Методы расчета технологических допусков при возведение строительных конструкций зданий.

 

В нашей стране до середины 50 годов прошлого столетия вопросам точности возведения конструкций зданий недостаточно уделялось внимания. С широким внедрением в практику строительства сборных конструкций эти вопросы заслужили пристального изучения.

В первых работах Л.С. Авирома, К.И. Башлая, Б.И. Беляева,И.С. Иванушкина, В.И. Эглита и других отражены результаты исследований этих авторов по точности возведения строительных конструкций зданий. Результаты этих исследований были положены в основу разработанных нормативных актов по точности возведения зданий и сооружений в нашей стране [ 13 ].

В связи с многообразием конструктивных схем различных зданий и сооружений, методов их возведения, применяемых материалов и конструкций, видов строительства, вопросы точности изготовления деталей, разбивочных и строительно-монтажных работ получили дальнейшее изучение.

Выполненные исследования по точности возведения конструкций зданий и сооружений учитывались при пересмотре и введении в действие новых редакций нормативных актов, разработанных ведущими научно-исследовательскими институтами: ЦНИИЭП учебных зданий Госгражданстроя при Госстрое СССР, ЦНИИЭП жилища Госгражданстроя при Госстрое СССР, ЦНИИОМТП Госстроя СССР, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко Госстроя СССР и др.

Элементы строительных конструкций взаимосвязаны и, сопрягаясь в узлах конструкций зданий, образуют размерные цепи. Поэтому точность их возведения в настоящее время рассчитывают с использованием основных положений теории размерных цепей, заимствованной из машиностроения [6,13,19].

Размерная цепь – совокупность размеров, образующих замкнутый контур и непосредственно участвующих в решении поставленной задачи. Она позволяет объединить в одном уравнении все виды погрешностей, оказывающих влияние на точность возведения конструкций зданий и сооружений. Размерная цепь состоит из составляющих и замыкающих звеньев цепи. Допуски для замыкающих звеньев цепи называют суммарными или функциональными, а для составляющих звеньев цепи - технологическими.

Расчет допусков геометрических параметров проводится на основе выявления размерных связей в конструктивно-технологических схемах зданий, изделий и их элементов, путем составления размерных цепей и решения уравнения точности.

При расчетах размерных цепей и решения уравнения точности может быть два вида задач: прямые и обратные.

Решение прямых задач это определение допусков замыкающих размеров, звеньев цепи. Исходными данными здесь являются допуски составляющих звеньев цепи или технологические допуски. Такие расчеты называются проверочными.

При решении обратных задач исходными являются допуски замыкающих звеньев цепи или суммарные (функциональные) допуски, а определяемыми допуски составляющих звеньев цепи или технологические допуски. Такие расчеты называются проектными.

Для расчетов допусков с применением теории размерных цепей применяют два метода:

1) на максимум-минимум (предельных погрешностей или наихудшего случая), который обеспечивает полную взаимозаменяемость деталей и узлов;

2) теоретико-вероятностный или вероятностный, который обеспечивает неполную, ограниченную взаимозаменяемость деталей и узлов, исходя из принятой доверительной вероятности Р.

Расчет суммарного допуска (замыкающего звена цепи) при известных технологических допусках (составляющих звеньев цепи) с применением метода максимума-минимума выполняется по выражению [6]:

, (2.1)

или

,(2.2)

где D_i, D₁,D₂,D_3, D_n-1 – максимальные и минимальные значения погрешностей составляющих звеньев цепи (технологических допусков); n - число звеньев в размерной цепи.

Достоинством такого метода расчета является простота сборки конструкций, выполняемая без подбора и подгонки. Для расчетов допусков с применением теории размерных цепей применяют два метода:

на максимум-минимум (предельных погрешностей или наихудшего случая), который обеспечивает полную взаимозаменяемость деталей и узлов;

теоретико-вероятностный или вероятностный, который обеспечивает неполную, ограниченную взаимозаменяемость деталей и узлов, исходя из принятой доверительной вероятности Р.

Расчет суммарного допуска (замыкающего звена цепи) при известных технологических допусках (составляющих звеньев цепи) с применением метода максимума-минимума выполняется по выражению [6]:

Недостатком этого метода расчета является:

1) арифметическое суммирование технологических допусков на размеры или положения элементов конструкций, составляющих размерную цепь, принципиально и практически необоснованно;

2) невозможно количественно оценить попадание размера или отклонения замыкающего звена в границе установленного допуска;

3) невозможно определить причины выхода размера за границы установленного допуска, если на него действует несколько факторов.

Применение этого метода расчета допусков возможно для размерных цепей с малым числом составляющих звеньев. Здесь заранее предполагается сочетание элементов конструкций с их предельными размерами и отклонениями, что приводит к определению (расчету) преувеличенных суммарных допусков.

Сочетание же элементов конструкций с максимальными погрешностями может происходить в действительности крайне редко. Поэтому расчет допусков методом максимума-минимума не находит широкого применения в строительстве [14].

Необходим метод расчета, позволяющий определять величину предельной погрешности замыкающего звена размерной цепи, без значительного снижения точности составляющих звеньев. Таким методом является теоретико-вероятностный (вероятностный), базирующийся на положениях теории вероятностей.

Здесь предполагается, что погрешности в размерах звеньев цепи и их сочетания при сборке элементов конструкций рассматриваются как события случайные, а распределение погрешностей в размерах или положениях звеньев цепи подчиняются закону нормального распределения с полем распределения от + ¥ до -¥.

Расчет суммарного допуска при известных технологических допусках с применением вероятностного метода выполняется по выражениям [13]:

, (2.3)

или

, (2.4)

где D₁, D₂, D₃, D_n-1 и D_i – допуски составляющих звеньев цепи или технологические допуски; n – число звеньев в размерной цепи.

При законах распределения случайных погрешностей, несколько отличающихся от нормального, в приведенные выше выражения следует включать коэффициент относительного рассеивания l, который характеризует степень отклонения закона распределения погрешностей i -го звена от нормального. В этом случае суммарный допуск или допуск замыкающего звена цепи определяется по выражению:

, (2.5)

При проектировании и строительстве зданий и сооружений выполняются и проектные расчеты, когда по значению суммарного (функционального) допуска на возведение строительных конструкций определяются технологические допуски (решение обратной задачи).

В СНиП I-А.4-62 и государственных стандартах системы обеспечения точности геометрических параметров в строительстве как в первой, так и во второй редакциях [3,4,5] для проверочных и проектных расчетов методами максимума-минимума и вероятностным приведены одни и те же формулы, соответственно (2.2) и (2.4).При этом предполагалось и предполагается расчет размерных цепей выполнять путем подбора или попыток в назначении технологических допусков, т.е. норм точности при изготовлении деталей, геодезических разбивочных работах и монтаже строительных конструкций.

Расчет точности по этим формулам позволяет определять сумму погрешностей составляющих звеньев цепи (суммарных допусков), но не решает вопроса о рациональном распределении этой суммы между составляющими звеньями цепи (технологическими допусками) при решении обратной задачи.

При таких расчетах точности монтажа строительных конструкций зданий и сооружений распределение суммарного (функционального) допуска между технологическими носит приближенный характер. Кроме того, практика возведения зданий и сооружений показывает, что подобранные из СНиП технологические допуски на стадии их проектирования не всегда обеспечивают собираемость их строительных конструкций. Следовательно, рассчитанные таким образом технологические допуски не строго обоснованы.

В государственных стандартах «Системы обеспечения точности геометрических параметров в строительстве» [3,4,5] нет рекомендаций по учету показателей ответственности зданий и сооружений при назначении норм точности на возведение их строительных конструкций. Поэтому необходим более совершенный метод расчета технологических допусков на монтаж строительных конструкций на стадиях проектирования и возведения зданий, а также необходима разработка методики расчета назначения точности изготовления деталей, геодезических разбивочных и строительно-монтажных работ.

При проектировании и строительстве зданий и сооружений выполняются чаще проектные расчеты (решение обратных задач), когда из условий эксплуатации назначаются функциональные допуски, а по ним определяют потом технологические, т.е. нормы точности на изготовление деталей, геодезические разбивочные работы и монтаж строительных конструкций. В нормативных документах [3,4,5,13] предусматривалось и предусматривается решение таких задач, но других формул кроме (2.2), (2.4), и (2.5) не дается. Проектные расчеты предусмотрено выполнять путем подбора в назначении значений технологических допусков, т.е. способом попыток или пробных расчетов. Но расчеты допусков на составляющие звенья размерной цепи при решении обратных задач (проектные расчеты) можно выполнять темя способами: попыток или пробных расчетов; равных допусков и равной точности.

При расчете способом попыток вопрос о рациональности распределения функционального (суммарного) допуска между технологическими не рассматриваются.

Из практики строительства известно, что подобранные из СНиП допуски на отдельные операции не всегда соблюдаются, вследствии чего нормы точности не всегда будут отвечать требованиям при монтаже строительных конструкций. При расчете размерных цепей вторым способом (равных допусков) допуск замыкающего звена (функциональный) распределяется между допусками составляющих звеньев (технологическими) равномерно.

Средний допуск для всех составляющих звеньев цепи определяется по выражениям:

– для метода максимума-минимума

; (2.6)

– для вероятностного метода

. (2.7)

Вычисленное значение среднего допуска на составляющие звенья можно корректировать исходя из возможности его выполнения. При этом должно соблюдаться условие равенства суммы всех допусков составляющих звеньев величине допуска замыкающего звена цепи. Этот способ проектного расчета допусков на составляющие звенья цепи прост и удобен, но он несколько произволен и его можно применять только для предварительных расчетов, так как при возведении зданий и сооружений размеры звеньев цепи одного порядка практически не встречаются.

Проектные расчеты допусков на составляющие звенья размерной цепи с использованием способа равной точности сводятся к определению коэффициента точности К или числа единиц допусков [6,13 ].При этом используются основные уравнения при расчетах размерных цепей (2.2) и (2.4). С учетом того, что допуски D_i = К_i * I_i, эти уравнения можно представить в виде:

– при расчете методом максимума-минимума

; (2.8)

– при вероятностном методе расчета

. (2.9)

По условию задачи К₁ =К₂=К₃=…=К_n-1 =К_cр. Тогда выражение (2.8) и (2.9) можно представить соответственно в виде:

;(2.10)

. (2.11)

Значения коэффициентов точности К_ср определяет

ся по выражениям:

– при методе максимума-минимума

;(2.12)

– при вероятностном методе

. (2.13)

По коэффициенту точности К_ср устанавливается класс точности и допуски на все составляющие звенья в размерной цепи.

Как отмечается в работах [6,13] способ равной точности при расчете размерных цепей в машиностроении позволяет назначать более рациональные допуски. По оценке автора [15] способ равной точности является наиболее приемлемым и для расчета точности возведения зданий и сооружений. Но для применения этого способа был необходим пересмотр системы допусков в строительстве. В разделе 1.2 отмечено, что в системе допусков СНиП 1-А.4-62 нормы точности на изготовление деталей, геодезические разбивочные работы и монтаж конструкций не были связаны между собой едиными параметрами и классами точности. На изготовление деталей было 8 классов точности, на геодезические разбивочные работы 3 класса точности, а на монтаж строительных конструкций 2 класса. Это не позволяло применять этот способ для расчета технологических допусков в строительстве. Необходим был пересмотр системы допусков СНиП 1-А.4-62.

Столбовым Ю.В. была предложена система допусков СНиП с включением в нее четырех классов точности на геодезические разбивочные и строительно-монтажные работы, взаимосвязанные едиными параметрами (размерами), с коэффициентами точности соответственно для 1, 2, 3, и 4 классов: 160 (0,16), 400 (0,4), 1000 (1,0) и 2500 (2,5). [13]

Такие коэффициенты точности отвечали требованиям к 5, 7, 9 и 11 классам в строительстве на изготовление деталей до 1977 года. При этом рекомендовано 4 класса точности с учетом того, что по классификации ЦНИИОМТП Госстроя СССР монтаж конструкций по степени ограничения свободы движения элементов в монтажном цикле подразделяется на 4 метода: свободный, ограниченно-свободный, полупринудительный или трафаретный, принудительный или координатный.

Учитывая, что в практике строительства координатный метод монтажа конструкций не получил распространения, а уровень производственной базы стройиндустрии по точности изготовления деталей не всегда соответствует необходимым требованиям, разработчики государственных стандартов «Системы обеспечения геометрической точности в строительстве» при пересмотре системы допусков СНиП I-А.4-62 предусмотрели на разбивочные работы и монтаж конструкций 6 классов с коэффициентом точности К_i соответственно: 0,25; 0,4; 0,64; 1,0; 1,6 и 2,5.

В государственных стандартах как в первой,так и во второй редакциях [3, 4, 5] допуски на изготовление деталей, геодезические разбивочные работы и монтаж конструкций взаимосвязаны едиными параметрами (размерами) и классами точности. Это позволяет применять для расчета технологических допусков при возведении строительных конструкций зданий способ равной точности.

Автором предложено выполнять расчет технологических допусков на монтаж строительных конструкций на стадии проектирования зданий вероятностным методом с применением способа равной точности по выражению (2.13).

Определенные таким образом технологические допуски будут являться априорными характеристиками точности, по которым можно проектировать точность технологических операций по изготовлению деталей, геодезических разбивочных и строительно-монтажных работ на стадии проектирования зданий.

Рассчитанные нормы точности на стадии проектирования зданий вероятностным методом с применением способа равной точности будут более обоснованными по сравнению с применением способа попыток.

Однако, как показывают исследования [14], рассчитанные технологические допуски на изготовление и монтаж конструкций не всегда обеспечиваются на практике.

Например, известно, что металлические формы для изготовления деталей выполняют на один-два класса точнее, чем выпускаемые элементы конструкций. На первой стадии их эксплуатации детали могут быть изготовлены точнее, чем требуется, затем формы изнашиваются и точность изготовления деталей будет соответствовать проектным. Далее при эксплуатации они более изнашиваются, но их на предприятиях стройиндустрии не всегда своевременно рихтуют и продолжают эксплуатировать. В результате на строительные площадки часто поступают детали с характеристиками точности геометрических параметров, не соответствующим проектным требованиям.

Следует отметить, что при разных методах монтажа строительных элементов конструкций одна и та же проектная точность может реализована с различной трудоемкостью. Кроме того, по исследованиям многих авторов отмечается, что точность установки колонн по вертикали даже свободным методом монтажа, в основном, соответствует требованиям СНиП, а точность же установки колонн относительно разбивочных осей в нижнем сечении часто не соответствует и превышает в отдельных случаях допускаемые отклонения в полтора-два и более раз [14].

По данным НИИСП Госстроя УССР, свыше 60 % обнаруженных дефектов при возведении зданий и сооружений являются причиной нарушений СНиП и отступлений от проектов, а проведенный НИИСП Госстроя СССР анализ показал, что 50 % брака в строительстве это вина строителей и монтажников, 40 % - поставщиков недоброкачественных материалов, железобетонных элементов конструкций и 10 % вызваны недостатками проектов, отсутствием нужных инструментов и другими причинами [14].

Все это показывает, что решение обратных задач только по нахождению априорных характеристик точности возведения строительных конструкций зданий и сооружений недостаточно. Необходимо совершенствование метода расчета технологических допусков на стадии возведения зданий и сооружений.

При проектных расчетах точности возведения зданий математически допустимо любое распределение функционального допуска между технологическими при соблюдении условий (2.2) и (2.4).

С технической и экономической точек зрения рациональными будут только такие технологические допуски D_i,при которых будет минимальная суммарная стоимость возведения строительной конструкции. Для определения таких допусков D_i необходимо знать зависимости (законы) изменения стоимости от точности выполнения технологических операций при возведении строительной конструкции, т.е. С= f(D_i).

Выполненные исследования в нашей стране и за рубежом показали, что общее соотношение между допусками на выполнение проектных размеров сборных конструкций и стоимостью их возведения апроксимируются гиперболической кривой [7,8,13,16].

Меньшие по величине допуски на размер или положение элементов конструкций труднее выдержать при производстве работ и при этом будет ниже производительность труда и выше стоимость возведения этой строительной конструкции. Назначение излишне жестких допусков на отдельные монтажные операции приводит к повышению трудоемкости и стоимости строительства.

Минимальная суммарная стоимость возведения строительной конструкции, следует полагать, будет при таких значениях технологических допусков, когда одновременно выполняются равенства (2.2) или (2.4) и (2.14):

, (2.14)

где С_i^' (D_i) - стоимость выполнения технологических операций по возведению строительных конструкций с соблюдением равенства (2.2) или (2.4). Это будет идеальный способ распределения суммарного допуска между технологическими.

К сожалению, в практике строительства законы изменения стоимости от точности выполнения технологических операций при возведении строительных конструкций конкретных серий зданий изучены недостаточно. Поэтому в нормативных документах [3,4,5] рекомендуются для расчета допусков методы максимума-минимума и вероятностный.

При распределении суммарного допуска между технологическими применяют способы: попыток, равных допусков и равной точности. В работах [6,13] отмечается, что достаточно близким к рациональному распределению допуска замыкающего звена между составляющими звеньями размерной цепи является способ равной точности. Поэтому при совершенствовании метода расчета технологических допусков на монтаж строительных конструкций на стадии возведения зданий примем за основу вероятностный метод с использованием способа равной точности.

При разработке проектов производства работ (ППР) необходимо учитывать накопленный опыт строительных организаций по возведению аналогичных объектов, а результаты таких расчетов включать в технологические карты на строительство зданий и сооружений.

В работах [13,16] приведены исследования по зависимости между точностью и трудоемкостью выверки при монтаже строительных конструкций, которые можно в дальнейшем использовать при расчетах технологических допусков.

Например, в работах [16] приведены выборочные характеристики для величин смещений колонн и торцов балок с разбивочных осей в плане, отклонений колонн от вертикали. Установлены следующие зависимости между трудоемкостью выверки и точностью монтажа строительных конструкций применительно к одноэтажным зданиям [69]:

; (2.15)

; (2.16)

, (2.17)

где t₁, t₂, t₃ - продолжительность выверки соответственно при монтаже колонн в плане, по вертикали и балок (ферм), мин.;

d₁, d_2,d₃ - допускаемые отклонения (предельные погрешности) соответственно при монтаже колонн в плане, по вертикали и балок (ферм), мм.

Согласно этим исследованиям, трудоемкость установки колонн (с высотой Н =4-8 м) по вертикали для одноэтажных зданий по сравнению с трудоемкостью установки колонн в нижнем сечении относительно разбивочных осей для одних и тех же значений допусков будет ниже на 20-30 %. Поэтому распределение функциональных допусков между технологическими с учетом уровня производственной базы стройиндустрии, геодезического обеспечения и технологии строительства, а также трудоемкости монтажа конструкций позволяет рассчитывать и назначать наиболее обоснованные нормы точности возведения зданий.

Следовательно, при расчетах технологических допусков на монтаж строительных конструкций следует учитывать сложившиеся уровни производственной базы по точности изготовления деталей, геодезического обеспечения и технологии строительства (в том числе трудоемкость выполнения отдельных операций по установке элементов в проектное положение).

В результате таких расчетов получим апостериорные характеристики точности на основе статистического анализа действительной точности изготовления деталей, поступающих на строительную площадку, геодезического обеспечения и технологии строительства, а метод расчета можно рассматривать как вероятностно-статистический.

При известной точности изготовления деталей, технологические допуски на разбивочные работы и монтаж конструкций следует рассчитывать по коэффициенту точности К_ср [13]:

, (2.18)

где I _г и I _м – единицы допусков соответственно на разбивочные работы и монтаж конструкций; D _и – известные допуски на изготовление деталей, обеспечиваемые на данном этапе эксплуатации оснастки.

. (2.19)

Когда же известен уровень технологии строительства при выполнении отдельных монтажных операций, то допуски на остальные монтажные работы предложено рассчитывать по коэффициенту К_i, определяемому по выражению [13]:

, (2.20)

где D_{i ми} – известные допуски на отдельные монтажные работы, мм;

I_{i мо} - единицы допуска на остальные (точность которых неизвестна) монтажные работы, мм.

Использование такого метода расчета технологических допусков на монтаж строительных конструкций, учитывающего точность изготовления деталей, геодезических разбивочных и отдельных монтажных работ, позволяет определять наиболее обоснованные нормы точности

возведения сборных зданий и сооружений.

В п.2.1. отмечалось, что в государственных стандартах «Системы обеспечения точности геометрических параметров в строительстве»[3, 4, 5] нет рекомендаций по учету показателей ответственности зданий и сооружений при назначении норм точности на изготовление деталей, геодезических разбивочных работ и монтажа строительных конструкций.

Поэтому необходима разработка методики назначения точности возведения строительных конструкций с учетом показателей ответственности зданий и сооружений.