ø12мм. Пиковая арматура ставится по расчету на максимальные усилия и она может выполняться из отдельных стержней разного диаметра (но не менее диаметра фоновой арматуры). Допускается устанавливать пиковую арматуру только в направлении действия максимальных усилий.
рис 4. Схема "фоновой" и "пиковой" арматуры.
Правильное понимание характера нагрузок воздействующих на конструкцию и способность конструкции по сопротивлению этим нагрузкам в течении всего срока службы конструкции позволит избежать ошибок при проектировании и снизить аварийность при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.
* * *
