Сущность метода расчёта по предельным состояниям

В истории развития методов расчёта железобетонных конструкций можно чётко выделить три основных этапа.

На первом этапе, благодаря работам Мазо, Консидера, Геннебика (Фр.), Залигера (Австрия), Кёнена (Герм.), в конце XIX века был разработан расчёт по допускаемым напряжениям. Он был основан на формулах сопротивления упругих материалов. Сжатый бетон рассматривался как упругий материал, распределение напряжений по высоте сжатой зоны принималось линейным – по треугольнику, работа бетона на растяжение из-за наличия трещины (стадия II) не учитывалась. Напряжение в бетоне в наиболее удалённой от нейтральной оси точке сечения ограничивалось уровнем 0,45 R, напряжение в растянутой арматуре – уровнем 0,5. Хотя недостатки метода очевидны, в некоторых зарубежных странах им пользуются и сейчас.

Второй этап отмечен, к сожалению, весьма печальным событием. В 1890 г. Тулье (Львовский ПИ) впервые сформулировал стадии напряжённо-деформированного состояния изгибаемого железобетонного элемента. В 1911 г. вышли первые российские, а в 1925 г. – первые советские ТУ и нормы на железобетон. В них был заложен ещё классический в то время метод расчёта по допускаемым напряжениям. Но уже с 1904 г. блестящий математик и конструктор А.Ф. Лолейт стал доказывать приемлемость расчёта железобетона по стадии разрушения (стадии III), через 25 лет (в 1929 г.) он даже составил проект новых норм, в которых учитывались упруго-пластические свойства бетона. Неприятие идеи толкнуло в 1933 г. его на самоубийство. Лишь после этого, в 1934 г. А.А. Гвоздев подхватил идею А.Ф. Лолейта, под его руководством в ЦНИИПСе были проведены обширные экспериментальные исследования, и в 1938 г. вышли НИТУ-38 (ОСТ 90003-38), содержащие метод расчёта по разрушающим усилиям.

Сжатый бетон рассматривался как упруго-пластический материал, распределение напряжений по высоте сжатой зоны принималось равномерным - по прямоугольнику и равным 1,25 R, работа бетона на растяжение из-за наличия трещины не учитывалась, напряжение в растянутой арматуре равнялось . Конечно, при этом работа конструкции отражалась более правильно. Естественно, действующее внешнее усилие должно быть несколько меньше разрушающего, т.е. должно быть не более допускаемого, определяемого делением разрушающего усилия на коэффициент запаса прочности. Недостатком метода является единый синтезирующий коэффициент запаса, равный 2, который не может оценить одновременно и изменчивость нагрузок и изменчивость прочностных характеристик материалов.

С 1955 г. начал применяться метод расчёта конструкций по предельным состояниям. Автором метода является Н.С. Стрелецкий, создавший его для металлических конструкций. Применительно к железобетону его развили А.А. Гвоздев, В.И. Мурашов, П.Л. Пастернак, Я.В. Столяров, О.Я. Берг, В.М. Келдыш, С.С. Давыдов. Метод является дальнейшим развитием метода расчёта по разрушающим усилиям.

Как и в том методе, прочность сечений определяется по стадии разрушения, но безопасность работы конструкции обеспечивается не единым синтезирующим коэффициентом запаса, а целой системой расчётных коэффициентов, гарантирующих ненаступление предельных состояний конструкции при самых неблагоприятных сочетаниях нагрузок и при наименьших значениях прочностных характеристик материалов. Эту систему можно образно сравнить с популярной в современных «боевиках» системой безопасности главы какой-нибудь фирмы от покушающихся на него преступных групп.

А предельные состояния, которые могут «подстерегать» конструкцию при эксплуатации, разбиты на две группы (продолжая образное сравнение, таких преступных групп две). В первую группу входит разрушение от чрезмерной силовой нагрузки, от потери устойчивости и т.п. (т.е. первая группа способна убить шефа сразу, например, взорвав его «Мерседес»). Во вторую группу входит образование трещин или их чрезмерное раскрытие, если образование трещин допустимо; чрезмерные перемещения, прогибы (вторая группа не способна убить шефа сразу, но у неё есть другое, не менее коварное оружие - постепенность, например, сначала она ранит объект в ногу, через некоторое время - повыше, а потом и в голову).

Предельными называют такое состояние конструкции, после достижения которого дальнейшая эксплуатация её становится невозможной (шефа хоронят, если от него что-то осталось, или он ещё продолжает жить какое-то время, оставаясь полностью или частично недееспособным). Таким образом, если при эксплуатации конструкции наступило предельное состояние первой группы, то конструкция сразу «погибает» вследствие потери несущей способности, если - второй группы, то «умирает» постепенно вследствие местных повреждений и недопустимых перемещений.

Как же работает система безопасности, предотвращающая конструкцию от наступления «гибели», что это за система расчётных коэффициентов, которая фиксирует «поползновение» буквально каждого потенциально опасного для конструкции фактора и «нейтрализует» его?

Перечислим эти потенциально опасные факторы.

· Нагрузки

Нагрузки делятся на постоянные (от веса конструкций, давления грунта и т.п.) и временные. Временные, в свою очередь, подразделяются на длительные (от веса стационарного оборудования на перекрытии, стеллажей с книгами и т.п.), кратковременные (от веса людей, снега, ветра, транспортных средств и т.п.) и особые (сейсмические, взрывные и т.п.). Например, на перекрытия жилых зданий нормами регламентируется временная нагрузка 150 кгс/м², из неё 50 кгс/м² считается длительно действующей, а остальные 100 кгс/м² - кратковременно. Из полного значения временной снеговой нагрузки для снеговых районов, в которых средняя температура января ниже минус 5⁰С, половина считается длительно действующей частью.

Нагрузки обладают статистической изменчивостью. Под нормативными значениями нагрузок понимают нагрузки, устанавливаемые нормами (поэтому их и называют «нормативными») по заранее заданной вероятности превышения средних значений.

Под расчётными значениями понимают нагрузки, используемые в расчётах по предельным состояниям первой группы. Возможное превышение действительной нагрузки на конструкцию по сравнению с нормативным значением (нормируемой) учитывают умножением нормативного значения нагрузки на коэффициент надёжности по нагрузке . Для разных нагрузок = 1,1…1,4.

На конструкции нагрузки могут воздействовать в различных сочетаниях (например, постоянные, длительные и одна кратковременная; постоянные, длительные и две кратковременные). Если количество кратковременных нагрузок две и более, то их значения умножают на коэффициент сочетаний, равный 0,9. При расчёте на особые сочетания значения кратковременных нагрузок умножают даже на коэффициент сочетаний, равный 0,8. Также допускается снижение временных нагрузок на перекрытия многоэтажных зданий, это учитывает степень вероятности одновременного действия нагрузок на перекрытия всех ярусов.

• Ответственность здания и сооружения

Степень ответственности объекта определяется размером материального и социального ущерба при его выходе из строя. Учитывают степень ответственности при проектировании с помощью коэффициента надёжности по назначению . Для установленных трёх классов ответственности равен: 1 для класса I (АЭС, телевизионные башни, зрелищные сооружения, рынки и др.); 0,95 для класса II (всё не входящее в классы I и III); 0,9 для класса III (склады, одноэтажные жилые дома, временные здания и сооружения).

На него умножают расчётные нагрузки.

На него делят предельные значения несущей способности, расчётные сопротивления материалов, предельные значения деформаций и раскрытия трещин.

• Сопротивления материалов

Как указывалось на с. 7, показателем прочности бетона является класс по прочности на сжатие В. Каждому классу соответствуют нормативные и расчётные значения сопротивлений сжатию призм (призменная прочность) и растяжению. Расчётные значения сопротивлений получают делением нормативных значений сопротивлений на коэффициент надёжности по бетону. Его значения приведены на с. 8.

Как указывалось на с. 10, расчётные значения сопротивления арматуры растяжению получают делением нормативных значений сопротивлений на коэффициент надёжности по арматуре. Его значения приведены в таблице на с. 10. Расчётное значение сопротивления арматуры сжатию принимается численно равным и не более 400 МПа при кратковременном действии нагрузки, а при длительном действии нагрузки принимается не более 500 МПа.

При расчёте элементов на действие поперечной силы расчётные значения сопротивления растяжению поперечной арматуры (хомутов и отогнутых стержней) снижают умножением на коэффициент условий работы, равный 0,8 (). Он учитывает неравномерность распределения напряжений в арматуре по длине наклонного сечения.

Расчётные значения сопротивлений бетона

опротивлениельзовать е"е"конструкциии е бетоны. также умножаются на коэффициенты условий работы . В старом СНиПе их было 12.

Старый коэффициент изъят.

Сейчас коэффициентом , учитывающим длительность действия нагрузки, стал старый коэффициент , который до сих пор входит во все книги и методические указания, использовавшие старый СНиП. Значения коэффициента : при продолжительном (длительном) действии нагрузки - 0,9; при непродолжительном (кратковременном) действии нагрузки - 1,0 (прежнее значение 1,1).

Новый коэффициент вводится для бетонных конструкций. Он равен 0,9.

Коэффициент (для конструкций, бетонируемых в вертикальном положении) сохранился, но значение его изменилось: вместо 0,85 для тяжёлого бетона его принимают 0,9.

Старый коэффициент изъят.

Сейчас коэффициентом , учитывающим влияние попеременного замораживания и оттаивания, стал старый коэффициент . Для надземных конструкций, подвергаемых атмосферным воздействиям окружающей среды при расчётной температуре наружного воздуха в холодный период минус 40^оС и выше, = 1,0.

Все остальные коэффициенты условий работы бетона () изъяты.

Дата добавления: 2014-01-05