Проектирование конструкций, таких как здания, мосты, дороги и другие инженерные сооружения, должно учитывать не только нагрузки, но и ограничения на допустимые напряжения и деформации, чтобы гарантировать их безопасность и надежность в эксплуатации. Для этого используются методы расчета предельных состояний, которые разделяются на первую и вторую группы.
Первая группа предельных состояний (ПГС-1) - это условия, при которых конструкция перестает выполнять свою функцию или потеряет свою надежность. Расчет предельных состояний в ПГС-1 базируется на принципе равенства действующих на конструкцию нагрузок и предельных значений ее сопротивлений. В результате расчетов определяются допустимые значения напряжений, которые не должны превышать сопротивление материала конструкции.
Вторая группа предельных состояний (ПГС-2) - это условия, при которых конструкция может испытывать недопустимые деформации или напряжения, но при этом продолжает выполнять свою функцию. Расчет предельных состояний в ПГС-2 базируется на определении допустимых деформаций, которые не должны приводить к нарушению работоспособности конструкции. В результате расчетов определяются геометрические размеры и формы элементов конструкции, которые обеспечивают допустимые деформации.
Предельными считаются состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять предъявляемым к ним в процессе эксплуатации требованиям строительных норм и правил (СНиП), так как теряют способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получают недопустимые перемещения или местные повреждения.
Основные положения расчета по первой и второй группе предельных состояний включают в себя следующее:
При расчете по ПГС-1 также учитываются такие факторы, как усталость материала, изменение температуры, влияние окружающей среды и другие факторы, которые могут влиять на надежность конструкции. Расчеты должны соответствовать требованиям соответствующих норм и стандартов.
При расчете по ПГС-2 учитывается, что некоторые элементы конструкции могут испытывать допустимые деформации, при условии, что они не приведут к нарушению работоспособности всей конструкции. Например, на мостах могут возникать допустимые вертикальные деформации, но они не должны привести к обрушению моста. Расчеты по ПГС-2 также должны соответствовать нормативным требованиям и стандартам.
Рис. . Предельные состояния для изгибаемого элемента: I группа (а, б); II группа (в); самозалечивание трещин (г); вторичные факторы сопротивления в наклонной трещине (д): 1 – раздробление бетона сжатой зоны; 2 – разрушение растянутой арматуры в нормальной трещине; 3 – разрушение по моменту в наклонном сечении; 4 – разрушение по поперечной силе; 5 – самозалечивание трещины; 6, 7 – неровные берега трещины; I – усилия сдвига вдоль неровных берегов трещины; II – нагельный эффект рабочей арматуры.
Расчёт конструкции по методу предельных состояний должен гарантировать не наступление предельного состояния .
С 1955 г. расчёты строительных конструкций выполняются по методу предельных состояний. Предельными называют состояния, при которых конструкция, здание или сооружение перестаёт удовлетворять заданным требованиям в процессе возведения и/или эксплуатации. Ни один проект конструкций, зданий и сооружений в Советском Союзе, далее в Российской Федерации, не осуществлялся на практике без расчетов по методу предельных состояний.
Различают две группы предельных состояний.
Первая группа характеризуется потерей устойчивости и полной непригодностью к дальнейшей эксплуатации. Этот расчёт позволяет предотвратить: 1) хрупкое, вязкое, усталостное или иное разрушение (расчёт по прочности); 2) потерю устойчивости положения конструкции (расчёт на опрокидывание или скольжение); 3) потерю устойчивости формы (расчёт на общую или местную устойчивость тонкостенных элементов) и др.
Вторая группа предельных состояний характеризуется наличием признаков, при которых эксплуатация конструкции или сооружения хотя и затруднена, но полностью не исключается, т. е. она непригодна к нормальной эксплуатации. Расчёты по этой группе предельных состояний должны предотвратить чрезмерные перемещения (прогибы, осадки, углы поворотов, амплитуды колебаний), а также образование или чрезмерное раскрытие трещин в железобетонных конструкциях.
Наступление того или иного предельного состояния зависит от величины внешних нагрузок и воздействий, физико-механических характеристик материалов, условий работы конструкций и их элементов. Но все эти факторы обладают определённой изменчивостью и могут отличаться от установленных строительными нормами и правилами. Поэтому в расчётах по методу предельных состояний разработана и применяется система поправочных коэффициентов.
При расчете по 1-ой группе предельных состояний (несущей способности) должно выполняться условие:
F≤Fu
(значение Fu принимают по справочнику СНиП)
F – усилие от расчетных нагрузок (M, N или Q);
Левая часть этого уравнения представляет собой расчетное усилие, равное возможному максимальному усилию в сечении элемента при самой невыгодной комбинации расчетных нагрузок; оно зависит от усилий F, вызванных расчетными нагрузками q при γf >1, коэффициентов сочетаний и коэффициентов надежности по назначению конструкции γп.
Расчетное усилие F не должно превышать расчетную несущую способность сечения Fu, которая является функцией расчетных сопротивлений материалов и коэффициентов условий работы γbi и γsi, учитывающих неблагоприятные условия эксплуатации конструкций, а также формы и размеры сечения.
При расчете по 2-ой группе предельных состояний следует учитывать дополнительное напряжение и деформации , вызванные усадкой и ползучестью бетона в сборно-монолитных конструкциях.
При расчете по 2-ой группе предельных состояний:
а) по перемещениям - требуется, чтобы прогибы от нормативной нагрузки F не превышали предельных значений прогибов Fu, установленных
нормами для данного конструктивного элемента: F≤Fu.
Значения Fu принимают по СНиП.Fu – предельный прогиб элемента, допустимый по условиям эксплуатации (приведен в СП 20.13330.2011. СНиП 2.01.07- 85*. Нагрузки и воздействия)
F– прогиб элемента от внешних воздействий;
б) по образованию трещин – усилие от расчетной или нормативной нагрузки должно быть меньше или равно усилию, при котором возникают трещины в сечении: F≤Fсrc. (F – определяется расчетом; Fсrc. – определяется по СниП) F – усилие от нормативных нагрузок (M или N); Fcrc – внутреннее усилие, которое может выдержать элемент перед образованием трещин, т.е. при напряжениях в растянутой зоне сечения равных Rbtn.
в) по раскрытию трещин – ширина их раскрытия aсrc , на уровне растянутой арматуры должна быть меньше установленного нормами (по СниП) предельного их раскрытия aсrc, u.
aсrc≤ aсrc, u=0.1 – 0.4мм.
Расчет по предельным состояниям 2-й группы ведется для предотвращения:
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. 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.
Предельные состояния требуют дальнейшего глубокого исследования: так, в расчетах разделяют нормальные и наклонные сечения в одном элементе (желателен единый подход), рассматривается нереальный механизм разрушения в наклонном сечении, не учитываются вторичные эффекты в наклонной трещине (нагельный эффект рабочей арматуры и силы зацепления в наклонной трещине).
Существуют некоторые ограничения для второй группы – ограничения по деформациям:
Расчет по предельным состояниям в целом, а также отдельных ее элементов или частей выполняют для всех этапов:
При этом расчетные схемы должны отвечать принятым конструктивным решениям и каждому из перечисленных этапов.
1. Предельное – это такое состояние строительной конструкции –Предельными считаются состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять предъявляемым к ним в процессе эксплуатации требованиям строительных норм и правил (СНиП), так как теряют способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получают недопустимые перемещения или местные повреждения
2. Расчет по первой группе предельных состояний – должно выполняться условие: F≤Fu
3. Расчет по второй группе предельных состояний - а) по перемещениям - требуется, чтобы прогибы от нормативной нагрузки F не превышали предельных значений прогибов Fu, установленных нормами для данного конструктивного элемента: F≤Fu. б) по образованию трещин – усилие от расчетной или нормативной нагрузки должно быть меньше или равно усилию, при котором возникают трещины в сечении: F≤Fсrc. в) по раскрытию трещин – ширина их раскрытия aсrc , на уровне растянутой арматуры должна быть меньше установленного нормами предельного их раскрытия aсrc, u.
4. γ f – коэффициент надежности по нагрузке γf (1 ≤ γ f ≤ 1,4);
5. γп – коэффициента надежности по назначению конструкций
6. γb и γs – коэффициент надежности по бетону при сжатии (1,0 ≤ γb ≤ 1,5); коэффициент надежности по бетону при растяжении γb (1,0 ≤ γb ≤ 2,3)
коэффициент надежности по арматуре γs,
7. γbi и γsi – коэффициенты условий работы учитывающих неблагоприятные или благоприятные условия эксплуатации конструкций, а также формы и размеры сечения
8. Постоянные нагрузки – По длительности нагрузки - (собственный вес, давление грунтов, предварительное напряжение)
9. Временные нагрузки – длительные,кратковременные, особые
10. длительные нагрузки – (вес стационарного оборудования на перекрытиях; давление газов, жидкостей, сыпучих тел; длительная часть крановых, снеговых нагрузок и т.д.);
10. Кратковременные нагрузки – (люди, кратковременная часть крановых, снеговых нагрузок, ветровые нагрузки);
11. Особые нагрузки – (сейсмические, взрывные воздействия, отказ оборудования, просадка оснований).
12. Нормативные нагрузки –Нормативные нагрузки - это заданные нормами и стандартами значения нагрузок, которые считаются характеристиками нагрузок, действующих на конструкцию в течение всего периода ее эксплуатации. Нормативные нагрузки учитывают такие факторы, как климатические условия, расположение сооружения, назначение конструкции и другие факторы. Например, нормативные нагрузки на здания могут включать снеговую и ветровую нагрузки, а на мосты - нагрузки от транспорта.
13. Расчетные нагрузки – это значения нагрузок, которые используются в расчетах конструкции для определения ее необходимых размеров, формы и сопротивления. Расчетные нагрузки могут отличаться от нормативных нагрузок, так как они могут учитывать конкретные условия эксплуатации и конструктивные особенности сооружения. Расчетные нагрузки могут быть определены по формулам и методам, которые указаны в соответствующих нормативных документах.
14 - Сочетания нагрузок - основные сочетания, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок; • особые сочетания, включающие кроме постоянных, длительных и кратковременных нагрузок одну из особых нагрузок
15. Rs это Расчетные сопротивления арматуры растяжению определяют делением нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надежности по материалу 
Расчетные сопротивления арматуры растяжению, где γs - коэффициент надежности по арматуре, зависящий от класса арматуры.
16. Rsn это - Нормативные сопротивления арматуры устанавливают с учетом статистической изменчивости прочности и принимают равными наименьшим контролируемым значениям предела текучести, физического или условного (равного значению напряжений, соответствующих остаточному относительному удлинению 0,2%). Доверительная вероятность нормативного сопротивления арматуры – 0,95.
17. Rbn это Нормативные сопротивления бетона – это сопротивление осевому сжатию бетонных призм (призменная прочность) которые определяются в зависимости от класса бетона по прочности (при обеспеченности 0,95)
18. Rb это 
Расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, где γbc - коэффициент надежности по бетону при сжатии, зависящий от вида бетона.
19. Rbt это 
Расчетное сопротивление бетона осевому растяжению, где γbt - коэффициент надежности по бетону при растяжении, зависящий от вида бетона.
19. Rbtn это сопротивление осевому растяжению , которые определяются в зависимости от класса бетона по прочности (при обеспеченности 0,95)
Таблица Rb и Rbt
Таблица Rs и Rsn
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Что бы оставить комментарий войдите
Комментарии (0)