30 Апр

ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Проектирование, целью которого является не только поиск функционально эффективных решений, но и удовлетворение разных, порой противоречивых потребностей людей, обоснованный выбор окончательного варианта, называется оптимальным проектированием. Активно оно начало применяться со второй половины XX века благодаря достижениям теории исследования операций, теории принятия решений, а также широкому распространению вычислительной техники, которые позволили разработать соответствующие методы, решать сложные математические задачи и в достаточно короткие сроки просчитывать многочисленные варианты.

Теория оптимального проектирования получила значительное развитие в связи с решением важных задач снижения материалоемкости конструкций и улучшения их характеристик. В данной теории изучаются вопросы наилучшего выбора силовой схемы, свойств материалов и условий работы конструкции, исследуются общие закономерности экстремальных решений и развиваются эффективные методы оптимизации [1, с. 5]. В результате исследований по оптимальному проектированию выясняются предельные возможности улучшения конструкций, оценивается качество неоптимальных сооружений, выясняются наиболее эффективные способы их совершенствования. Теорию оптимального проектирования отличает широкое разнообразие постановок задач.

Целью многих исследований по оптимальному проектированию является определение наиболее эффективного способа оптимизации. Обычно при оптимальном проектировании конструкций имеется широкий выбор переменных проектирования, их варьирование влияет на величину критерия качества. На поведение оптимизируемой конструкции накладываются ограничения, записываемые в виде неравенств, а также ограничения типа равенств. Современные методы оптимального проектирования позволяют учитывать ограничения обоих типов.

 В нашей стране с 1955 года расчет строительных кон­струкций, оснований и фундаментов производится по методу предельных состояний. Цель проектирования строительных конструкций и оснований по предельным состояниям заключается в назначении таких размеров и материалов конструкций и оснований, при которых значения нагрузок, усилий, напряжений, деформаций, перемещений, раскрытия трещин и т.д. не превышали бы предельных значений, устанавливаемых нормативными документами, но были бы близки к ним. При этом подразумевается, что полученное проектное решение является наилучшим. Однако для проектируемого здания в заданных местных условиях обычно существует множество проектных решений оснований и фундаментов, удовлетворяющих исходным данным и расчетам по предельным состояниям.

Результаты проектирования различных типов фундаментов показывают, что критерий близости к предельному состоянию для выбора наилучшего проектного решения явно недостаточен. Для получения оптимального решения необходимо привлекать технико-экономические показатели.

Под оптимальным решением понимается вектор управляемых параметров Х* = (х1*, …, хn*), который удовлетворяет всем ограничениям, доставляет экстремальное значение целевой функции F(X) и называется оптимальной точкой, а также значение целевой функции в оптимальной точке, т.е. F(X*) [3, с. 1].

Применительно к проектированию фундаментов под вектором управляемых параметров понимается совокупность изменяемых параметров оптимизации, а именно конструкция и способ устройства фундамента, его геометрические размеры, материалы, из которых сделан фундамент. Целевая функция — это скалярная функция одной или нескольких переменных, характеризующая качество оптимизируемого проектного решения. На основе целевой функции получают некоторый критерий качества конструкции, называемый критерием оптимальности.

Критерий оптимальности – это функция переменных проектирования, представляющая основу выбора между приемлемыми альтернативными проектами [2, с. 113].

Качество проектного решения оснований и фундаментов рекомендуется оценивать по следующим целевым функциям (критериям качества) [3, с. 2]:

— стоимостные критерии: сметная стоимость, приведенные затраты, капитальные вложения в материально-техническую базу строительства, эффект от ускорения строительства, эксплуатационные затраты и т.д.;

— натуральные критерии: продолжительность возведения, расход материалов, затраты труда и т.д.

Задачу оптимизации решают как многокритериальную, одновременно рассматривая несколько критериев качества проектного решения. При надлежащем обосновании допускается решать задачу оптимизации как однокритериальную, рассматривая только один критерий качества, чаще всего им является сметная стоимость.

Однокритериальная задача оптимизации состоит в выборе таких параметров, при которых удовлетворяются все ограничения, накладываемые на проектные решения, а рассматриваемый критерий качества принимает минимальное значение. В многокритериальной задаче наилучшее решение математически строго определить не удается. В этом случае формируется множество Парето, из которого с использованием приближенных методов наилучшее решение приходится выбирать проектировщику.

Оптимальное решение должно удовлетворять всем накладываемым на проектную задачу ограничениям, под которыми понимаются:

— условия расчета по предельным состояниям (давления в подошве меньше расчетного сопротивления грунта; расчетные деформации меньше предельных; расчетная ширина раскрытия трещин меньше предельной; фактическая нагрузка на сваю под ростверком меньше нагрузки, допускаемой на сваю и т.д.);

— конструктивные требования (размеры монолитных фундаментов кратны установленным модулям, минимальный диаметр арматуры подошвы монолитного столбчатого фундамента 10 мм, толщина дна стакана в ростверке должна быть больше 250 мм, толщина защитного слоя в подошве фундамента не менее 40 мм и т.д.);

— требования, обусловленные технологическими особенностями проектируемого объекта;

— технические возможности местных строительных организаций, осуществляющих производство работ нулевого цикла.

Оптимизируемые варианты проектных решений оснований и фундаментов должны отвечать условиям сопоставимости. Проектные решения должны быть рассчитаны на одинаковые нагрузки для одних и тех же инженерно-геологических условий и в равной мере обеспечивать надежную эксплуатацию и долговечность здания; разработаны с одинаковой степенью проектной проработки в соответствии с действующими нормативными документами и с учетом научно-технических достижений в области фундаментостроения. Как правило, оптимизация проектных решений производится для одного отдельно стоящего фундамента (одного погонного метра стены) или для всего нулевого цикла.

Все оптимизируемые проектные решения должны удовлетворять требованиям надежности, безопасности и долговечности.

Оптимизацию проектного решения оснований и фундаментов можно условно разделить на два уровня. Первый уровень предусматривает рассмотрение всех вариантов фундаментов различных типов, которые технически возможно осуществить в заданных местных условиях для проектируемого объекта с учетом всех его особенностей. Второй уровень оптимизации предусматривает перебор всех возможных сочетаний параметров вариантов фундамента, намеченного к проектированию. Например, для свайных фундаментов необходимо проварьировать размеры сечения и длину сваи, расстояния между сваями и т.д.

Одним из важных разделов оптимизации является составление наборов параметров фундаментов, удовлетворяющих ограничениям решаемой задачи. Главным условием является не пропустить набор изменяемых параметров, доставляющий минимум целевой функции. Так как геометрические размеры фундамента кратны определенному модулю, площадь поперечного сечения арматуры кратна площади одного стандартного стержня, классы бетона и арматуры принимаются по таблицам норм, то переменные параметры не являются непрерывными, а представляют собой некоторое дискретное множество.

Первый уровень оптимизации — назначение к проектированию различных типов фундаментов — формализуется слабо, и его эффективность обусловлена знаниями и опытом проектировщика. Второй уровень оптимизации предусматривает перебор огромного количества сочетаний изменяемых параметров и поэтому выполняется с использованием современных расчетных комплексов и систем автоматизированного проектирования.

Список литературы:

  1. Баничук, Н.В. Введение в оптимизацию конструкций / Н.В. Баничук. – М.: Наука, 1986. – 303 с.
  2. Знаменская, Е.П. Геометрическая интерпретация результатов поиска оптимальных решений строительных конструкций / Е.П. Знаменская, А.М. Рузаев // Вестник МГСУ. – 2010. — №4. – С. 113– 116.
  3. Логутин, В.В. Оптимизация проектных решений оснований и фундаментов / В.В. Логутин // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». – Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ). –2012. — №4.
    ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ
    Written by: Фатьянова Анна Александровна
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 03/27/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_4(13)
    Available in: Ebook