1. Общие положения

Метод расчета элементов металлических конструкций по предельным состояниям разработан впервые в нашей стране в начале пятидесятых годов нашего столетия.

Целью расчета строительных конструкций по этому методу является обеспечение заданных условий эксплуатации и необходимой прочности при минимальном расходовании материала; при минимальных затратах труда на изготовление и монтаж.

Одним из разработчиков и инициаторов внедрения этого метода расчета в нашей стране был член-корреспондент АН СССР, профессор Н.С. Стрелецкий, возглавлявший в течение 50 лет отечественную конструкторскую школу металлостроения.

Строительные металлические конструкции согласно СТ СЭВ 384-76 рассчитываются на нагрузки и силовые воздействия по методу предельных состояний, при которых конструкция, здание или сооружение перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям при производстве работ.

Под предельным понимается такое состояние конструкции, после достижения которого ее дальнейшая нормальная эксплуатация становится невозможной вследствие потери способности сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получения недопустимых перемещений и местных повреждений.

Металлические конструкции (МК) должны удовлетворять требованиям расчета по несущей способности и (или) непригодности к эксплуатации - предельные состояния первой группы и по пригодности к нормальной эксплуатации - предельные состояния второй группы . Нормальной считается эксплуатация без ограничений в соответствии с предусмотренными в нормах или заданиях на проектирование технологическими условиями. Расчет по предельным состояниям конструкций в целом, а также отдельных их элементов производится для всех стадий: изготовления, транспортирования, возведения и эксплуатации, причем расчетные схемы должны соответствовать принятым конструктивным решениям.

Расчетные схемы и основные положения расчета должны соответствовать действительным условиям работы металлических конструкций. Их следует рассчитывать как единые пространственные системы с применением ЭВМ. При разделении пространственных систем на отдельные плоские конструкции необходимо учитывать взаимодействие элементов между собой и с основанием.

Надежность конструкций обеспечивается расчетом, который учитывает невыгодные величины и сочетания нагрузок и воздействий, неблагоприятные возможные характеристики материалов, условия эксплуатации и особенности работы конструкций.

При расчете по предельным состояниям учитывают следующие факторы:

нагрузки и воздействия, их вероятные отклонения от нормативных значений, неблагоприятное сочетание нагрузок постоянных и временных (длительных, кратковременных и особых);

механические характеристики материала (предел текучести, временное сопротивление), изменчивость этих характеристик; условия работы материалов;

общие условия работы конструкции, условия ее изготовления, агрессивность среды и т.п.

В расчетных формулах отклонения нагрузок учитываются коэффициентами надежности по нагрузке _f ,изменчивость механических характеристик материалов - коэффициентами надежности по работе материала _m , условия работы не учитываемые в расчете - коэффициентами условий работы сварных швов _wf и _wz ; коэффициентами условий работы болтовых соединений _b; коэффициентами условий работы конструкций _c, степень ответственности капитальности зданий и сооружений коэффициентами надежности по назначению конструкций _n , изменяющихся от 0,8 до 1; опасность физического разрушения при расчете по временному сопротивлению коэффициентом надежности _u.

Таким образом, расчетом по предельным состояниям гарантируется, что за расчетный период эксплуатации сооружения не наступит ни одно из недопустимых предельных состояний для конструкции в целом и для отдельных ее частей.

Для того, чтобы ни одно из предельных состояний не возникло необходимо учитывать неблагоприятные характеристики материалов, наиболее невыгодные ( но реально возможные) загружения (сочетания нагрузок и воздействий) и при этом с обязательным учетом условий и особенностей действительной работы конструкций и оснований и надлежащим выбором расчетных схем.

Расчет конструкций должен гарантировать их от возможности наступления каждого из предельных состояний.

Это условие для первой группы предельных состояний может быть записано в виде

N < S

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

Усилие N определяется от расчетных нагрузок (возможных наибольших при статических нагрузках или наиболее часто повторяющихся при усталостном разрушении), которые получаются умножением основных нормативных нагрузок F_n , отвечающих условиям нормальной эксплуатации конструкции, на коэффициент надежности по нагрузке _f , учитывающий возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную сторону (большую или меньшую), а также умноженным на N_i - усилие в данном элементе от единичной нагрузки, и на коэффициент сочетаний нагрузок :

N =(F_ni*_fi*_i*N_i) .

Несущая способность конструкции или его элемента S определяется как предельная (минимальная) величина . Значение S определяется умножением геометрической характеристики А на расчетное сопротивление материала R_y или R_u, представляющие собой нормативное сопротивление материала, установленное нормами с учетом статистической изменчивости и условий контроля деленное на коэффициент надежности по материалу _m , а также умноженной на коэффициенты условий работы (материала, соединений, конструкций) деленной на коэффициент надежности по назначению, учитывающий степень ответственности и капитальность сооружения, значимость наступления тех или иных предельных состояний _n :

S = A*R*_c / _n

Условие для первой группы предельных состояний по остаточным или полным перемещением (чрезмерным), при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации, может быть записано в таком виде: _

( F_ni*_fi*_i*_n*_i)₁ ,

где _i - перемещение, вызванное единичной нагрузкой;

₁ - предельное остаточное или полное перемещение.

Для второй группы предельных состояний предельное условие может

быть записано в виде _

( F_ni*_i*_n*_i)₂ ,

где ₂ - предельные деформации или перемещения, установленные

нормами или указанные в проектном задании, ограничивающие нормальную эксплуатацию.

Рассмотрим подробнее основные факторы используемые при расчете конструкций и их элементов по методу предельных состояний; нагрузки и воздействия; сопротивление материалов.