§ 5.17. МЕТОД РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИЙ ПО РАСЧЕТНЫМ ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ

В последние годы в Советском Союзе расчет строительных конструкций производят методом расчетных предельных состояний, разработанным советскими учеными проф. Н. С. Стрелецким, проф. А. А. Гвоздевым и др.. Специфика этого метода заключается в особом подходе к определению расчетных нагрузок и расчетных сопротивлений элементов конструкций. Усилия же, возникающие в конструкции, и ее перемещения определяются обычными способами по упругой стадии, т. е. в предположении, что напряжения в конструкции не превышают предела пропорциональности.

В рассматриваемом методе различают три вида расчетных предельных состояний:

а) первое предельное состояние — по несущей способности (прочности, устойчивости и выносливости — при переменных напряжениях);

б) второе предельное состояние — по развитию чрезмерных деформаций (прогибов, перекосов и др.);

в) третье предельное состояние — по образованию или раскрытию трещин.

Под первым предельным состоянием конструкции (по несущей способности) понимается некоторое условное состояние, например для металлических неразрезных балок — появление напряжений, равных пределу текучести в волокнах, наиболее удаленных от нейтральной оси. При таких состояниях обычно не происходит еще полного исчерпания несущей способности конструкции и, следовательно, они отличаются от предельных состояний, рассмотренных в предыдущих параграфах настоящей главы.

Вторым предельным состоянием (по деформациям) и третьим (по раскрытию и образованию трещин) считается такое, когда деформации конструкций (например, прогиб балок) или величины раскрытия трещин превышают допускаемые значения.

Наступление первого предельного состояния недопустимо для всех конструкций.

Расчет по методу расчетных предельных состояний должен гарантировать, что за время эксплуатации сооружения ни одно из недопустимых предельных состояний не наступит.

Вместо одного (общего) нормативного коэффициента запаса в методе расчетных предельных состояний используется несколько коэффициентов:

а) коэффициенты перегрузки , учитывающие возможность превышения фактическими нагрузками (или уменьшения — когда это ухудшает условия работы конструкции) их нормативных значений, установленных нормами.

Коэффициенты перегрузки различны для различных видов нагрузки. Для собственного веса конструкций коэффициент перегрузки невелик (он равен 1,1 или 0,9), так как этот вес можно определить по проектным размерам конструкции и объемным весам материалов достаточно точно. Для временных нагрузок коэффициент перегрузки имеет большее значение, например для временных нагрузок, действующих на перекрытия жилых домов, он равен 1,4. Расчетная нагрузка равна произведению нормативной нагрузки на коэффициент перегрузки;

б) коэффициенты однородности учитывающие возможные отклонения фактических показателей прочности материалов от их нормативных значений. Эти коэффициенты для материалов, отклонения в прочности которых невелики, близки к единице (например, для стали коэффициент однородности равен 0,9), а для других материалов имеют значительно меньшие значения (например, 0,6 для бетона). Расчетная прочность (расчетное сопротивление) материала равна произведению нормативного сопротивления (определяемого по нормативным показателям прочности) на коэффициент однородности;

в) коэффициенты условий работы т, учитывающие особые условия работы конструкций (например, агрессивность окружающей среды, концентрацию напряжений) и условность схем, применяемых при их расчете.

Эти коэффициенты могут быть как меньше, так и больше единицы. Коэффициент условий работы вводится при подсчете прочности конструкции; поэтому чем меньше величина этого коэффициента, тем больше общий запас прочности.

Рис. 15.17

Условие прочности (при расчете по первому предельному состоянию — по несущей способности) устанавливает, что максимально возможное усилие в элементе конструкции (подсчитанное от расчетных нагрузок, т. е. учитывающее возможную перегрузку) должно быть меньше (или равно) минимальной несущей способности этого элемента, подсчитанной с учетом возможного изменения прочности материала и условий работы сооружения. Так, например, при расчете стального стержня, показанного на рис. 15.17, условие прочности имеет вид

(12.17)

Здесь — нормативная нагрузка; п — коэффициент перегрузки, учитывающий возможное превышение величины -нормативное сопротивление (нормативный предел текучести) стали; — коэффициент однородности, учитывающий возможное уменьшение величины — площадь поперечного сечения более тонкой части стержня; — коэффициент условий работы, учитывающий концентрацию напряжений в месте резкого изменения поперечных размеров стержня.

Из условия прочности (12.17) видно, что общий коэффициент запаса для рассмотренного стержня равен Например, при и коэффициент запаса равен

При расчете по второму и третьему предельным состояниям определение деформаций и величин раскрытия трещин производится от нормативных нагрузок (без использования коэффициентов перегрузки).

Кроме указанных выше коэффициентов применяются и другие, например коэффициенты сочетаний, учитывающие то обстоятельство, что одновременное достижение всеми нагрузками (включая дополнительные и особые нагрузки) их наибольших значений практически исключено.

В методе расчетных предельных состояний коэффициенты запаса устанавливаются дифференцированно в зависимости от вида нагрузки, применяемого материала и условий работы конструкции. Это позволяет, с одной стороны, снижать общий коэффициент запаса (и, следовательно, уменьшать стоимость конструкции) в тех случаях, когда нормативные нагрузки и нормативные сопротивления материалов можно установить достаточно точно и когда условия работы конструкции хорошо изучены.

С другой стороны, дифференцированные коэффициенты запаса позволяют обеспечить прочность сооружения в тех случаях, когда возможны значительные превышения фактическими нагрузками их нормативных значений, когда возможны большие отклонения фактических сопротивлений материалов от нормативных и когда условия работы конструкции недостаточно изучены.

Метод расчетных предельных состояний расширяет представление о коэффициентах запаса; он требует более глубокого изучения фактических условий работы строительных конструкций, действующих на них нагрузок и свойств строительных материалов. Это должно способствовать внедрению должного контроля за качеством материалов и повышать культуру строительства.