Предельные сопротивления материалов конструкций. Коэффициенты надежности.

При проектировании строительных конструкций их рассчитывают, чтобы обеспечить заданную прочность, надежность, долговечность в условиях изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации. Задачи расчета: определение возникающих в элементах конст­рукций усилий от приложенных нагрузок, назначение необходимых экономичных размеров поперечного сече­ния и требуемого количества арматуры (в железобетон­ных конструкциях), размеров соединительных и заклад­ных деталей (в местах сопряжения элементов), а также получение других данных, необходимых для разработ­ки рабочих чертежей.

В нашей стране с 1955 г. расчет строительных кон­струкций, оснований и фундаментов производится по методу предельных состояний. Он основан на глубоком экспериментально-теоретическом изучении действитель­ной несущей способности строительных конструкций и более достоверно учитывает величину несущей способ­ности и степень надежности конструкций, чем метод до­пускаемых напряжений или разрушающих нагрузок. Будучи более обоснованным экспериментально и теоре­тически метод предельного состояния открыл широкие перспективы для снижения материалоемкости конструк­ций. Предельным состоянием называется такое состоя­ние работы конструкции, когда она перестает удовлет­ворять заданным требованиям эксплуатации. В соответ­ствии со СНиПом предусматриваются две группы предельных состояний: первая—по потере несущей спо­собности или полной непригодности к эксплуатации; вторая—по непригодности к нормальной эксплуатации.

Цель расчета по первой группе предельных состоя­ний: обеспечение безопасности конструкции от разрушения—хрупкого, вязкого или усталостного (расчет на выносливость при динамических воздействиях), в том весле и при неблагоприятных воздействиях от внешней среды (химической агрессии, изменения температуры и т.д.); от потери устойчивости формы (продольный изгиб) или положения в пространстве (опрокидывание, скольжение); от состояний, при которых требуется пре­кращение эксплуатации из-за текучести материала, сдви­га в соединениях, ползучести материалов или чрезмер­ного раскрытия трещин.

Физический смысл расчета по первой группе пре­дельных состояний заключается в том, что несущая спо­собность элемента должна быть не меньше максималь­но возможного усилия, действующего в нем. Цель рас­чета по предельным состояниям второй группы: не допустить возникновения чрезмерных деформаций и пе­ремещений в конструкциях (прогибов, углов поворота, амплитуд колебаний, осадок и т. д.), а также образования и раскрытия трещин, затрудняющих нормальную эксплуатацию или снижающих долговечность (при со­хранении несущей способности конструкции).

Надежность строительных конструкций зависит от учета следующих факторов: действующих нагрузок и воздействий, прочностных и деформационных характе­ристик материалов и грунтов, а также условий эксплуа­тации и особенностей конструкций и оснований. Строи­тельные конструкции промышленных и сельскохозяйст­венных зданий в основном предназначены для воспри­ятия приложенных к ним эксплуатационных нагрузок. Нагрузки и воздействия разделяют на нормативные и расчетные. Нормативная нагрузка и воздействие — это установленное нормами наибольшее их значение, при котором обеспечивается нормальная эксплуатация здания и сооружений. Однако в реальных условиях эксплу­атации конструкций в силу каких-либо случайных причин нагрузка может оказаться больше или меньше норма­тивной. Такую возможность изменчивости нагрузок учи­тывают, вводя коэффициент надежности по нагруз­ке yf.

Расчетной нагрузкой называют нагрузку, равную произведению коэффициента надежности по нагрузке на нормативную нагрузку. Нормативную снеговую на­грузку определяют по формуле

s=s₀

где So — вес снегового покрова на 1 м² поверхности в зависимости от климатического района строительства; —коэффициент переходя от веса снегового покрова на горизонтальной поверхности земли; к нагрузке на покрытие, учитывающей ее неравномерное распреде­ление в зависимости от рельефа кровли.

Нормативную ветровую нагрузку находят из выражения

Wm=W₀kc

где Wo — нормативный скоростной напор, принимаемый в зависимо­сти от района расположения сооружения; k—коэффициент, учиты­вающий изменение скоростного напора на высоте здания; с—аэро­динамический коэффициент, принимаемый по табличным данным в зависимости от профиля объекта.

Значения нормативных равномерно распределенных нагрузок принимаются по табличным данным СНиП по нагрузкам и воздействиям. При расчетах балок и риге­лей, колонн, стен, фундаментов и оснований, воспринимающих нагрузки от одного перекрытия с площадью загружения А(м2), табличные значения временных на­грузок на перекрытия разрешается снижать умножени­ем на коэффициент сочетаний п.

а) при А>А₁=9 м²

_А1 =0,4 +0,6/А/А₁

б) при А>А₂=36 м²

_А2 =0,5 +0,5/А/А₁

При расчете колонн, стен и фундаментов, восприни­мающих нагрузки от двух и более перекрытий, значения временных нагрузок разрешается снижать умножением на коэффициент сочетаний:

а) для квартир жилых зданий, помещений детских дошкольных учреждений, домов отдыха, санаториев, служебных помещений научных и административных учреждении

_п1 =0,4 +(_А1 -0,4)/n

б) для залов читальных, столовых, собраний и совещаний, выставочных, участков обслуживания и ремонта оборудования

_п2 =0,5 +(_А2 -0,5)/n

Таким образом, временные расчетные нагрузки на перекрытия будут определяться по следующей формуле

p= _f p_n

где p_n —нормативное значение нагрузки; _f —коэффициент надеж­ности по нагрузке.

Значения коэффициентов надежности по нагрузке _f принимают по табличным данным из строительных норм в зависимости от вида нагрузок. Для собственного веса несущих конструкций _f=1.05-1.3 иногда при благоприятном воздействии собственного веса (расчеты на опрокидывание, скольжение или всплывание) допус­кается принимать _f =0,9. Для временных нагрузок значения _f находятся в пределах 1,0—1,4, а для снеговых нагрузок _f =l,4—1,6. При расчетах по первой группе предельных состояний значение расчетной нагрузки по­лучают, умножая ее нормативное значение на коэффи­циент надежности по нагрузке. При расчетах по второй группе предельных состояний значение коэффициента надежности по нагрузке принимают _f =1, т.е. расчетные нагрузки в данном случае равны нормативным.

На конструкцию, как правило, одновременно действует несколько нагрузок, поэтому при расчете конструкций и оснований следует учитывать наиболее неблагоприят­ные их сочетания. В зависимости от состава учитываемых нагрузок сочетания разделяют на два вида: основные и особые. В основном сочетании, если учитываются все постоянные и только одна временная нагрузка, ее вводят в расчет без снижения. При действии двух и бо­лее временных нагрузок значения длительных нагрузок умножают на коэффициент сочетаний ₁=0,95, для кратковременных ₂=0,9. Если максимальное усилие дают постоянные, временные и особые нагрузки, то такое сочетание называют особым, и все временные длительные нагрузки умножают на коэффициент сочетаний, ₁=0,95, а кратковременные на ₂=0,8. Коэффициенты сочетаний учитывают малую вероятность одновременно­го действия максимальных значений длительных и крат­ковременных нагрузок.

Предельные сопротивления материалов. Коэффициенты надежности.

Основными характеристиками прочности материалов являются нормативные сопротивления, представляющие собой устанавливаемые нормами предельные значения напряжений, которые может воспринять данный материал. Помимо нормативных сопротивлений принимаются и другие нормативные характеристики, которые необходимы для расчетов: это плотность, модуль упругости или деформаций, коэффициент трения, сцепления, ползу­честь, усадка, сопротивление сдвигу и т. д. Нормативные характеристики назначают на основании статистической обработки результатов испытаний стандартных образ­цов. Обеспеченность нормативных значений принимают не менее 0,95. Это значит, что число случайных отклоне­ний с пониженными значениями механических свойств при испытаниях не превышает 5 %. Для металлов нор­мативные сопротивления определяют по контрольной или браковочной характеристике в соответствии с действующими ГОСТами. Для грунтов оснований производятся инженерно-геологические изыскания или лабораторные исследования образцов с назначением нормативных характеристик с помощью статистической обработки результатов испытаний.

Возможность случайного отклонения характеристики в неблагоприятную сторону от нормативного значения учитывают с помощью коэффициентов надежности по материалу _m или грунту _g.

Для обеспечения необходимой надежности норматив­ное сопротивление (характеристику) делят на коэффи­циент надежности по материалу (грунту), получая в ре­зультате расчетное сопротивление (характерис䥒い16呏Iма­териала

R=Rn/_m

или грунта

R=Rn/_g

Степень ответственности и капитальности здании и сооружений, а также значимость последствий наступ­ления предельных состояний учитывают с помощью ко­эффициентов надежности по назначению сооружения _n на которые следует умножать расчетные значения нагрузок и воздействий. Здания и сооружения по степе­ни ответственности и капитальности делятся на три класса:

1-й класс. Для зданий и сооружении, имеющих важ­ное обоснованное народнохозяйственное значение, таких как: тепловые и атомные электростанции, телевизионные башни, трубы высотой более 200 м, резервуары для неф­тепродуктов вместимостью более 10 тыс. м³, крытые спортивные и зрелищные сооружения, учебные заведе­ния. Коэффициент надежности по назначению равен:

_n =1,0.

2-й класс. К этому классу относятся промышленные и гражданские сооружения, не относящиеся к 1 и 3 клас­сам. Коэффициент _n в этом случае равен 0,95.

3-й класс. Для складов без процессов упаковки и сор­тировки, одноэтажных жилых домов, временных зданий коэффициенент _n принимается равным 0,9.

Учет влияния на работу конструкций вероятной дли­тельности или многократной повторяемости нагрузок, влажностных и температурных условий, агрессивности среды, размеров сечений конструкций, способов изготов­ления и т.д., а также других факторов, не отраженных в расчетах прямым путем, следует производить с по­мощью коэффициентов условий работы _с. Численные значения устанавливаются нормативными документами по проектированию конструкций и оснований на осно­вании опыта строительства, а также экспериментальных и теоретических исследований. В практике проектирова­ния коэффициенты условий работы умножают на рас­четные сопротивления материалов.

Значения всех коэффициентов прочностных характеристик и нагрузок определяются нормами проектирова­ния (СНиПами), и учет их обязателен для проектиров­щиков. Как правило, на конструкцию действует несколь­ко нагрузок. Расчет конструкции на одновременное действие всех расчетных нагрузок дает излишний запас прочности и перерасход материала. Вместе с тем одновременное действие всех нагрузок при их небольших величинах вероятно. Например, многоэтажные здания не могут практически одновременно испытывать действие ураганного ветра, максимальную снеговую нагрузку по­крытия и наибольшую полезную нагрузку на всех пере­крытиях. Чтобы учесть этот фактор, вводят коэффициент сочетаний, учитывающий вероятность одновременного совпадения нагрузок. Коэффициенты сочетаний опреде­лены нормами СНиП 2.01.07—85 «Нагрузки и воздей­ствия».

№ 4