Метод расчета по разрушающим нагрузкам

Метод расчета по допускаемым напряжениям

Метод разработан в конце 19 в. и применялся в России до 1938 г. для строительных конструкций из всех материалов. Метод базировался на едином, конкретном для каждого материала коэффициенте запаса, т.к. недостаточно были изучены нагрузки и прочностные свойства материалов. В основе расчета – формулы сопротивления материалов для упругих материалов. Наибольшие нормальные σ и касательные τ напряжения, действующие в сечениях элемента при эксплуатационных нагрузках, сопоставляют с соответствующими допускаемыми напряжениями [σ], [τ] для данного материала. Величины допускаемых напряжений назначают с определенным коэффициентом запаса по сравнению с предполагаемым предельным напряжением σ_u материала.

Условие прочности имеет вид:

σ ≤ [σ] = σ_u / k, τ ≤ [τ] = τ_u / k,

где k>1 – коэффициент запаса, различный для разных материалов, учитывает характер действующих усилий, несоответствие расчетной схемы действительной работе конструкции, возможное превышение нагрузок, отклонение фактических размеров конструкций от проектных и т.д.

Наличие единого коэффициента запаса приводило к большому расхождению с результатами экспериментов. Например, действительная прочность кирпичных колонн, работающих на внецентренное сжатие, оказывалась в 1,5 раза больше, а в случаях больших эксцентриситетов в 2 раза больше, чем следовало ожидать по расчету.

Расчет по допускаемым напряжениям производят для элементов по их состоянию в период эксплуатации. Расчет металлических и деревянных конструкций производят как для однородных материалов, и с этой точки зрения он приемлем, для бетона и тем более железобетона он соответствует в меньшей степени.

Но основной его недостаток – неучет пластических деформаций, в первую очередь, бетона и арматуры, что ведет к неоправданному перерасходу материалов. Кроме того, для железобетона как составного материала не может быть единого коэффициента запаса. Поэтому расчет по допускаемым напряжениям дает возможность весьма приближенно оценить величину напряжений, возникающих в конструкциях в стадии эксплуатации.

Несмотря на недостатки, этот метод до настоящего времени применяется в некоторых странах. Отдельные положения расчета по допускаемым напряжениям практикуются в отечественных нормах при расчетах преднапряженных железобетонных элементов.

По мере накопления информации о разрушающих нагрузках армокаменных и железобетонных конструкций в 1938 году был осуществлен переход от расчета по допускаемым напряжениям к расчету по разрушающим нагрузкам, т.е. коэффициент запаса был уточнен, что сблизило результаты расчета и фактическую несущую способность конструкций и их элементов, но коэффициент запаса по-прежнему един. Этот метод применялся в нормах расчета железобетонных конструкций до 1955 г.

Условие прочности имеет вид M ≤ Mu / k,

где М – усилие (изгибающий момент, продольная сила), действующие в стадии эксплуатации,

Mu – разрушающее усилие, воспринимаемое сечением элемента, по предельному его значению.

Этот метод в отличие от первого величиной Mu учитывает упругопластические свойства железобетона, а коэффициент запаса k по усилиям позволяет оценить надежность конструкции. Но единый коэффициент лишь приблизительно оценивает изменчивость нагрузок, прочностных характеристик материалов, условия изготовления и работы конструкций, поэтому в отдельных случаях надежность конструкции может быть завышена (перерасход материалов) или быть опасно низкой.

В настоящее время этот достаточно простой в использовании метод применяют при испытании новых типов конструкций для определения их несущей способности, т.е. при испытании, доведенном до разрушения. При этом в расчет вводятся прочностные характеристики материалов жбк, полученные испытаниями контрольных образцов.

Метод расчета по предельным состояниям, понятие предельного состояния,

Предельные состояния первой и второй группы, цель расчета по предельным состояниям

Уже в начале 20 в. исследования работы конструкций показали, что исчерпание несущей способности конструкций определяется рядом независимых факторов, имеющих различную физическую природу: изменчивостью нагрузок, механических свойств материалов, условиями изготовления, транспортирования и эксплуатации. Если расчленить единый коэффициент запаса на составляющие, раздельно учитывающие влияние перечисленных факторов, то можно добиться большей достоверности результатов расчета.

По предложению академика Н.С. Стрелецкого в 1955 г. был осуществлен переход отечественных норм проектирования на новый метод – предельных состояний.

В 1973 г. этот метод стал основным в странах восточной Европы, в настоящее время признан в большом числе стран, положения метода нашли отражение в рекомендациях Европейского комитета по бетону (ЕКБ) и международной ассоциации по преднапряженному железобетону, действующей под эгидой американского института по преднапряженному железобетону (PCI).

Основное отличие метода, применяемого для всех видов конструкций – единый коэффициент запаса заменен системой коэффициентов, раздельно учитывающих условия возведения и эксплуатации, изменчивость нагрузок, прочностных характеристик материалов и условия их работы.

Предельным состоянием называется такое состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять заданным требованиям эксплуатации или изготовления.

СНиП предусматривает две группы предельных состояний:

1-я группа – потеря несущей способности или полная непригодность к эксплуатации;

2-я группа – непригодность к нормальной эксплуатации.

Цель расчета по предельным состояниям 1-й группы –

предупредить конструкцию: от разрушения – хрупкого, вязкого, усталостного (расчет на выносливость), в т.ч. с учетом неблагоприятных факторов внешней среды (химическая агрессия, изменения температуры и др.); от потери устойчивости формы (напр., продольный изгиб) или положения в пространстве (опрокидывание, скольжение, всплывание); от состояний, при которых необходимо прекратить эксплуатацию вследствие развития недопустимых общих и местных необратимых деформаций (из-за текучести материала, ползучести, чрезмерного раскрытия трещин).

Цель расчета по предельным состояниям 2-й группы –

не допустить в конструкции возникновения чрезмерных перемещений (прогибов, углов поворота, амплитуд колебаний), а также образования или раскрытия трещин, затрудняющих нормальную эксплуатацию или снижающих долговечность конструкции (при сохранении ее несущей способности).

Пример – предельные состояния фермы:

а) – нормальное состояние;

б) и в) – предельные состояния 1-й группы /по несущей способности/: разрушение нижнего пояса и потеря устойчивости верхнего пояса;

е) – предельное состояние 2-й группы – недопустимый прогиб, т.е. непригодность к эксплуатации.

Общая цель расчета – не допустить ни одного из предельных состояний. Следует стремиться к проектированию конструкций с минимальным расходом материалов при обеспечении их достаточной надежности.

Общий вид условия для 1-й группы предельных состояний F_cal ≤ Ф,

где F_cal – наибольшее возможное расчетное силовое воздействие (продольные или поперечные силы, изгибающий момент и т.п.), вызываемое в конструкции невыгоднейшей комбинацией нагрузок и воздействий с учетом возможных перегрузок;

Ф – наименьшая возможная величина несущей способности конструкции, как функции ее геометрии, прочности материала, надежности и условий работы.

Общий вид условия для 2-й группы предельных состояний ∆ ≤ [∆],

где ∆ - обратимые деформации (прогибов, перемещений, раскрытия трещин и т.д.);

[∆] – соответствующие величины предельных деформаций, установленные нормами проектирования.

Расчет по 1-й группе предельных состояний обязателен всегда. Расчет по 2-й группе предельных состояний выполняется в тех случаях, когда возможны недопустимые деформации раньше, чем наступит 1-е предельное состояние.

При этом расчет по 1-й группе п.с. ведут по расчетным нагрузкам, а по 2-й группе п.с. – по нормативным. Этим подчеркивается меньшая опасность для конструкций предельных деформаций по сравнению с потерей несущей способности.

Дата добавления: 2014-01-05