по геометрическому признаку :

массив - конструкция, в которой все размеры одного порядка;

брус - элемент, в котором два размера во много раз меньше третьего;

плита - элемент, в котором один размер во много раз меньше двух других;

стержневые системы представляют собой геометрически неизменяемые системы стержней, соединенных между собой шарнирно или жестко. К ним относятся строительные фермы (балочные или консольные)

с точки зрения статики:

статически определимые – конструкции, усилия или напряжения в которых могут быть определены только из уравнений равновесия;

статически неопределимые – конструкции, для которых одних уравнений статики недостаточно;

по используемым материалам : стальные, деревянные, железобетонные, бетонные, каменные (кирпичные);

с точки зрения напряженно-деформированного состояния (т.е. возникающих в конструкциях внутренних усилий, напряжений и деформаций под действием внешней нагрузки): простейшие, простые, сложные.

1. Требования к несущим конструкциям:

Надежность – способность конструкции сохранять свои эксплуатационные качества в течение всего срока службы сооружения, а также в период ее транспортирования с заводов на строительную площадку и в момент монтажа.

Долговечность - предельный срок службы зданий и сооружений, в течение которого они сохраняют требуемые эксплуатационные качества.

Индустриальность –

Унификация - ограничение количества типоразмеров параметров зданий и типовых изделий с учетом их взаимозаменяемости.

1. Физический смысл предельных состояний конструкций. Примеры предельных состояний первой и второй групп. Суть расчета по предельным состояниям.

Предельными называются такие состояния для здания, сооружения, а также основания или отдельных конструкций, при которых они перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям, а также требованиям, заданным при их возведении. Предельные состояния конструкций (зданий) подразделяются на две группы:

К предельным состояниям первой группы относятся: общая потеря устойчивости формы; потеря устойчивости положения; хрупкое, вязкое или иного характера разрушение; разрушение под совместным воздействием силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды и др.

К предельным состояниям второй группы относятся состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций (зданий) или снижающие их долговечность вследствие появлений недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота), колебаний и трещин;

Суть расчета: метод расчета строительных конструкций по предельным состояниям имеет своей целью не допустить наступления ни одного из предельных состояний, которые могут возникнуть в конструкции (здании).

1. Структура и содержание основных расчетных формул при расчете по предельным состояниям первой и второй групп.

При расчетах по предельным состояниям первой и второй групп в качестве главного прочностного показателя материала, как уже отмечалось, устанавливается его сопротивление, которое (наряду с другими характеристиками) может принимать нормативные и расчетные значения:

R n - нормативное сопротивление материала , представляет собой основной параметр сопротивления материалов внешним воздействиям и устанавливается соответствующими главами строительных норм (с учетом условий контроля и статистической изменчивости сопротивлений). Физический смысл нормативного сопротивления R n - это контрольная или браковочная характеристика сопротивления материала с обеспеченностью не менее 0,95%;

R - расчетное сопротивление материала , определяется по формуле:

γ m - коэффициент надежности по материалу , учитывает возможные отклонения сопротивления материала в неблагоприятную сторону от нормативных значений, γ m > 1.

γ c - коэффициент условий работы , учитывает особенности работы материалов, элементов и соединений конструкций, а также зданий и сооружений в целом, если эти особенности имеют систематический характер, но не отражаются в расчетах прямым путем (учет температуры, влажности, агрессивности среды, приближенности расчетных схем и др.);

N ; N ; γ f – , учитывает возможные отклонения нагрузок в неблагоприятную (большую или меньшую) сторону от их нормативных значений; γ n - коэффициент надежности по ответственности , учитывает экономические, социальные и экологические последствия, которые могут возникать в результате аварий.

N s ег и сервисное сопротивление R ser считаются расчетными для расчетов по предельным состояниям второй группы.

При расчетах по первой группе предельных состояний , которые связаны с обеспечением несущей способности конструкций (здания), принимают расчетные значения: расчетные нагрузки N и расчетные сопротивления материала R.

Работа материалов для несущих конструкций под нагрузкой и их расчетные характеристики.

Сталь .

три участка работы стали: 1 - участок упругой работы; 2 - участок пластической работы; 3 - участок упругопластической работы.

нормативные и расчетные сопротивления, необходимые для расчета конструкций, принимаются по пределу текучести

R уп - нормативное сопротивление стали, принятое по пределу текучести; R y - расчетное сопротивление стали, принятое по пределу текучести;

R ип - нормативное сопротивление стали, принятое по временному сопротивлению; R и - расчетное сопротивление стали, принятое по временному сопротивлению;

Древесина

Деревянные конструкции выполняются из лесоматериалов хвойных и лиственных пород, которые делятся на круглые - бревна, пиленые - пиломатериалы и строительную фанеру.

Работа древесины зависит от вида загружения (растяжение, сжатие, изгиб, смятие, скалывание), направления действия усилия по отношению к направлению волокон древесины, длительности приложения нагрузки, породы древесины и других факторов. Наличие пороков древесины (косослоя, сучков, трещин и т.п.) оказывает существенное влияние на ее прочность. Древесина подразделяется на три сорта, наиболее качественная древесина отнесена к первому сорту.

Диаграмма работы древесины вдоль волокон: 1 - на растяжение; 2 - на сжатие; Я^р - временное сопротивление чистой древесины; с - нормальные напряжения; е - относительные деформации

Железобетон. Железобетон является комплексным строительным материалом, в котором совместно работают бетон и стальная арматура. Для понимания работы железобетона и определения характеристик, необходимых для расчета, рассмотрим каждый из входящих в его состав материалов.

Основным показателем качества бетона является класс прочности на сжатие, который устанавливается на основании испытаний бетонных кубов в возрасте 28 суток.

Диаграмма напряжений и деформаций бетона: 1 - зона упругих деформаций; 2- зона пластических деформаций; σ bu - временное сопротивление бетона сжатию; σ btu - временное сопротивление бетона растяжению; Еb - модуль упругости бетона;

Арматура. Арматура в железобетонных конструкциях принимается в зависимости от типа конструкции, наличия предварительного напряжения, а также условий эксплуатации зданий и сооружений

По характеру работы арматуры, отраженной на диаграмме, различают три вида арматурных сталей: 1. Сталь с выраженной площадкой текучести (мягкая арматурная сталь). Предел текучести таких сталей -σ у 2 - Арматурная сталь с условным пределом текучести - σ 0.2 . Предел текучести таких сталей принимается равным напряжению, при котором остаточные деформации образца составляют 0,2%. 3 - Арматурная сталь с линейной зависимостью σ 0.2 - почти до разрыва. Для таких сталей предел текучести устанавливается как для сталей второго вида.

Диаграммы растяжения арматурных сталей:

.

Каменная кладка. Прочность каменной кладки зависит в основном от прочности камня (кирпича) и раствора.

Диаграмма деформаций каменной кладки при сжатии: 1 - зона упругих деформаций; 2- зона пластических деформаций; R и - временное сопротивление (средний предел прочности сжатию кладки); tg φ 0 = E 0 - модуль упругости (начальный модуль деформации)

16 ноября 2011

При расчете по этому методу конструкция рассматривается в своем расчетном предельном состоянии. За расчетное предельное состояние принимается такое состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям, т. е. либо теряет способность сопротивляться внешним воздействиям, либо получает недопустимую деформацию или местное повреждение.

Для стальных конструкций установлено два расчетных предельных состояния:

1. первое расчетное предельное состояние, определяемое несущей способностью ( , устойчивостью или выносливостью); этому предельному состоянию должны удовлетворять все стальные конструкции;
2. второе расчетное предельное состояние, определяемое развитием чрезмерных деформаций (прогибов и перемещений); этому предельному состоянию должны удовлетворять конструкции, в которых величина деформаций может ограничить возможность их эксплуатации.

Первое расчетное предельное состояние выражается неравенством

где N — расчетное усилие в конструкции от суммы воздействий расчетных нагрузок Р в наиболее невыгодной комбинации;

Ф — несущая способность конструкции, являющаяся функцией геометрических размеров конструкции, расчетного сопротивления материала R и коэффициента условий работы m.

Расчетные нагрузки Р, на которые рассчитывается конструкция (по предельному состоянию), принимаются несколько больше нормативные. Расчетная нагрузка определяется, как произведение нормативной нагрузки на коэффициент перегрузки n (больший единицы), учитывающий опасность превышения нагрузки по сравнению с ее нормативным значением вследствие возможной изменчивости нагрузки:

Значения коэффициентов п приведены в таблице Нормативные и расчетные нагрузки, коэффициенты перегрузки.

Таким образом, конструкции рассматривают под воздействием не эксплуатационных (нормативных), а расчетных нагрузок. От воздействия расчетных нагрузок в конструкции определяют расчетные усилия (осевое усилие N или момент М), которые находят по общим правилам сопротивления материалов и строительной механики.

Правая часть основного уравнения (1.I) — несущая способность конструкции Ф — зависит от предельного сопротивления материала силовым воздействиям, характеризуемого механическими свойствами материала и называемого нормативным сопротивлением R н, а также от геометрических характеристик сечения (площади сечения F, момента сопротивления W и т. п.).

Для строительной стали нормативное сопротивление принято равным пределу текучести,

(для наиболее распространенной строительной стали марки Ст. 3 σ т = 2 400 кг/см 2).

За расчетное сопротивление стали R принимают напряжение, равное нормативному сопротивлению, умноженному на коэффициент однородности k (меньший единицы), учитывающий опасность снижения сопротивления материала по сравнению с нормативным его значением вследствие изменчивости механических свойств материала

Для обычных малоуглеродистых сталей k = 0,9, а для сталей повышенного качества (низколегированные) k = 0,85.

Таким образом, расчетное сопротивление R — это напряжение, равное наименьшему возможному значению предела текучести материала, которое и принимается для конструкции как предельное.

Таким образом, основное расчетное уравнение (1.I) будет иметь следующий вид:

• при проверке конструкции на прочность при действии осевых сил или моментов

где N и M — расчетные осевые силы или моменты от расчетных нагрузок (с учетом коэффициентов перегрузки); F нт — площадь сечения нетто (за вычетом отверстий); W нт — момент сопротивления сечения нетто (за вычетом, отверстий);

• при проверке конструкции на устойчивость

где F бр и W бр — площадь и момент сопротивления сечения брутто (без вычета отверстий); φ и φ б — коэффициенты, уменьшающие расчетное сопротивление до значений, обеспечивающих устойчивое равновесие.

Обычно при расчете намеченной конструкции сначала подбирают сечение элемента и потом проверяют напряжение от расчетных усилий, которое не должно превышать расчетного сопротивления, умноженного на кoэффициeнт условий работы.

Поэтому наряду с формулами вида (4.I) и (5.I) будем записывать эти формулы в рабочем виде через расчетные напряжения, например:

• при проверке на прочность

• при проверке на устойчивость

где σ — расчетное напряжение в конструкции (от расчетных нагрузок).

Коэффициенты φ и φ б в формулах (8.I) и (9.I) правильнее записывать в правой части неравенства, как коэффициенты, снижающие расчетные сопротивления до критических напряжений. И только в целях удобства ведения расчета и сравнения результатов они записываются в знаменателе левой части этих формул.

* Значения нормативных сопротивлений и коэффициентов однородности приведены в «Строительных нормах и правилах» (СНиП), а также в «Нормах и технических условиях проектирования стальных конструкций» (НиТУ 121-55).

«Проектирование стальных конструкций»,
К.К.Муханов

Различают несколько категорий напряжений: основные, местные, дополнительные и внутренние. Основные напряжения — это напряжения, которые развиваются внутри тела в результате уравновешивания воздействий внешних нагрузок; они учитываются расчетом. При неравномерном распределении силового потока по сечению, вызванном, например, резким изменением сечения или наличием отверстия, возникает местная концентрация напряжений. Однако в пластических материалах, к которым относится строительная сталь,…

При расчете то допускаемым напряжениям конструкция рассматривается в ее рабочем состоянии под действием нагрузок, допускаемых при нормальной эксплуатации сооружения, т. е. нормативных нагрузок. Условие прочности конструкции заключается в том, чтобы напряжения в конструкции от нормативных нагрузок не превышали установленных нормами допускаемых напряжений, которые представляют собой некоторую часть от предельного напряжения материала, принимаемого для строительной стали…

С 1955 г. расчет железобетонных конструкций в нашей стране производится по методу предельных состояний.

· Под предельным понимают такое состояние конструкции, после достижения, которого дальнейшая эксплуатация становится невозможной вследствие потери спо­собности сопротивляться внешним нагрузкам или получения недопустимых перемещений или местных повреждений. В соответствии с этим установлены две группы предельных состояний: первая - по несущей способности; вторая - по пригодности к нормальной эксплуатации.

· Расчет по первой группе предельных состояний выполняется с целью предотвращения разрушения конструкций (расчет по прочности), потери устойчивости формы конструкции (расчет на продольный изгиб) или ее положения (расчет на опрокидывание или скольжение), усталостного разрушения (расчет на выносливость).

· Расчет по второй группе предельных состояний имеет цель не допустить развитие чрезмерных деформаций (прогибов), исключить возможность образования трещин в бетоне или ограничить ширину их раскрытия, а также обеспечить в необходимых случаях закрытие трещин после снятия части нагрузки.

Расчет по первой группе предельных состояний является основным и используется при подборе сечений. Расчет по второй группе производится для тех конструкций, которые, будучи прочными, теряют свои эксплуатационные качества вследствие чрезмерных прогибов (балки, больших пролетов при относительно малой нагрузке), образования трещин (резервуары, напорные трубопроводы) или чрезмерного раскрытия трещин, приводящего к преждевременной коррозии арматуры.

Нагрузки, действующие на конструкцию, и прочностные характеристики материалов, из которых конструкция изготовлена, обладают изменчивостью и могут отличаться от средних значений. Поэтому для обеспечения того, чтобы за время нормальной эксплуатации сооружения не наступило ни одного из предельных состояний, вводится система расчетных коэффициентов, учитывающих возможные отклонения (в неблагоприятную сторону) различных факторов, влияющих на надежную работу конструкций: 1) коэффициенты надежности по нагрузке γ f , учитывающие изменчивость нагрузок или воздействий; 2) коэффициенты надежности по бетону γ b и арматуре γ s . учитывающие изменчивость их прочностных свойств; 3) коэффициенты надежности по назначению конструкции γ n , учитывающие степень ответственности и капитальности зданий и сооружений; 4) коэффициенты условий работы γ bi и γ si , позволяющие оценить некоторые особенности работы материалов и конструкций в целом, которые не могут быть отражены в расчетах прямым путем.

Расчетные коэффициенты устанавливают на основе вероятностно-статистических методов. Они обеспечивают требуемую надежность работы конструкций для всех стадий: изготовления, транспортирования, возведения и эксплуатации.

Таким образом, основная идея метода расчета по предельным состояниям заключается в обеспечении условия, чтобы даже в тех редких случаях, когда на конструкцию действуют максимально возможные нагрузки, прочность бетона и арматуры минимальна, а условия эксплуатации наиболее неблагоприятны, конструкция не разрушилась и не получила бы недопустимых прогибов или трещин. При этом во многих случаях удается получать более экономичные решения, нежели при расчете ранее применявшимися методами.

Нагрузки и воздействия . При проектировании следует учитывать нагрузки, возникающие при возведении и эксплуатации сооружений, а также при изготовлении, хранении и перевозке строительных конструкций.

В расчетах используют нормативные и расчетные значения нагрузок. Установленные нормами наибольшие значения нагрузок, которые могут действовать на конструкцию при ее нормальной эксплуатации, называют нормативными*. Фактическая нагрузка в силу разных обстоятельств может отличаться от нормативной в большую или меньшую сторону. Это отклонение учитывается коэффициентом надежности по нагрузке.

Расчет конструкций производится на расчетные нагрузки

где q n - нормативная нагрузка; γ f - коэффициент надежности по нагрузке, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию.

При расчете по первой группе предельных состояний γ f принимают: для постоянных нагрузок γ f = 1,1...1,3; временных γ f = 1,2...1,6, при расчете на устойчивость положения (опрокидывание, скольжение, всплытие), когда уменьшение веса конструкции ухудшает условия ее работы, принимают

Расчет конструкций по второй группе предельных состояний, учитывая меньшую опасность их наступления, производят на расчетные нагрузки при γ f = l. Исключение составляют конструкции, относящиеся к I категории трещиностойкости (см. § 7.1), для которых γ f >l.

Нагрузки и воздействия на здания и сооружения могут быть постоянными и временными. Последние в зависимости от продолжительности действия подразделяются на длительные, кратковременные и особые.

К постоянным нагрузкам относятся вес частей сооружений, в том числе вес несущих и ограждающих конструкций; вес и давление грунтов (насыпей, засыпок); воздействие предварительного напряжения.

К временным длительным нагрузкам относятся: вес стационарного оборудования - станков, моторов, емкостей, конвейеров; вес жидкостей и твердых тел, заполняющих оборудование; нагрузка на перекрытия от складируемых материалов и стеллажей в складах, холодильниках, книгохранилищах, библиотеках и подсобных помещениях.

В тех случаях, когда требуется учитывать влияние длительности действия нагрузок на деформации и образование трещин, к длительным нагрузкам относится часть кратковременных. Это нагрузки от кранов с пониженным нормативным значением, определяемым умножением полного нормативного значения вертикальной нагрузки от одного крана в каждом пролете на коэффициент: 0,5 - для групп режима работы кранов 4К-6К; 0,6 - для групп режима работы кранов 7K; 0,7 - для групп режима работы кранов 8К*; снеговые нагрузки с пониженным нормативным значением, определяемым умножением полного нормативного значения (см. §11.4) на коэффициент 0,3 - для III снегового района, 0,5 - для IV района, 0,6 - для районов V, VI; нагрузки от лю­дей, оборудования на перекрытия жилых и общественных зданий с пониженными нормативными значениями . Эти нагрузки отнесены к длительным вследствие того, что могут действовать в течение времени, достаточного, чтобы проявились деформации ползучести, увеличиваю­щие прогиб и ширину раскрытия трещин.

К кратковременным нагрузкам относятся: нагрузки от веса людей, оборудования на перекрытия жилых и общественных зданий с полными нормативными значениями; нагрузки от кранов с полным нормативным значением; снеговые нагрузки с полным нормативным значением; ветровые нагрузки, а также нагрузки, возникающие при монтаже или ремонте конструкций.

Особые нагрузки возникают при сейсмических, взрывных или аварийных воздействиях.

Здания и сооружения подвергаются одновременному действию различных нагрузок, поэтому расчет их должен выполняться с учетом наиболее неблагоприятного сочетания этих нагрузок или усилий, вызванных ими. В зависимости от состава учитываемых нагрузок различают: основные сочетания, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок; особые сочетания, состоящие из постоянных, длительных, кратковременных и одной из особых нагрузок.

Временные нагрузки включаются в сочетания как длительные - при учете пониженного нормативного значения, как кратковременные - при учете полного нормативного значения.

Вероятность одновременного появления наибольших нагрузок или усилий учитывается коэффициентами сочетаний ψ 1 и ψ 2 . Если в основное сочетание включается постоянная и только одна временная нагрузка (длительная и кратковременная), то коэффициенты сочетаний принимают равными 1, при учете двух и более временных нагрузок последние умножают на ψ 1 = 0,95 при длительных нагрузках и ψ 1 = 0,9 при кратковременных, так как считается маловероятным, чтобы они одновременно достигали наибольших расчетных значений.

* Группы режимов работы кранов зависят от условий работы кранов, грузоподъемности и принимаются по ГОСТ 25546-82.

При расчете конструкций на особое сочетание нагрузок, включающих взрывные воздействия, допускается не учитывать кратковременные нагрузки.

Значения расчетных нагрузок должны умножаться также на коэффициент надежности по назначению конструкций, учитывающий степень ответственности и капитальности зданий и сооружений. Для сооружений I класса (объектов особо важного народнохозяйственного значения) γ n =1, для сооружений II класса (важные народнохозяйственные объекты) γ n =0,95, для сооружений III Класса (имеющих ограниченное народнохозяйственное значение) γ n =0,9, для временных сооружений со сроком службы до 5 лет γ n =0,8.

Нормативные и расчетные сопротивления бетона. Прочностные характеристики бетона обладают изменчивостью. Даже образцы из одной партии бетона покажут при испытании разную прочность, что объясняется неоднородностью его структуры и неодинаковыми условиями испытаний. На изменчивость прочности бетона в конструкциях также влияют качество оборудования, квалификация рабочих, вид бетона и другие факторы.

Рис. 2.3. Кривые распределения:

F m и F - среднестатистическое и расчетное значения

усилий от внешней нагрузки;

F um и F u - то же, несущей способности

Из всех возможных значений прочности в расчет необходимо вводить такое, которое с необходимой надежностью обеспечивает безопасную эксплуатацию конструкций. Установить его помогают методы теории вероятностей.

Изменчивость прочностных свойств подчиняется, как правило, закону Гаусса и характеризуется кривой распределения (рис. 2.3, а), которая связывает прочностные характеристики бетона с частотой их повторения в опытах. Пользуясь кривой распределения, можно вычислить среднее значение временного сопротивления бетона сжатию:

где n 1 , n 2 ,.., n k - число опытов, в которых была зафиксирована прочность R 1 , R 2 ,…, R k , n - общее число опытов. Разброс прочности (отклонение от среднего) характеризуется среднеквадратическим отклонением (стандартом)

или коэффициентом вариации ν = σ/R m . В формуле (2.8) Δ i = R i - R m .

Вычислив σ, можно методами теории вероятностей найти значение прочности R n , которое будет иметь заданную надежность (обеспеченность):

где æ - показатель надежности.

Чем выше æ (см. рис. 2.3,а), тем большее число образцов покажут прочность R m - æσ и более, тем выше надежность. Если за минимальную прочность, вводимую в расчет, принять R n =R m - σ (т.е. задаваясь æ = 1), то 84% всех образцов (ими могут быть кубы, призмы, восьмерки) покажут такую же или большую прочность (надежность 0,84). При æ = 1,64- 95% образцов покажут прочность R n =R m - 1,64σ и более, а при æ = 3 - 99,9 % образцов будут обладать прочностью не ниже R n =R m -Зσ . Таким образом, если ввести в расчет зна­чение R m -Зσ, то только в одном случае из тысячи прочность окажется ниже принятой. Такое явление считается практически невероятным.

Согласно нормам основной контролируемой на заводе характеристикой является класс бетона «В»*, представляющий прочность бетонного куба с ребром 15 см с надежностью 0,95. Прочность, соответствующую классу, определяют по формуле (2.9) при æ =1,64

Значение ν может изменяться в широких пределах.

Заводу-изготовителю необходимо обеспечить соответствующую классу бетона прочность R n с учетом коэффициента ν, определяемого для конкретных условий производства. На предприятиях с хорошо организованным производством (выпускающим бетон с высокой однородностью) фактический коэффициент вариации будет невелик, средняя прочность бетона [см. формулу (2.10)] может быть принята более низкой, таким образом можно сберечь цемент. Если же выпускаемый предприятием бетон имеет большую изменчивость прочности (большой коэффициент вариации), то необходимо для обеспечения требуемых значений R n повысить прочность бетона R m , что вызовет перерасход цемента.

* До 1984 г. основной характеристикой прочности бетона являлась его марка, которая определялась как среднее значение временного сопротивления бетона сжатию R m в кгс/см 2 .

Нормативное сопротивление бетонных призм осевому сжатию R b,n (призменная прочность) определяется по нормативному значению кубиковой прочности с учетом зависимости (1.1), связывающей призменную и кубиковую прочность. Значения R b,n приведены в табл. 2.1.

Нормативные сопротивления бетона осевому растяжению R bt,n в случаях, когда прочность бетона на растяжение не контролируется, определяются по нормативному значению кубиковой прочности с учетом зависимости (1.2), связывающей прочность на растяжение с прочностью на сжатие. Значения R bt,n приведены в табл. 2.1.

Если же прочность бетона на растяжение контролируется непосредственным испытанием образцов на производстве, то нормативное сопротивление осевому растяжению принимается равным

и характеризует класс бетона по прочности на растяжение.

Расчетные сопротивления бетона для предельных состояний первой группы R b и R bt определяют делением нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надежности бетона при сжатии γ bc или при растяжении γ bt:

Для тяжелого бетона γ bc = 1,3; γ bt = 1,5.

Эти коэффициенты учитывают возможность понижения фактической прочности по сравнению с нормативной вследствие отличия прочности бетона в реальных конструкциях от прочности в образцах и ряд других факторов, зависящих от условий изготовления и эксплуатации конструкций.

Таблица 2.1.

Прочностные и деформативные характеристики тяжелого бетона

Класс бетона по прочности на сжатие	Нормативные сопротивления и расчетные сопротивления бетона для расчета по предельным состояниям II группы, МПа		Расчетные сопротивления бетона при расчете по предельным состояниям I группы, МПа		Начальный модуль упругости бетона при сжатии Е b ·10 -3 , МПа
	сжатию R bn , R b,ser	растяжению R btn , R bt,ser	сжатию R b	растяжению R bt	естественного твердения	подвергнутого тепловой обработке
В 7,5 В 10 В 12,5 В 15 В 20 В 25 В 30 В 35 В 40 В 45 В 50 В 55 В60	5,50 7,50 9,50 11,0 15,0 18,5 22,0 25,5 29,0 32,0 36,0 39,5 43,0	0,70 0,85 1,00 1,15 1,40 1,60 1,80 1,95 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50	4,50 6,00 7,50 8,50 11,5 14,5 17,0 19,5 22,0 25,0 27,5 30,0 33,0	0,480 0,570 0,660 0,750 0,900 1,05 1,20 1,30 1,40 1,45 1,55 1,60 1,65	16,0 18,0 21,0 23,0 27,0 30,0 32,5 34,5 36,0 37,5 39,0 39,5 40,0	14,5 16,0 19,0 20,5 24,5 27,0 29,0 31,0 32,5 34,0 35,0 35,5 36,0

Расчетные сопротивления бетона для предельных состояний II группы R b,ser и R bt,ser определяются при коэффициентах надежности γ bc = γ bt = 1, т.е. принимаются равными нормативным сопротивлениям. Это объясняется тем, что наступление предельных состояний II группы менее опасно, чем I группы, поскольку оно, как правило, не приводит к обрушению сооружений и их элементов.

При расчете бетонных и железобетонных конструкций расчетные сопротивления бетона в необходимых случаях умножают на коэффициенты условий работы γ bi , учитывающие: длительность действия и повторяемость нагрузки, условия изготовления, характер работы конструкции и т. п. Например, с целью учета снижения прочности бетона, имеющего место при длительной нагрузке, вводят коэффициент γ b 2 = 0,85...0,9, при учете нагрузок малой длительности - γ b 2 = 1,1 .

■ Нормативные и расчетные сопротивления арматуры . Нормативные сопротивления арматуры R sn принимают равными наименьшим контролируемым значениям : для стержневой арматуры, высокопрочной проволоки и арматурных канатов - пределу текучести, физическому σ y , или условному σ 0,2 ; для обыкновенной арматурной проволоки - напряжению, составляющему 0,75 от временного сопротивления разрыву, так как ГОСТ не регламентирует предела текучести для этой проволоки.

Значения нормативных сопротивлений R sn принимают в соответствии с действующими стандартами на арматурные стали, как и для бетона, с надежностью 0,95 (табл. 2.2).

Расчетные сопротивления арматуры растяжению R s и R s,ser для предельных состояний I и II группы (табл. 2.2) определяются делением нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надежности по арматуре γ s:

Коэффициент надежности устанавливают, чтобы исключить возможность разрушения элементов в случае чрезмерного сближения R s и R sn . Он учитывает изменчивость площади поперечного сечения стержней, раннее развитие пластических деформаций арматуры и т.п. Его значение для стержневой арматуры классов A-I, A-II составляет 1,05; классов A-III - 1,07...1,1; классов A-IV, A-V-1,15; классов A-VI - 1,2; для проволочной арматуры классов Bp-I, B-I - 1,1; классов В-II, Вр-II, К-7, К-19-1,2.

При расчете по предельным состояниям II группы значение коэффициента надежности для всех видов ар­матуры принято равным единице, т.е. расчетные сопротивления R s , s er численно разны нормативным.

При назначении расчетных сопротивлений арматуры сжатию R sc учитываются не только свойства стали, но и предельная сжимаемость бетона. Принимая ε bcu = 2Х·10 -3 , модуль упругости стали E s = 2·10 -5 МПа, можно получить наибольшее напряжение σ sc , достигаемое в арматуре перед разрушением бетона из условия совместных деформаций бетона и арматуры σ sc = ε bcu E s = ε s E s . Согласно нормам расчетное сопротивление арматуры сжатию R sc принимают равным R s , если оно не превышает 400 МПа; для арматуры с более высоким значением R s , расчетное сопротивление R sc принимают 400 МПа (или 330 МПа при расчете в стадии обжатия). При длительном действии нагрузки ползучесть бетона приводит к повышению напряжения сжатия в арматуре. Поэтому если расчетное сопротивление бетона принимают с учетом коэффициента условий работы γ b 2 = 0,85...0,9 (т.е. с учетом продолжительного действия нагрузки), то допускается при соблюдении соответствующих конструктивных требований повышать значение R sc до 450 МПа для сталей класса A-IV и до 500 МПа для сталей классов Ат-IV и выше.

При расчетах конструкций по I группе предельных состояний расчетные сопротивления арматуры в необходимых случаях умножаются на коэффициенты условий работы γ si , учитывающие неравномерность распределения напряжений в сечении, наличие сварных соединений, многократное действие нагрузки и др. Например, работа высокопрочной арматуры при напряжениях выше условного предела текучести учитывается коэффициентом условий работы γ s6 , величина которого зависит от класса арматуры и изменяется от 1,1 до 1,2 (см. § 4.2).

Таблица 2.2.

Прочностные и деформативные характеристики

арматурных сталей и канатов.

арматуры		Нормативные R sn и расчетные сопротивления при расчете по предельным состояниям II группы R s , ser , мПа	Расчетные сопротивления арматуры, МПа, при расчете по предельному состоянию I группы			упругости E s , 10 5 МПа
			растяжению
			продольной и поперечной при расчете наклонных сечений на действие изгибающего момента R s	поперечной при расчете наклонных сечений на действие поперечной силы R sw
Стержневая
A-I	6…40	235	225	175	225	2,1
A-II	10…80	295	280	225	280	2,1
A-III	6…8	390	355	285	355	2,0
	10…40	390	365	290	365	2,0
A-IV	10…28	590	510	405	400	1,9
A-V	10…32	785	680	545	400	1,9
A-VI	10…28	980	815	650	400	1,9
A-IIIв (с контролем удлинения и напряжения)	20…40	540	490	390	200	1,8
Проволочная
Вр-I	3...5	410...395	375...360	270...260	375...360	1,7
В-II	3...8	1490...1100	1240...915	990...730	400	2,0
Вр-II	3...8	1460...1020	1215...850	970...680	400	2,0
Канатная
К-7	6...15	1450...1290	1210...1080	965...865	400	1,8
К-19	14	1410	1175	940	400	1,8

Примечание. В таблице под классами стержневой арматуры подразумевают все виды арматуры соответствующего класса, например, под классом А-V подразумевают также А т -V, А т -VCK и т. п.

■ Основные положения расчета.

· При расчете по I группе предельных состояний (несущей способности) должно выполняться условие

F

Левая часть выражения (2.14) представляет собой расчетное усилие, равное практически возможному максимальному усилию в сечении элемента при невыгоднейшей комбинации расчетных нагрузок или воздействий; оно зависит от усилий, вызванных расчетными нагрузками q при γ f >1, коэффициентов сочетаний и коэффициентов надежности по назначению конструкций γ n . Рас­четное усилие F не должно превышать расчетную несущую способность сечения F u , которая является функцией расчетных сопротивлений материалов и коэффициентов условий работы γ bi , γ si , учитывающих неблагоприятные или благоприятные условия эксплуатации конструкций, а также формы и размеры сечения.

Кривые (рис. 2.3,б) распределения усилий от внешней нагрузки 1 и несущей способности 2 зависят от изменчивости рассмотренных выше факторов и подчиняются закону Гаусса. Выполнение условия (2.14), выраженного графически, гарантирует требуемую несущую способность конструкции.

При расчете по II группе предельных состояний:

· по перемещениям - требуется, чтобы прогибы от нормативной нагрузки f не превышали предельных значений прогибов f u , установленных нормами для данного конструктивного элемента f ≤ f u . Значение f u принимают по ;

· по образованию трещин - усилие от расчетной или нормативной нагрузки должно быть меньше или равно усилию, при котором возникают трещины в сечении F ≤ F crc ;

· по раскрытию нормальных и наклонных трещин - ширина их раскрытия на уровне растянутой арматуры должна быть меньше установленного нормами предельного их раскрытия a cr c , u a crc ≤ a cr c , u = 0,l...0,4 мм.

В необходимых случаях требуется, чтобы трещины, образовавшиеся от полной нагрузки, были бы надежно закрыты (зажаты) при действии длительной ее части. В этих случаях производится расчет по закрытию трещин.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ:

1. Стадии напряженно-деформированного состояния изгибаемых железобетонных элементов. Какие из этих стадий используются при расчете прочности, трещиностойкости, прогибов?

2. Особенности напряженно-деформированного состояния предварительно напряженных конструкций.

3. Основные положения методов расчета сечений по допускаемым напряжениям и разрушающим нагрузкам. Недостатки этих методов.

4. Основные положения расчета по методу предельных состояний.

Группы предельных состояний.

5. Каковы цели расчета по I и II группам предельных состояний?

6. Классификация нагрузок и их расчетные сочетания.

7. Нормативные и расчетные нагрузки. Коэффициенты надежности

по нагрузкам. В каких пределах они изменяются?

8. Нормативное сопротивление бетона. Как оно связано со средней

прочностью? С какой обеспеченностью оно назначается?

9. Как определяется расчетное сопротивление бетона для I и II групп

предельных состояний? С какой целью вводятся коэффициенты надежности и коэффициенты условий работы?

10. Как назначается нормативное сопротивление арматуры для различных сталей?

11. Расчетные сопротивления арматуры, коэффициенты надежности

и условий работы.

12. Запишите в общем виде условия, исключающие наступление

предельных состояний I и II групп, и объясните их смысл.

Расчет на прочность может производиться по одной из двух методик - по предельному состоянию, или по допускаемым напряжениям. Методика расчета по допускаемым напряжениям принята при расчете машиностроительных конструкций, и основы ее использования приведены в курсе «Сопротивления материалов». При расчете строительных конструкций принята методика расчета по предельному состоянию, более совершенная, чем методика расчета по допускаемым напряжениям.

Предельное напряженное состояние – состояние, когда в точке возникает напряженное состояние, ведущее к возникновению нового процесса. Например, к развитию пластической деформации, к образованию трещины и т.д. Различные ПНС возникают при различных видах нагружения.

Предельное состояние – такое состояние, при котором конструкция теряет работоспособность или ее состояние становится нежелательной. Усилия вызывающие предельное состояние называются предельными

Следует различать предельные состояния и предельные напряженные состояния. Не всегда эти понятия совпадают. Примеры:

Увеличение напряжений при изгибе балки до предела текучести приводит достижению ПНС в точках максимально удаленных от нейтральной линии. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к достижению напряжениями уровня предела текучести во всем сечении – предельного состояния в сечении, в конструкции происходит качественные изменения, перемещения резко увеличиваются, поскольку в наиболее нагруженном сечении образуется пластический шарнир.

Увеличение напряжений при растяжении приводит к последовательному появлению следующих предельных напряженных состояний: а) начала равномерной пластической деформации; б) образования шейки; в) разрушения.

Метод расчета по предельным состояниям

В соответствии с ГОСТ 27751-88 "Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету" предельные состояния подразделяются на две группы:

первая группа включает предельные состояния, которые ведут к полной непригодности к эксплуатации конструкций, оснований (зданий или сооружений в целом) или к полной (частичной) потере несущей способности зданий и сооружений в целом;

вторая группа включает предельные состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций (оснований) или уменьшающие долговечность зданий (сооружений) по сравнению с предусматриваемым сроком службы.

Предельные состояния первой группы характеризуются:

разрушением любого характера (например, пластическим, хрупким, усталостным);

потерей устойчивости формы, приводящей к полной непригодности к эксплуатации;

потерей устойчивости положения;

переходом в изменяемую систему;

качественным изменением конфигурации;

другими явлениями, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации (например, чрезмерными деформациями в результате ползучести, пластичности, сдвига в соединениях, раскрытия трещин, а также образованием трещин).

Предельные состояния второй группы характеризуются:

достижением предельных деформаций конструкции (например, предельных прогибов, поворотов) или предельных деформаций основания;

достижением предельных уровней колебаний конструкций или оснований;

образованием трещин;

достижением предельных раскрытий или длин трещин;

потерей устойчивости формы, приводящей к затруднению нормальной эксплуатации;

другими явлениями, при которых возникает необходимость временного ограничения эксплуатации здания или сооружения из-за неприемлемого снижения их срока службы (например, коррозионные повреждения).

Первое предельное состояние для растянутых и сжатых элементов выражается соотношением:

где
– расчетное сопротивление по пределу текучести;

– предел текучести;

– коэффициент надежности по материалу (γ С >1);

– расчетное сопротивление по пределу прочности;

– предел прочности;

– коэффициент условий работы (γ С <1);

-коэффициент надежности для элементов конструкций, рассчитываемых на прочность с использованием расчетных сопротивленийR u ;

– площадь поперечного сечения растянутого (сжатого) элемента.

Для изгибаемых элементов:

Формально величину в правой части неравенств (2 .0), (2 .0), (2 .0), мы можем принять за допускаемое напряжение, приемы расчета по предельному состоянию и допускаемым напряжениям совпадают, однако при расчете по предельным состояниям общий и неизменный коэффициент запаса прочности заменяется несколькими переменными величинами. Это позволяет при расчете по предельному состоянию проектировать эксплуатационно равнопрочные конструкции.

При определении расчетных сопротивлений для сварных швов R W учитываются следующее: основной материал сварной конструкции, вспомогательные материалы используемые при сварке (марки покрытых электродов, электродных проволок), наличие либо отсутствие физических методов контроля сварного шва.

Строительные конструкции должны, прежде всего, обладать доста-точной надёжностью — т. е. способностью выполнять определённые функции в соответствующих условиях в течение определённого сро-ка. Прекращение выполнения строительной конструкцией хотя бы одной из предусмотренных для неё функций называется отказом.

Таким образом, под отказом понимают возможность наступле-ния такого случайного события, результатом которого являются со-циальные или экономические потери. Считается, что конструкция в момент, предшествующий отказу, переходит в предельное состояние.

Предельными называются такие состояния, при наступлении ко-торых конструкция перестаёт удовлетворять предъявляемым к ней требованиям, т. е. она теряет способность сопротивляться внешним нагрузкам или получает недопустимые перемещения либо местные повреждения.

Причинами наступления в строительных конструкциях предель-ных состояний могут быть перегрузки, невысокое качество матери-алов, из которых они изготовлены, и другое.

Основное отличие рассматриваемого метода от прежних методов расчёта (расчет по допускаемым напряжениям) в том, что здесь чётко устанавливаются предельные состоя-ния конструкций и вместо единого коэффициента запаса прочности k в расчёт вводится система расчётных коэффициентов, гарантиру-ющих конструкцию с определённой обеспеченностью от наступления этих состояний при самых неблагоприяных (но реально возможных) условиях. В настоящее время этот метод расчета принят в качестве основного официального.

Железобетонные конструкции могут потерять необходимые эксплуатационные качества по одной из двух причин:

1. В результате исчерпания несущей способности (разрушение материала в наиболее нагруженных сечениях, потери устойчивости отдельных элементов или всей конструкцией в целом);

2. В следствии чрезмерных деформаций (прогибов, колебаний, осадок), а также из-за образования трещин или чрезмерного их раскрытия.

В соответствии с указанными двумя причинами, которые могут вызвать потерю эксплуатационных качеств конструкций, нормами установлены две группы их предельных состояний:

По несущей способности (первая группа);

По пригодности к нормальней эксплуатации (вторая группа).

Задачей расчёта является предотвращение наступления в рас-сматриваемой конструкции любого предельного состояния в период изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации.

Расчёты по предельным состояниям первой группы должны обеспечивать в период эксплуатации конструкции и для других ста-дий работы её прочность, устойчивость формы, устойчивость по-ложения, выносливость и др.

Расчёты по предельным состояниям второй группы выполняют, чтобы предотвратить в период эксплуатации конструкции и на дру-гих стадиях её работы чрезмерное по ширине раскрытие трещин, приводящее к преждевременной коррозии арматуры , или их образованиие, а также чрезмерные перемещения.

Расчётные факторы

Это нагрузки и механические характеристики материалов (бетона и арматуры). Они обладают статистической изменчивостью или раз-бросом значений. В расчётах по предельным состояниям учитывают (в неявной форме) изменчивость нагрузок и механических характе-ристик материалов, а также различные неблагоприятные или благо-приятные условия работы бетона и арматуры , условия изготовления и эксплуатации элементов зданий и сооружений.

Нагрузки, механические характеристики материалов и расчёт-ные коэффициенты нормированы. При проектировании железобе-тонных конструкций значения нагрузок, сопротивлений бетона и ар-матуры устанавливают по главам СНиП 2.01.07-85* и СП 52-101-2003.

Классификация нагрузок. Нормативные и расчёт-ные нагрузки

Нагрузки и воздействия на здания и сооружения в зависимости от продолжительности их действия делят на постоянные и временные. Последние, в свою очередь, подразделяются на длительные, крат-ковременные и особые.

являются вес несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, вес и давление грунтов, воздей-ствие предварительного напряжения железобетонных конструкций.

относятся: вес стационар-ного оборудования на перекрытиях — станков, аппаратов, двига-телей, ёмкостей и т. п.; давление газов, жидкостей, сыпучих тел в ёмкостях; нагрузки на перекрытия от складируемых материалов и стеллажного оборудования в складских помещениях, холодильни-ках, зернохранилищах, книгохранилищах, архивах и подобных по-мещениях; температурные технологические воздействия от стацио-нарного оборудования; вес слоя воды на водонаполненных плоских покрытиях и др.

Относятся: вес людей, ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудова-ния, снеговые нагрузки с полным нормативным значением, ветро-вые нагрузки, нагрузки, возникающие при изготовлении, перевозке и монтаже элементов конструкций и некоторые др.

относятся: сейсмические и взрывные воз-действия; нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологи-ческого процесса, временной неисправностью или поломкой обору-дования и т. п.

Нагрузки в соответствии со СНиП 2.01.07-85* делятся также на нормативные и расчётные.

Нормативными называются нагрузки или воздействия близкие по величине к наибольшим возможным при нормальной эксплуата-ции зданий и сооружений. Их значения приводятся в нормах.

Изменчивость нагрузок в неблагоприятную сторону оценивают коэффициентом надёжности по нагрузке γ f .

Расчётное значение нагрузки gдля расчёта конструкции на проч-ность или устойчивость определяется путём умножения её норма-тивного значения g п на коэффициент γ f , обычно больший 1

Значения дифференцированы в зависимости от характера на-грузок и их величины. Так, например, при учёте собственного веса бетонных и железобетонных конструкций = 1,1; при учёте соб-ственного веса различных стяжек, засыпок, утеплителей, выполня-емых в заводских условиях, = 1,2, а на строительной площадке = 1,3. Коэффициенты надёжности по нагрузке для равномер-но распределённых нагрузок следует принимать:

1,3 — при полном нормативном значении менее 2 кПа (2 кН/м 2);

1,2 — при полном нормативном значении 2 кПа (2 кН/м 2) и бо-лее. Коэффициент надёжности по нагрузке для собственного веса при расчёте конструкции на устойчивость положения против всплы-тия, опрокидывания и скольжения, а также в других случаях, когда уменьшение массы ухудшает условия работы конструкции, прини-мают равным 0,9.

Расчёты по предельным состояниям второй группы ведут по нор-мативным нагрузкам или по расчётным, взятым с γ f = 1.

Здания и сооружения подвергаются одновременному действию различных нагрузок. Поэтому расчёт здания или сооружения в це-лом, либо отдельных его элементов, должен выполняться с учётом наиболее неблагоприятных сочетаний этих нагрузок или усилий, вы-званных ими. Неблагоприятные, но реально возможные сочетания нагрузок при проектировании выбираются в соответствии с реко-мендациями СНиП 2.01.07-85*.

В зависимости от состава учитываемых нагрузок различают сочетания:

- основные , включающие постоянные, длительные и кратковременные нагрузки

Т = ΣТ пост + ψ 1 ΣТ длит + ψ 2 ΣТ крат,

где Т = М, Т, Q;

ψ - коэффициент сочетаний (если учитывается 1 кратковременная нагрузка, то ψ 1 = ψ 2 =1,0, если в сочетание входят 2 и более кратковременных нагрузок, то ψ 1 = 0,95, ψ 2 = 0,9);

- особые , включающие дополнительно к постоянным, длительным и кратковременным нагрузкам особую нагрузку (ψ 1 = 0,95, ψ 2 = 0,80).