Методы расчета строительных конструкций кратко

Метод предельных состояний.

Этот метод был разработан учеными под руководством профессора Н.С. Стрелецкого и начал применяться с 1955 г.

Предельным считается состояние, при котором конструкция перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям или требованиям, предъявляемым в процессе возведения здания и сооружения.

Факторы, от точного учета которых зависит уровень надежности сооружения или отдельного его элемента, следующие: нагрузки и другие воздействия, механические свойства материала, геометрические параметры конструктивных элементов, условия работы, степень ответственности сооружения и др.

Нормативное значение нагрузки и воздействий соответствуют их значению при нормальной эксплуатации. Они устанавливаются строительными нормами и правилами (СНиП). Возможное отклонение значений нагрузок от их нормативных значений учитывается коэффициентом надежности по нагрузке n, принимаемым по СНиП. Он может быть больше или меньше единицы. Нагрузки и воздействия, полученные путем умножения их нормативных значений на коэффициент надежности по нагрузке, называютсярасчетными. В данной работе все используемые при решении примеров значения нагрузок будем считать расчетными. Более подробно нормативные и расчетные нагрузки, а так же коэффициенты n будут рассматриваться при изучении курсов "Металлические конструкции" и "Железобетонные конструкции".

Основной характеристикой сопротивления материалов силовым воздействиям является нормативное сопротивлениеR_н, которое устанавливается СНиП с учетом условий контроля и статистической изменчивости механических свойств материала. В качестве нормативного сопротивления строительных сталей принимают наименьшее контролируемое (браковочное) значение предела текучести σ_Sили временное сопротивление σ_u. Эти значения устанавливаются ГОСТ или техническими условиями на металл.

Возможное отклонение в неблагоприятную сторону от значений нормативного сопротивления учитывается коэффициентом надежности по материалу γ_м > 1. Этот коэффициент отражает статистическую изменчивость свойств материала и их отличие от свойств отдельно испытанных образцов. Например, для металла γ_м= 1,025 1,15; для бетона γ_м= 1,3 1,5.

Величина, полученная в результате деления нормативного сопротивления на коэффициент надежности по материалу, называется расчетным сопротивлением:

Она представляет собой наименьшую возможную величину нормативного сопротивления, значения для R устанавливаются СНиП.

Особенности действительной работы материалов, элементов конструкций, их соединений учитываются коэффициентом условий работы γ. Он отражает влияние температуры, агрессивности среды, длительности и многократной повторяемости воздействия, приближенности расчетных схем и других факторов. Числовые значения для γ устанавливаются СНиП на основании экспериментальных и теоретических исследований и вводятся в качестве множителя к значению расчетного сопротивления R. В большинстве случаев при нормальных условиях работы коэффициент γ = 1 и может быть опущен.

Надежность и гарантия от возникновения предельных состояний по несущей способностиобеспечивается выполнением следующего условия:

NS,

где N – усилие, действующее в рассчитываемом элементе конструкции (функция нагрузок и других воздействий); S – предельное усилие, которое может воспринять рассчитываемый элемент (функция физико-механических свойств материала, размеров элемента и условий работы).

Метод допускаемых напряжений.

Этот метод остается пока основным при расчете узлов и деталей машиностроительных конструкций. Основой метода допускаемых напряжений является предположение, что критерием надежности конструкции будет выполнение следующего условия прочности:

σ_max

где σ_max – наибольшее напряжение, возникающее в одной из точек опасного сечения и определяемое расчетом; [σ] – допускаемое (предельное) для данного материала напряжение, полученное на основании экспериментальных исследований.

Допускаемое напряжение определяется по формуле:

[σ] =

где σ₀– опасное напряжение; n – коэффициент запаса прочности.

Для пластичных материалов за опасное напряжение принимается предел текучести σ_Sили σ_0,2; для хрупких материалов – временное сопротивление (предел прочности) σ_u.

Значение коэффициента запаса прочности,а следовательно, и допускаемого напряжения зависит от многих факторов. Основными факторами, которые влияют на выбор его значения, являются:

1) соответствие механических свойств материала конструкции и отдельно испытанных образцов;

2) учет конкретных условий работы рассчитываемой конструкции;

3) метод определения напряжений (степень точности этого метода);

4) неточность задания внешней нагрузки;

5) долговечность и значимость проектируемого сооружения или машины.

Значения допускаемых напряжений или коэффициентов запаса прочности устанавливаются техническими условиями и нормами проектирования. Для строительных сталей значение коэффициента запаса прочности принимается n = 1,41,6; для хрупких материаловn= 2,53,5; для древесиныn= 3,56.

Метод разрушающих нагрузок.

Критерий прочности, принятый в методе допускаемых напряжений, а именно, напряжения в точке, не всегда и не полностью характеризует условия наступления разрушения конструкции. В ряде случаев за такой критерий целесообразнее принимать предельную нагрузку, которую может выдержать конструкция, не разрушаясь и существенно не изменяя форму. При этом условие прочности, состоящее в том, что предельная или разрушающая нагрузка не должна превышать допускаемую, можно представить в виде:

где n – коэффициент запаса прочности, принимаемый таким же, как и в методе допускаемых напряжений.

Использования этого метода будет показано на конкретных примерах при расчетах на прочность при центральном растяжении-сжатии, кручении и прямом изгибе.

В основу метода расчета сечений по разрушающим нагрузкам была
положена работа конструкций в III стадии напряженнодеформированного состояния, при этом предполагалось, что
напряжения в бетоне и арматуре достигают предельных значений.
В отличие от метода расчета по допускаемым напряжениям, где
напряжения в бетоне и арматуре определялись по действующему в
сечении внешнему усилию, в рассматриваемом методе по принятым
напряжениям в сечении, установленным на основании экспериментов,
определялось значение разрушающего усилия.
Метод позволял назначать общий для всего сечения коэффициент
запаса. Допускаемая нагрузка находилась путем деления
разрушающей нагрузки на этот коэффициент.
Метод более правильно отражал действительную работу сечений,
подтверждался экспериментально и явился крупным шагом в
развитии теории железобетона.

Общим недостатком обоих рассмотренных выше методов являлось
использование единого коэффициента запаса, лишь весьма приближенно
учитывающего многообразие факторов, влияющих на работу конструкции.
Кроме того, метод расчета по разрушающим нагрузкам, позволяя достоверно
определять прочность конструкции, не давал возможности оценить ее работу
на стадиях, предшествующих разрушению, в частности при эксплуатационных
нагрузках.
Впрочем, до определенного периода практика и не ставила перед
исследователями такой задачи. Это объясняется тем, что применялись сталь
и бетон относительно низкой прочности, конструкции имели развитые
сечения, прогибы и трещины в бетоне от эксплуатационных нагрузок
были невелики и не препятствовали нормальной работе конструкций.
С появлением бетона и арматуры более высокой прочности сечения
уменьшались, снижалась и их жесткость, в результате чего прогибы
конструкций от фактических нагрузок оказывались значительными, создавая в
ряде случаев препятствия нормальной эксплуатации.
Кроме того, более существенную роль стал играть фактор раскрытия
трещин, вызывающий коррозию стали, к которой высокопрочная
арматура особенно чувствительна. Последние два обстоятельства наряду с
отмеченными выше недостатками существовавших методов потребовали
дальнейшего совершенствования методики расчета железобетонных конструкций