1.   Метод расчета по предельным состояниям

Под предельными состояниями подразумевают такие состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям при производстве работ.

В расчетах конструкций на действие статических и динамических нагрузок и воздействий, которым они могут подвергаться в течение строительства и заданного срока службы, учитываются следующие предельные состояния:

первой группы — по потере несущей способности и (или) полной непригодности к эксплуатации конструкций

второй группы — по затруднению нормальной эксплуатации сооружений.

К предельным состояниям первой группы относятся: общая потеря устойчивости формы; потеря устойчивости положения; разрушение любого характера; переход конструкции в изменяемую систему; качест­венное изменение конфигурации; состояния, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации в результате текучести материала, сдвигов в соединениях, ползучести, недопустимых остаточных или полных перемещений или чрезмерного раскрытия трещин.

Первая группа по характеру предельных состояний разделяется на две подгруппы: по потере несущей способности (первые пять состоя­ний) и по непригодности к эксплуатации (шестое состояние) вследствие развития недопустимых по величине остаточных перемещений (де­формаций).

К предельным состояниям второй группы относятся состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию или снижающие долговеч­ность вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота, колебаний, трещин и т. п.).

Предельные состояния первой группы проверяются расчетом на максимальные (расчетные) нагрузки и воздействия, возможные при нарушении нормальной эксплуатации, предельные состояния второй группы – на эксплуатационные (нормативные) нагрузки и воздействия, отвечающие нормальной эксплуатации конструкций.

Надежность и гарантия от возникновения предельных состояний конструкции обеспечиваются надлежащим учетом возможных наиболее неблагоприятных характеристик материалов; перегрузок и наиболее невыгодного (но реально возможного) сочетания нагрузок и воздействий; условий и особенностей действительной работы конструкций и оснований; надлежащим выбором расчетных схем и предпосылок расчета, учетом в необходимых случаях пластических и реологических свойств материалов.

Это условие для первой группы предельных состояний по несущей способности может быть записано в общем виде:

             (3.1)

где N — усилие, действующее в рассчитываемом элементе конструкций (функция нагрузок и других воздействий);S - предельное усилие, которое может воспринять рассчитываемый элемент (функция физико-механических свойств материала, условий работы и размеров элементов).

Поскольку расчетом должна быть обоснована возможность нормальной эксплуатации конструкции в течение всего заданного срока ее службы, значение N неравенства (3.1) должно представлять собой наибольшее возможное за это время усилие (воздействие). Это усилие определяется от расчетных нагрузок Fi представляющих собой возможные наибольшие (при определении несущей способности конструкции (при однократно действующей нагрузке) или наиболее часто повто­ряющиеся нагрузки (при проверке усталостного разрушения). Эти нагрузки определяют умножением нормативных нагрузок F_i^н, отвечающих условиям нормальной эксплуатации, на коэффициенты перегрузки , учитывающие возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную сторону (большую или меньшую), и на коэффициент надежности по назначению, учитывающий степень ответственности зданий и сооружений.

При одновременном действии двух или нескольких временных нагрузок расчет конструкций по первой и второй группам предельных состояний выполняется с учетом наиболее неблагоприятных сочетаний нагрузок или усилий.

Расчетное сопротивление R получают делением основной характеристики материала – нормативного сопротивления по пределу текучести R_т^н или временному сопротивлению разрыву R_в^н, ус­танавливаемой стандартами на поставку металла с учетом статистической изменчивости, на коэффициент надежности по материалам 7м, учитывающий выборочный характер контроля и возможность попадания в конструкции металла с пониженными характеристиками.

Таким образом, предельная сила 5 определяется по пределу текучести

             (3.3a)

по временному сопротивлению

             (3.3b)

Соответственно формула (3.1) для первой группы предельных со­стояний по прочности может быть записана ?   

             (3.4а)

или

             (3.4б)

Условие для первой группы предельных состояний по остаточным или полным перемещениям, при которых возникает необходимость пре­кращения эксплуатации, может быть записано в общем виде

        (3.4в)

Для второй группы предельных состояний предельное условие может быть записано в виде

        (3.5)

А. Классификация и характеристика нагрузок и воздействий.

По времени действия нагрузки и воздействия относятся к постоянным (когда направление,место и время их приложения можно считать неизменными), временным длительным и кратковременным (нагрузки, которые в отдельные периоды строительства и эксплуатации могут отсутствовать) и особым.

К постоянным нагрузкам и воздействиям относятся: вес постоянных частей зданий и сооружений, вес и давление грунтов, воздействие предварительного напряжения.

К временным длительным нагрузкам и воздействиям относятся: вес стационарного оборудования; вес жидкостей и сыпучих материалов в емкостях; давление газов и жидкостей в резервуарах, газгольдерах и трубопроводах; нагрузка на перекрытия складов, библиотек, архивов и подобных помещений, длительные температурные технологические воздействия и т. п.

К кратковременным нагрузкам и воздействиям относятся: атмосферные - снеговые, ветровые, гололедные нагрузки и температурные климатические воздействия; нагрузки от подъемно-транспортного оборудования; нагрузки на перекрытия жилых и промышленных зданий от массы людей, мебели и подобного легкого оборудования; ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования; нагрузки и воздействия, возникающие при перевозке строительных конструкций, монтаже и перестановке оборудования и т. п.

К особым нагрузкам и воздействиям относятся: сейсмические и взрывные воздействия; нагрузки и воздействия, вызываемые неисправностью или поломкой оборудования и резкими нарушениями технологического процесса; воздействия просадок основания, обусловленных коренным изменением структуры грунтов (деформаций просадочных грунтов при замачивании или вечномерзлых грунтов при оттаивании, просадка грунтов в районах горных выработок и карстовых районах).

Б. Нормативные нагрузки.

Характеристиками нагрузок являются их нормативные значения, принимаемые на основе статистических данных или по номинальному значению.

Постоянные нагрузки и воздействия. Нормативные значения нагрузок от массы конструкций определяются по данным стандартов и заводов-изготовителей или по размерам, устанавливаемым в процессе проектирования на основе опыта предыдущих проектировок и справочных материалов. Нагрузка от грунтов устанавливается в зависимости от вида грунта и его плотности. Нормативные воздействия предварительного напряжения конструкций устанавливают в процессе проектирования.

Временные длительные нагрузки и воздействия на перекрытия складских помещений, архивов, библиотек и т. п. принимают по СНиП; вес оборудования - по стандартам, каталогам или по проектному заданию; данные по газам, длительные температурные и другие впялей-ствия на конструкции устанавливают в зависимости от работы оборудования и указывают в проектных заданиях.

Кратковременные нагрузки и воздействия на перекрытия жилых и общественных зданий от массы людей, мебели и т. п., а также на перекрытия производственных площадок устанавливают в соответствии с действующими инструктивно - нормативными документами. Нагрузки от серийного подъемно-транспортного оборудования принимают по соответствующим стандартам, для индивидуального - по данным заводских паспортов.

Снеговая нагрузка. Нормативное значение снеговой нагрузки РО на 1 м² площади горизонтальной проекции покрытия устанавливают на основании данных гидрометеорологической службы как среднее арифметическое значение ежегодных максимумов запаса воды в снеговом покрове, выбранных из результатов снегосъемок на защищенном от воздействия ветра участке, за период не менее 10 лет.

Нормативный вес снегового покрова рн определяют по формуле:

        (3.6)

где р_о - вес снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли, принимаемый в зависимости от района бывшего СССР; значения ро для некоторых районов приведены в прил. 2; с - коэффициент перехода от веса снегового покрова на горизонтальной поверхности земли к снеговой нагрузке на покрытие с учетом его неравномерного распределения в зависимости от рельефа кровли (рис. 3.1).

Значения коэффициента с зависят от очертания покрытия и приведены в нормах на проектирование.

Ветровая нагрузка устанавливается на основании данных гидрометеорологических станций о скорости ветра на высоте 10 м от поверхности земли. По этим данным скоростные напоры ветра определяют по формуле:

        (3.7)

где V-скорость ветра, м/с, определяемая статистической обработкой длительного наблюдения из условия ее повторения или превышения один раз за 5 лет (период повторяемости).

Значение нормативной ветровой нагрузки q_н определяют по формуле:

        (3.8)

где q_o - нормативный скоростной напор ветра, определяемый по формуле (3.7), значения которого зависят от района расположения сооружения; k - коэффициент на возрастание скоростного напора по высоте (прил. 3); с - аэродинамический коэффициент, принимаемый по нормам проектирования (рис. 3.2).

Гололедные нагрузки учитывают при проектировании воздушных линий электропередачи и связи, антенно-мачтовых устройств и других подобных сооружений. Гололедную нагрузку принимают по нормам проектирования.

Температурные воздействия, обусловленные изменением температуры окружающего воздуха и солнечной радиации, а также влиянием технологических температур (излучение технологического оборудования и изделий), учитывают при расчете в случае, когда они могут оказать влияние н а прочность и деформативность конструкций. При расчете температурные воздействия учитывают в стадии возведения и в стадии эксплуатации конструкций.
Расчет производят:
а) на возможную разность температур, возникающую в процессе эксплуатации конструкции с момента ее замыкания в статически неопределимую систему, называемую температурой замыкания;
б) на перепад температуры по сечению элемента. Температурные воздействия определяются по СНиП П-6-74 "Нагрузки и воздействия".

Величины сейсмических воздействий устанавливают по нормам в зависимости от балльности района возведения сооружения.

В. Расчетные нагрузки и коэффициенты перегрузки (надежности по нагрузке).

Коэффициент п учитывает изменчивость нагрузок, зависящую от ряда факторов, вследствие случайных отступлений от заданных условий нормальной эксплуатации. Коэффициенты надежности по нагрузке устанавливают после обработки статистических данных наблюдений за фактическими нагрузками,- которые отмечены во время эксплуатации сооружений. Эти коэффициенты зависят от вида нагрузки, вследствие чего каждая нагрузка имеет свое значение коэффициента.

Коэффициенты перегрузки характеризуют только изменчивость нагрузок. Они не учитывают динамического воздействия нагрузки, которое характеризуется специальным коэффициентом динамичности, представляющим собой отношение наибольшего напряжения (прогиба) при динамическом воздействии к напряжению (прогибу) при статическом воздействии той же нагрузки. Коэффициенты не учитывают и перспективного возрастания нагрузки с течением времени, например возрастания временной нагрузки на подкрановые балки при изменении грузоподъемности кранов и т. п.

Г. Сочетание нагрузок.

Нагрузки воздействуют на конструкции не раздельно, а в сочетании друг с другом.

Различают следующие сочетания нагрузок:

а) основные сочетания, состоящие из постоянных и временных длительных и кратковременных нагрузок и воздействий;

б) особые сочетания, состоящие из постоянных, временных длительных, кратковременных и одной из особых нагрузок и воздействий.

Согласно главе СНиП П-6-74 "Нагрузки и воздействия", при расчете конструкций на основные сочетания, включающие только одну кратковременную нагрузку, коэффициент сочетания nc принимают равным единице. При расчете на основные сочетания, включающие не менее двух кратковременных нагрузок (воздействий), значения кратковременных нагрузок (воздействий) умножают на коэффициент сочетаний, равный 0,9.

При расчете конструкций и оснований на особые сочетания нагрузок и воздействий значения кратковременных нагрузок и воздействий или соответствующие им усилия умножают на коэффициент сочетания, равный 0,8 (кроме случаев, оговоренных в нормах проектирования зданий и сооружений в сейсмических районах).

А. Нормативные сопротивления.

Основными характеристиками сопротивления материалов силовым воздействиям являются нормативные сопротивления R_т^н R_в^н устанавливаемые нормами проектирования строительных конструкций.

Механические свойства материалов изменчивы, поэтому нормативные сопротивления устанавливают на основе статистической обработки показателей механических свойств материалов, выпускаемых нашей промышленностью. Значения нормативных сопротивлений устанавливают такими, чтобы обеспеченность их составляла не менее 0,95.

Значение нормативного сопротивления стали равно значению контрольной или браковочной характеристики, устанавливаемой соответствующими государственными стандартами и имеет обеспеченность не менее 0,95.

Для углеродистой стали и стали повышенной прочности и алюминиевых сплавов за основную характеристику нормативного сопротивления принято значение предела текучести, поскольку при напряжениях, равных пределу текучести, в растянутых, изгибаемых и других элементах начинают развиваться пластические деформации, а сжатые элементы начинают терять устойчивость. Однако в случае, когда переход материала в пластическое состояние выражен нечетко (нет площадки текучести), как, например, в тросах, или когда значения показателей текучести близко подходят к временному сопротивлению (стали высокой прочности), а также в случаях, когда по характеру работы конструкций несущая способность определяется прочностью, а не пластичностью, за нормативное сопротивление принимают значение временного сопротивления. Таким образом, установлены два вида нормативных сопротивлений - по пределу текучести R_т^н и временному сопротивлению R_в^н.

Б. Расчетные сопротивления материала.

Расчетные сопротивления материала R и R_в определяют делением нормативного сопротивления на коэффициент надежности по материалу:

        (3.9)

Коэффициент надежности по материалам .Значение механических свойств металлов проверяется на металлургических заводах выборочными испытаниями. Механические свойства металлов контролируют на малых образцах при кратковременном одноосном растяжении, фактически же металл работает длительное время в большеразмерных конструкциях при сложном напряженном состоянии. В прокатных профилях могут быть минусовые допуски. Возможно попадание в конструкции материала со свойствами ниже установленных в ГОСТе. Влияние этих факторов на снижение несущей способности конструкций учитывают коэффициентом надежности по материалам.

Таблица 3.1. Коэффициенты надежности по материалу для стального проката.

Формулы для определения расчетных сопротивлений

Растяжение, сжатие и изгиб:

- по пределу текучести, R:

- по временному сопротивлению, R_в:

Возможное снижение механических свойств против нормативных значений устанавливается на основе обработки статистических данных заводских испытаний стали, а работа ее в конструкциях на основе исследований.

Коэффициент надежности по материалу ум установлен на основании анализа кривых распределений результатов испытаний стали и ее работы в конструкции (табл 3.1).