Проектирование конструктивных систем перекрытий и покрытий

Ю. В. Краснощеков 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
КОНСТРУКТИВНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕКРЫТИЙ  
И ПОКРЫТИЙ 
Монография 
Инфра-Инженерия 
Москва-Вологда 
2018 

ФЗ 
№436-ФЗ 
Издание не подлежит маркировке  
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1 
УДК 624.046.5 
ББК 38.54 
      К78 
 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук И.М. Ивасюк; 
канд. техн. наук А.Р. Нелепов 
 
 
 
    Краснощёков Ю. В. 
К78  Проектирование конструктивных систем перекрытий и покрытий.  
Монография. / Ю.В. Краснощёков. - М.: Инфра-Инженерия, 2018. - 
188 с. 
 
ISBN 978-5-9729-0213-2 
 
 
Изложены результаты длительных исследований взаимодействия 
элементов сборных железобетонных конструкций перекрытий и покрытий 
зданий. Представлены исследования конструктивных элементов перекрытий и покрытий. Проанализировано влияние опорных элементов на настил. 
Рассмотрены особенности взаимодействия несущих конструкций и совместная работа элементов покрытий. 
  Предназначена для сотрудников научно-исследовательских и проектных организаций, а также может быть полезна обучающимся в строительном направлении.   
 
 
 
 
 
 
 
‹ Краснощёков Ю. В., автор, 2018 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2018 
 
 
ISBN 978-5-9729-0213-2 

ВВЕДЕНИЕ 
 
На определенном этапе развития индустриального строительства 
возникла задача совместной работы сборных железобетонных элементов, 
объединяемых в пространственную систему здания. Применительно к несущим системам перекрытий и покрытий, для которых железобетон является основным материалом, проблема взаимодействия элементов не 
потеряла актуальности. Она существует как следствие различий в условиях работы: идеальных, которые задают при проектировании, и реальных, в которых конструкции реализуют и эксплуатируют. Поэтому её часто связывают с задачей выявления действительной работы железобетонных конструкций. Представляется, что существование проблемы обусловлено не столько сложностью соединения железобетонных элементов, 
сколько несовершенством теоретических моделей, многообразием условий практического применения и недостатками методологии исследования строительных конструкций. 
В виде задачи обеспечения совместной работы арматуры с бетоном 
проблему взаимодействия элементов конструкций решают практически  
с начала применения железобетона, но наиболее остро она заявила о себе 
в процессе индустриального строительства зданий и сооружений из 
сборных изделий.  
В процессе развития индустриального строительства вследствие 
усложнения и повышения требований к конструкциям вопросы совместной работы элементов возникают вновь и вновь. Многообразие 
сборных изделий и необходимость надёжной взаимосвязи их в составе 
здания способствовали выполнению большого объёма исследований, 
которые подтвердили зависимость совместной работы сборных элементов от многочисленных факторов.  
При использовании системного подхода, рассматривая в качестве 
объекта исследования не отдельные элементы перекрытий и покрытий,  
а конструктивную (пространственную) систему в целом, возможно изучение влияния каждого фактора в отдельности. Но учесть одновременно 
влияние всех факторов даже в этом случае практически невозможно изза неопределённости задачи, решение которой представляется только 
вероятностным путём. 
Логика исследования от целого к частному предусматривает  
и обеспечивает решение проблемы совместной работы элементов перекрытий и покрытий через выполнение основных системных принципов: 
структурности, функционирования, расчёта, надёжности и эффективности. 
Издание данной монографии в какой-то степени должно помочь решению 
этой проблемы.  
3 
 

ГЛАВА 1.  
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕМЕНТОВ - ПРЕДМЕТ ТЕОРИИ 
КОНСТРУКТИВНЫХ СИСТЕМ 
 
 
1.1. Системный подход к исследованию конструкций зданий  
и сооружений 
 
В техническом прогрессе лидирующую роль выполняет наука.  
К строительной науке принято относить прежде всего теорию сооружений, строительную механику и механику грунтов. Частями теории сооружений являются теории расчета строительных конструкций. В рамках строительной науки ведутся исследования в области материаловедения, проектирования и технологии изготовления строительных конструкций, решаются вопросы технологии, организации и управления 
строительством, проблемы инженерно-технического оборудования городов, зданий и сооружений и экономические проблемы строительства. 
В результате научных исследований в области строительства появляются новые строительные материалы и изделия, совершенствуются конструктивные решения и методы расчёта конструкций, возводятся уникальные сооружения, повышается надёжность и эффективность зданий 
и сооружений.  
Строительная наука не стоит на месте, а постоянно развивается. 
Примером развития строительной науки является постепенный переход 
к системному проектированию сооружений на основе достижений теории расчёта сооружений и программирования [24].  
Научные исследования в области строительных конструкций 
направлены главным образом на развитие (совершенствование и обновление) конструкций для зданий и сооружений различного назначения. 
Ядром развития строительных конструкций являются исследования теории расчёта сооружений. Их цель - развитие теорий прочности и разрушения, разработка методов статического и динамического расчёта  
сооружений как пространственных систем, а также методов расчёта  
на вероятностной основе, базирующихся на использовании статистических методов обработки данных о нагрузках, их сочетаниях, свойствах 
материалов и конструктивных элементов. Достижения в области строительных конструкций являются основным источником повышения 
надёжности и эффективности сооружений. Результаты научных исследований строительных конструкций легли в основу методики расчёта  
по предельным состояниям, принятой на вооружение проектировщиками разных стран. 
4 
 

Одно из основных направлений в исследовании строительных 
конструкций - совместная работа, взаимодействие элементов конструктивных систем [59]. Любая конструкция - это система, поэтому при  
их исследовании следует применять системный подход.  
Системный подход - это общее направление, в основе которого 
лежит исследование объектов как систем. Основная особенность системного подхода - изучение элементов с учётом целого. Считается,  
что системный подход способствует адекватной постановке проблем  
и выработке эффективной стратегии их изучения [31]. Методологическая специфика системного подхода определяется тем, что он ориентирует исследование на выявление многообразных типов связей сложного 
объекта и сведение их в единую теоретическую картину, он акцентирует 
исследование на изучение соединений элементов и их взаимодействие  
в пространственной системе сооружения [40]. 
Системный подход и общая теория систем являются основой системного анализа, к процедурам и методам которого обращаются при 
решении проблем в условиях неопределённости и отсутствии строгой 
количественной оценки. Таковы, например, проблемы, связанные с прогнозированием надёжности и долговечности конструкций.  
В наиболее общем понимании система - это упорядоченная совокупность функционально взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, образующих единое функциональное целое, предназначенное 
для решения определённых задач.  
Понятие «строительная конструкция» также связано с составом и взаимным расположением частей и элементов, а также со способом их соединения и взаимодействия. В этих понятиях много общего, очевидно поэтому 
термин «система» часто употребляется в смысле конструкции и наоборот, 
например, в понятиях пространственной системы или пространственной 
конструкции подразумевается одно и то же. К системам относят отдельные 
конструктивные части зданий и сооружений, например система перекрытия 
или здания в целом, в частности каркасная система здания. По выражению 
проф. В.В. Болотина, современные здания - это сложные системы, предназначенные для выполнения разнообразных функций [8]. Он считает,  
что понятия «конструкция» и «конструктивная система» тождественны.  
Таким образом, если конструкция - это система, то имеются все 
предпосылки использования системного подхода для их исследования  
и построения теории. Системами при этом являются конструкции на 
всех этапах их развития: от проектной модели до реального изделия. 
 Чтобы разобраться с особенностями системного подхода, обратимся к методологическому инструментарию общей теории систем,  
основные принципы которой применимы к любым системам. Значение 
5 
 

общей теории систем неоценимо для развития теории конструкций,  
так как она вооружает исследователя конструкций общей (принципиальной) моделью и чёткой дедуктивно-диалектической логикой.  
Частями общей теории систем могут быть специальные теории,  
в частности, специализированная теория конструктивных систем. Главная задача теории конструктивных систем - объединить, синтезировать 
научные знания на основе системного подхода.  
Механическое (несистемное) соединение гипотез и законов различных теоретических дисциплин с эмпирическими данными, например 
о железобетонных конструкциях, будет малоуспешным, если все стороны знаний развивать независимо. Необходимо взаимопроникновение 
развивающихся наук, эффективность которого обеспечивается посредством специализированной теории конструктивных систем. В использовании системных принципов содержится механизм построения и развития знаний о строительных конструкциях (рис. 1). 
 
 
 
Ɋɢɫ. 1. Схема взаимосвязи теорий в системе знаний 
о строительных конструкциях 
 
Основная цель общей теории систем заключается в описании  
и объяснении сложных явлений, не заменяя, а дополняя другие науки  
и объединяя их посредством обобщённой модели. Иначе говоря, общая 
теория систем вооружает исследователя конструкций некоей обобщённой моделью конструктивной системы. Такой моделью может быть совокупность принципов, характеризующих основные стороны и свойства 
системы [96]. 
Наиболее общими принципами для любых систем являются: 
- принцип структурности (возможность описания системы в виде 
структуры с устойчивыми связями), характеризующий состав, 
свойства и внутреннее строение системы;  
- принцип целостности (отличие свойств и функций целого от 
свойств и функций частей целого - элементов, подсистем), ха6 
 

рактеризующий общесистемные, интегральные свойства, поведение системы; 
- принцип взаимозависимости системы и среды (проявление и 
формирование свойств системы в процессе взаимодействия  
с внешней средой), характеризующий внешние свойства, качество системы; 
- принцип множественности описания каждой системы (потребность построения множества различных моделей, каждая из которых описывает лишь определённый аспект системы). 
Отметим также принцип иерархичности (возможность рассмотрения каждой системы в качестве элемента более сложной системы и каждого элемента исходной системы в качестве системы другого уровня). 
Однако этот принцип не является общим и используется как признак систем с особой структурой. Конструктивные системы следует относить  
к иерархическим системам.  
Общие принципы взаимосвязаны и при объединении образуют 
обобщённую, принципиальную модель, которую можно представить  
в виде схемы (рис. 2).  
 
 
Ɋɢɫ. 2. Принципиальная схема иерархической системы 
 
Использование принципов общей теории систем даёт возможность 
сформулировать общие требования к конструкциям и на их основе конкретизировать общую модель исследования, представленную на рис. 3. 
 
 
 
Ɋɢɫ. 3. Принципиальная модель конструктивной системы 
7 
 

Для построения общей модели конструктивной системы в качестве 
основной предпосылки принята гипотеза соответствия общесистемных 
принципов и общих признаков классификации конструкций. Вообще 
классификация как форма научного знания генетически предшествует 
теории, нередко сосуществует и взаимодействует с ней. 
 В наиболее общем определении классификация - это система понятий, классов, признаков объекта, используемая как средство для установления связей между разнообразными их типами и точной ориентации. Классификация способствует определению места объекта теории  
в системе и позволяет упорядочить процесс его изучения. 
Наиболее общие признаки классификаций различных конструкций: конструктивный, расчётный, функциональный, надёжности и эффективности [59]. Рассмотрим, соответствуют ли эти признаки общесистемным принципам (см. рис. 2) и в какой степени. 
Очевидно, что общесистемный принцип структурности полностью 
соответствует конструктивному признаку, характеризующему внутреннее строение и состав конструкции. Как структурное образование любая 
система рассматривается в виде целостного объекта, который допускает 
различные варианты декомпозиции (членения на составные части -  
элементы и подсистемы). Свойство членения на элементы характерно  
и для конструктивных систем, особенно при решении вопросов унификации и индустриализации. Из общей теории систем известно, что не 
всякое членение позволяет получить простые и достаточно доступные 
для изучения части. Эффективность решения этой задачи зависит  
от числа связей, объединяющих выделяемый элемент с остальными частями. С выявления необходимых и устойчивых связей системы начинается её познание, поэтому принцип структурности следует признать 
первичным при исследовании конструктивных систем. Понятие связи 
как части конструкции, объединяющей основные элементы в единое целое, играет важную конструктивную роль не только при исходном расчленении объекта изучения, но и в процессе его воспроизведения в целостной теоретической модели и в реальном виде.  
Принцип целостности общей теории систем объединяет основные 
требования к функциональным свойствам, поведению системы, обусловленному взаимодействием элементов. Применительно к конструктивным системам действие принципа функционирования проявляется  
в том, что в результате (обратите внимание) взаимодействия элементов конструкция приобретает специфические (системные) свойства, отличающиеся в той или иной степени от свойств элементов. Например, 
плиты перекрытия, предусмотренные для работы на поперечный изгиб 
по балочной схеме, при объединении межплитными швами образуют 
8 
 

систему в виде диска, способную работать на горизонтальные воздействия. Свойства такого диска нельзя получить суммированием свойств 
отдельных плит, так как в диске, вследствие включения в работу межплитных связей (соединений), происходит взаимодействие плит.    
Любая система должна быть способна к функционированию в той 
или иной среде, в результате чего происходит их взаимодействие. Взаимозависимость конструктивной системы со средой наиболее наглядно 
проявляется в условии прочности, которое обычно представляется в виде отношения случайных величин внешнего воздействия F
a  и сопротивления конструкции R
a: 
                            
R
F
a
a d
.                                                    (1) 
Условие (1) называют ещё условием надёжности, поскольку именно в таком виде рассматривается математическая модель надёжности 
конструктивной системы. Поэтому принцип взаимозависимости системы со средой применительно к конструктивным системам следует 
отождествлять с принципом надёжности.                   
Наконец, принцип множественности общих систем можно отождествить с принципом эффективности конструктивных систем, так как 
именно в многообразии вариантов мы находим наиболее приемлемое, 
оптимальное решение.    
Таким образом, подтверждая соответствие общесистемных принципов и общих признаков классификации конструкций, преобразуем 
принципиальную схему иерархической системы (см. рис. 2) в общую 
(принципиальную) модель (см. рис. 3), которая может быть положена  
в основу специализированной теории конструктивных систем.  
 
1.2. Теория конструктивных систем - инструмент исследования  
строительных конструкций 
 
Основной объект теоретического исследования - конструктивные 
системы зданий, сооружений или их части, многообразие которых  
в определенной степени можно объяснить недостатком системных исследований и в связи с этим хаотичностью нормирования, проектирования и строительства. В результате строительства сооружений с неопределённой надёжностью и долговечностью увеличиваются затраты на содержание, снижается безопасность жизнедеятельности. Одной из причин этого является слабая теоретическая база дисциплин, изучающих 
строительные конструкции, недостаточная связь между ними и отсутствие единой модели конструктивных систем.   
9 
 

Проведению системных исследований способствует специализированная теория конструктивных систем. Для построения такой теории 
имеются все необходимые компоненты: эмпирическая и теоретическая 
основы, содержание и логика. 
Исходная эмпирическая основа теории включает множество зафиксированных в области строительных конструкций фактов, полученных в ходе экспериментов, наблюдений, обследований и требующих 
теоретического объяснения. Эмпирическая основа - одна из сторон 
обобщённой модели конструктивной системы, без которой не реален 
полный анализ большого объёма эмпирической информации.  
Исходную теоретическую основу составляют классификация конструктивных систем по критериям, соответствующим принципам обобщённой модели, и теоретическая модель в виде принципиальной схемы 
(см. рис. 3), иллюстрирующей процесс теоретического раскрытия конструкции. Принцип структурности раскрывает внутренние свойства, 
строение и состав конструкции; принцип функционирования - общесистемные свойства или поведение; принцип надёжности - внешние свойства, определяемые условиями эксплуатации, а принцип эффективности - 
качество системы, обусловливающее пригодность конструкции удовлетворять определённые потребности. Основным инструментом, обеспечивающим взаимодействие всех сторон обобщённой модели, является расчётный принцип. Теоретическая модель предусматривает возможность 
повторения циклов познания в зависимости от сложности решаемой проблемы и способа развития объекта исследования. Объект теоретического 
исследования - конструктивная система здания, сооружения или их части 
(элементы). 
Системный подход определяет логику теории конструктивных систем, т.е. правила логических выводов и доказательств, которые должны 
допускаться в рамках теории. Логика вытекает из главного системного 
принципа - познание от общего к частному.  
Основное содержание теории на данном этапе развития составляют основные понятия и принципы обобщённой модели конструктивной 
системы. Системные принципы - это различные стороны теоретической 
модели, требующие тщательного изучения и совершенствования. Каждый из принципов является предметом специальных теорий и дисциплин (теории расчёта сооружений, строительных конструкций, теории 
надёжности и эффективности). Главная задача теории конструктивных 
систем - объединить, синтезировать научные знания на основе системного подхода с целью познания конструкций и успешного решения их 
проблем. 
10