Основы расчета по предельным состояниям

Отказ и другие аварийные ситуации строительных конструкций показы­вают на многофакторные причины, которые возникают в результате случай­ного совпадения. Это может быть и несоответствие расчетной схемы рабо­ты конструкции в сооружение, отклонение нагрузки в сторону увеличения, несоответствие материала расчетным характеристикам, несоответствие ха­рактеристикам условий эксплуатации и т.д. Статистический учет изменчи­вости этих обстоятельств, влияющих на работу конструкции, нашел отраже­ние в методе расчета по предельным состояниям, разработанном под руко­водством Н. С. Стрелецкого в 50-х годах.

Под предельным состоянием понимается такое состояние, при котором конструкции перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требо­ваниям или требованиям при возведении зданий и сооружений. Критерием предельного состояния является не только потеря несущей способности конструкций, а прекращение эксплуатации сооружения. Поэтому нормами на проектирование деревянных конструкций рассматриваются две группы предельного состояния.

Первая группа - по потере несущей способности и полной непригоднос­ти к эксплуатации конструкции.

Вторая группа - по затруднению нормальной эксплуатации сооружений.

К предельным состояниям первой группы относится: разрушение любо­го вида, общая потеря устойчивости конструкции или местная потеря ус­тойчивости элемента конструкции, нарушение узлов соединений, превра­щающих конструкцию в изменяемую систему, развитие недопустимых по величине остаточных деформаций. Расчет по несущей способности ведет­ся по вероятному худшему случаю, а именно: по наибольшей нагрузке и на­именьшему сопротивлению материала, найденному с учетом всех влияю­щих на него факторов. Неблагоприятные сочетания приводятся в нор­мах (2).

Расчет деревянных конструкций по второму предельному состоянию по деформациям распространяется в основном на изгибаемые конструкции и имеет целью ограничить величину деформаций. Расчет ведут на норма­тивные нагрузки без умножения их на коэффициенты надежности в предпо­ложении упругой работы древесины. Расчет по деформациям ведется по средним характеристикам древесины, а не по сниженным, как при проверке несущей способности. Это объясняется тем, что увеличение прогиба в от-

дельных случаях, при употреблении в дело древесины пониженного качест­ва, не представляет опасности для целостности конструкций. Этим же объ­ясняется и то, что расчет по деформациям проводится на нормативные, а не на расчетные нагрузки. В качестве иллюстрации предельного состояния второй группы можно привести пример, когда в результате недопустимого прогиба стропил появляются трещины в кровельном покрытии. Протекание влаги в этом случае нарушает нормальную эксплуатацию здания, приводит к снижению долговечности древесины из-за ее увлажнения, но при этом здание продолжает эксплуатироваться.

Расчет по второму предельному состоянию, как правило, имеет подчи­ненное значение, т.к. главным считается обеспечение несущей способнос­ти. Однако и ограничения прогибов имеют особенно важное значение для конструкций с податливыми связями. Поэтому деформации деревянных конструкций (составные стойки, составные балки, дощато-гвоздевые конст­рукции) необходимо определять с учетом влияния податливости связей (СНиП П-25-80. Табл.13).

Расчет по предельным состояниям конструкций в целом и ее элементов должен производиться для всех стадий: транспортировки, монтажа и экс­плуатации - и должен учитывать все возможные сочетания нагрузок.

В нормах проектирования основными нормируемыми характеристика­ми прочности деревянных конструкций являются нормативное и расчетное сопротивления. Обе нормируемые характеристики определяются на осно­вании данных стандартных испытаний с учетом статистической изменчи­вости показателей прочности и разной степени обеспеченности по миниму­му. Для нормативного сопротивления R в нормах предписывается обеспе­ченность не ниже 0,95. Обеспеченность расчетного сопротивления R колеб­лется в пределах 0,99 - 0,999 и не нормирована.

Метод предельного состояния является первым шагом в обеспечении на­дежности строительных конструкций. Надежностью называют способность объекта сохранять в процессе эксплуатации качество, заложенное при про­ектировании. Специфика теории надежности строительных конструкций состоит в необходимости учитывать случайные значения нагрузок на сис­темы со случайными прочностными показателями.

Характерной особенностью метода предельных состояний является то, что все исходные величины, оперируемые при расчете, случайные по своей природе представлены в нормах детерминированными, научно-обоснован­ными, нормативными значениями, а влияние их изменчивости на надеж­ность конструкций учитывается соответствующими коэффициентами. Каж­дый из коэффициентов надежности учитывает изменчивость только одной исходной величины, т.е. носит частный характер. Поэтому метод предель­ных состояний иногда называют методом частных коэффициентов.

Факторы, изменчивость которых влияет на уровень надежности конст­рукций, могут быть отнесены к пяти основным категориям: нагрузки и воз­действия; геометрические размеры элементов конструкций; степень ответ­ственности сооружений; механические свойства материалов; условия рабо­ты конструкции.

Рассмотрим перечисленные факторы. Возможное отклонение норматив­ных нагрузок в большую или меньшую сторону учитывается коэффициен­том надежности по нагрузке 2, который в зависимости от вида нагрузки имеет различную величину больше или меньше единицы. Эти коэффициен­ты наряду с нормативными величинами представлены в главе СНиП 2.01.07-85 Нормы проектирования. "Нагрузки и воздействия". Вероятность совместного действия нескольких нагрузок учитывают умножением нагру­зок на коэффициент сочетания пс, который представлен в той же главе норм.

Возможное неблагоприятное отклонение геометрических размеров эле­ментов конструкций учитывается коэффициентом точности. Однако этот ко­эффициент в чистом виде не принимается. Этот фактор используется при вычислении геометрических характеристик, принимая расчетные парамет­ры сечений с минусовым допуском.

Высокий уровень надежности достигается в основном за счет удорожа­ния строительства. В то же время значительно меньшие затраты часто обес­печивают надежность с практически неощутимым риском. С целью разум­ного сбалансирования затрат на здания и сооружения различного назначе­ния вводится коэффициент надежности по назначению g_n < 1. Степень капи­тальности и ответственности зданий и сооружений разбивается на три клас­са ответственности. Этот коэффициент (равный 0,9; 0,95; 1) вводится в ка­честве делителя к значению расчетного сопротивления или в качестве мно­жителя к значению расчетных нагрузок и воздействий.

Основным параметром сопротивления материала силовым воздействиям является нормативное сопротивление R^H, устанавливаемое нормативными документами по результатам статистических исследований изменчивости механических свойств материалов путем испытаний образцов материала по стандартным методикам. Возможное отклонение от нормативных значений учитывается коэффициентом надежности по материалу у_т > 1. Он отражает статистическую изменчивость свойств материалов и их отличие от свойств испытанных стандартных образцов. Характеристика, получаемая делением нормативного сопротивления на коэффициент т, называется расчетным со­противлением R. Эта основная характеристика прочности древесины нор­мируется СНиП П-25-80 "Нормы проектирования. Деревянные конструк­ции".

Неблагоприятное влияние окружающей и эксплуатационной среды как то: ветровая и монтажная нагрузки, высота сечения, температурно-влажно- стные условия - учитываются путем введения коэффициентов условий ра­боты т. Коэффициент т может быть меньше единицы, если данный фактор или совокупность факторов снижают несущую способность конструкции, и больше единицы - в противоположном случае. Для древесины эти коэф­фициенты представлены в СНиП 11-25-80 "Нормы проектирования. Дере­вянные конструкции" и вводятся множителем к расчетным сопротивлени­ям. Более подробно о них будет сказано в следующем разделе.

Для второй группы предельных состояний предельное условие записы­вается в виде

./р ^ /норм,

где/_р - максимальный расчетный прогиб; /_норм - нормативный прогиб.

Нормативные предельные значения прогибов отвечают следующим предъявляемым требованиям:

а)   технологические (обеспечение условий нормальной эксплуатации техники и подъемно-транспортного оборудования, контрольно-измеритель­ных приборов и т.д);

б)   конструктивные (обеспечение целостности примыкающих друг к другу элементов конструкций, их стыков, наличие зазора между несущи­ми конструкциями и конструкциями перегородок, фахверка и т.д., обеспече­ние заданных уклонов);

в)   эстетико-психологические (обеспечение благоприятных впечатлений от внешнего вида конструкций, предотвращение ощущения опасности).

Величина предельных прогибов зависит от пролета и вида прикладыва­емых нагрузок. Для деревянных конструкций покрытия зданий от действия постоянных и временных длительных нагрузок предельный прогиб колеб­лется от (1/150) до (1/300) (2).