Регулирование напряжённо-деформированным состоянием усиленных железобетонных ферм покрытия производственных зданий

Актуальность темы. Современное производственное строительство характеризуется возрастанием нагрузок на несущие строительные конструкции. Это связано с внедрением нового оборудования и изменением функционального назначения производственных помещений. В результате железобетонные фермы покрытия в процессе эксплуатации подвергаются силовым и деформационным воздействиям, приводящим к раскрытию трещин, накоплению остаточных деформаций и снижению несущей способности элементов. Проблема обеспечения требуемой несущей способности железобетонных ферм приобретает особую актуальность при реконструкции производственных зданий, где необходимо ограничить вмешательство в существующие несущие системы и минимизировать сроки выполнения строительно-монтажных работ. Необходима разработка эффективных конструктивных решений регулирования напряжённо-деформированным состоянием железобетонных ферм, соответствующих современным требованиям по надёжности, безопасности и экономической целесообразности. Перспективным направлением представляется разработка конструктивных решений регулирования напряжённо-деформированного состояния, позволяющих интегрировать различные приёмы усиления в единую систему. Такой подход обеспечивает возможность проектирования индивидуальных решений с учётом конструктивных особенностей и условий эксплуатации объекта. Степень разработанности. Проблема регулирования несущей способности железобетонных ферм находится в поле зрения как российских, так и зарубежных исследователей. В России значительный вклад в развитие способов усиления и регулирования несущих конструкций внесли Маилян Д. Р., Чернышов Е. М., Абакумов В. Г., Баранов А. Н., Кузнецов В. В., Миронов С. А. и Смирнов Е. А. Их работы охватывают вопросы расчета, проектирования и модернизации несущих конструкций, включая применение композитных материалов, предварительного напряжения и комбинированных способов усиления. Среди зарубежных учёных, внёсших значительный вклад в развитие данной тематики, следует отметить работы E. Brühwiler (Швейцария) по вопросам усиления железобетонных конструкций композитными материалами, а также J. M. Ko (Гонконг) и A. Nanni (США), разработавших современные способы мониторинга и управления несущей способностью строительных конструкций. Регулирование несущей способности остаётся недостаточно изученным вопросом в современной инженерной практике, в частности в Сирийской Арабской Республике. Дальнейшего анализа требует проблема оптимального сочетания различных способов усиления в рамках единой системы регулирования, обеспечивающей комплексный подход к повышению эксплуатационной надежности конструкций. Также недостаточно исследованы вопросы минимизации ограничений при выполнении работ по усилению ферм в условиях действующих производственных объектов, где необходимость обеспечения непрерывности технологических процессов предъявляет дополнительные требования к выбору способов и сроков проведения работ. Цель работы. Разработка научно обоснованных конструктивных решений по регулированию напряжённо-деформированным состоянием несущей способности железобетонных ферм покрытий производственных зданий на основе современных способов усиления, направленных на повышение эксплуатационной надёжности. Задачи исследования: 1. Анализ эффективности традиционных и современных способов регулирования несущей способности железобетонных ферм. 2. Разработка усовершенствованных конструктивных решений регулирования несущей способности железобетонных ферм. 3. Проведение экспериментальных исследований образцов ферм, верификация и валидация расчётных моделей с учтом экспериментальных данных.¬¬ 4. Расчёты напряжённо-деформированного состояния железобетонных ферм покрытия, в том числе с системой регулирования несущей способности. 5. Разработка математических моделей состояния железобетонных ферм покрытия, в том числе с системой регулирования несущей способности, и их анализ. 6. Разработка научно обоснованных конструктивных параметров железобетонных ферм с учетом системы регулирования несущей способности. 7. Разработка практических рекомендаций по проектированию систем регулирования несущей способности ферм для промышленного строительства. 8. Экономическое обоснование применения систем регулирования несущей способности. Объект исследования. Стропильная железобетонная ферма покрытия производственных зданий с системой регулирования несущей способности. Предмет исследований. Конструктивные параметры для регулирования несущей способности железобетонных ферм покрытия производственных зданий, включая анализ, моделирование и обоснование систем регулирования несущей способности. Научная новизна. 1. Разработаны и усовершенствованы конструктивные решения, обеспечивающие регулирование несущей способности железобетонных ферм покрытия производственных зданий. 2. Выполнено численное исследование работы ферм покрытия с регулируемой несущей способностью на основе методов нелинейного расчёта. 3. Проведённые расчёты позволили прогнозировать поведение конструкций под действием эксплуатационных нагрузок, определить распределение внутренних усилий и напряжений, а также проанализировать характер и величину деформаций. 4. Разработаны математические модели напряжённо-деформированного состояния железобетонных ферм. Модели охватывают как типовые фермы покрытия, так и фермы с регулируемой несущей способностью, что позволяет осуществлять прогнозирование их работы при различных вариантах эксплуатации и усиления. 5. Определены предельные состояния основных конструктивных элементов фермы. Исследованы параметры, влияющие на работу железобетонных ферм при введении предварительного напряжения в натяжных элементах усиливающего устройства, что обеспечивает повышение надёжности и эффективности конструктивных решений. Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость исследования проявляется в систематизации и анализе существующих способов регулирования несущей способности ферм, включая традиционные и современные подходы, что позволяет выявить их преимущества и ограничения. Разработаны конструктивные решения, обеспечивающие регулирование несущей способности железобетонных ферм покрытия производственных зданий (пат. №2754840 РФ, МПК E04G 23/0218, пат. №2761800 РФ, МПК E04G 23/02, решение о выдаче патента РФ от 10.09.2025 по заявке на изобретение RU № 2025101999 А и решение о выдаче патента РФ от 10.09.2025 по заявке на изобретение RU № 2025102001 А) методика их проектирования и инженерного расчета. Созданные математические и компьютерные модели для оценки эффективности систем регулирования несущей способности ферм покрытия, расширяют методологическую основу расчета и проектирования усиленных конструкций, учитывающих нелинейные деформации при взаимодействии новых и существующих элементов системы. Практическая значимость исследований заключается в разработке конструктивных решений регулирования несущей способности ферм, минимизирующих конструктивные ограничения при реконструкции действующих производственных объектов. Предложенные конструктивные решения позволяют сократить сроки выполнения работ, снизить трудоёмкость и материалоёмкость усиления, что подтверждается экономическим обоснованием, включающим сравнительный анализ с традиционными методами. Результаты экспериментальных исследований, валидация и верификация расчётных моделей обеспечивают достоверность предлагаемых решений, а разработанные практические рекомендации по проектированию, эксплуатации систем регулирования несущей способности ферм могут быть непосредственно внедрены в промышленное строительство. Результаты исследований могут быть использованы при реконструкции и модернизации производственных зданий, а также при проектировании новых конструкций с повышенными требованиями к несущей способности и долговечности ферм. Методология и методы исследования – методы теоретического и системного анализа, математического и компьютерного моделирования, теории многофакторных экспериментов с использованием методов математической статистики. Численное математическое моделирование осуществлялось с использованием пакета программы Ansys 2024. Изгибающие моменты рассчитывались в программе SW FEA 2D FRAME 2024. Результаты экспериментов обрабатывались в wxMaxima. Расчет экономической эффективности от внедрения полученных результатов выполнен с использованием программы Гранд Смета, данные обрабатывались в пакете Excel Microsoft Office. Положения, выносимые на защиту: 1. конструктивные решения регулирования усиления приопорных частей железобетонных ферм; 2. математические и компьютерные модели, обеспечивающие прогнозирование поведения ферм под нагрузкой, включая распределение напряжений и деформаций от конструктивных факторов влияния; 3. результаты экспериментальных исследований вертикальных деформаций, эквивалентных напряжений и эквивалентных упругих деформаций в фермах, подтверждающие эффективность разработанных конструктивных решений регулирования несущей способности; 4. методика инженерного расчета основных конструктивных параметров ферм покрытия с повышенной несущей способностью; 5. технико-экономическое обоснование применения разработанных конструктивных решений регулирования несущей способности приопорной части фермы покрытия.