15. Метод расчета по предельным состояниям. Сущность 1-го и 2-го предельных состояний. Решаемые задачи.

При расчете по этому методу четко устанавливаются предельные состояния конструкций и используется система расчетных коэффициентов, введение которых гарантирует, что такое состояние не наступит при самых неблагоприятных сочетаниях нагрузок и при наименьших значениях прочностных характеристик материалов.  

Предельными считаются состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять предъявляемым к ним в процессе эксплуатации требованиям, т. е. теряют способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получают недопустимые перемещения или местные повреждения.

Железобетонные конструкции должны удовлетворять требованиям расчета по двум группам предельных состояний: по несущей способности — первая группа предельных состояний; по пригодности к нормальной эксплуатации — вторая группа предельных состояний.

Расчет по предельным состояниям первой группы выполняют, чтобы предотвратить:

• хрупкое, вязкое или иного характера разрушение (расчет по прочности с учетом в необходимых случаях прогиба конструкции перед разрушением);

• потерю устойчивости формы конструкции (расчет на устойчивость тонкостенных конструкций и т. п.) или ее положения (расчет на опрокидывание и скольжение подпорных стен, внецентренно нагруженных высоких фундаментов; расчет на всплытие заглубленных или подземных резервуаров и т. п.);

• усталостное разрушение (расчет на выносливость конструкций, находящихся под воздействием многократно повторяющейся нагрузки подвижной или пульсирующей: подкрановых балок, шпал, рамных фундаментов и перекрытий под неуравновешенные   машины и т.п.);

• разрушение от совместного воздействия силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды (периодического или постоянного воздействия агрессивной среды, действия попеременного замораживания и оттаивания и т. п.).

Расчет по предельным состояниям второй группы выполняют, чтобы предотвратить:

• образование чрезмерного или продолжительного раскрытия трещин (если по условиям эксплуатации образование или продолжительное раскрытие трещин допустимо);

• чрезмерные перемещения (прогибы, углы поворота, углы перекоса и амплитуды колебаний).

Расчет по предельным состояниям конструкции в целом, а также отдельных ее элементов или частей производится для всех этапов: изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации; при этом расчетные схемы должны отвечать принятым конструктивным решениям и каждому из перечисленных этапов.

Предельные состояния первой группы проверяются расчетом на максимальные (расчетные) нагрузки и воздействия, возможные при нарушении нормальной эксплуатации, предельные состояния второй группы - на эксплуатационные (нормативные) нагрузки и воздействия, отвечающие нормальной эксплуатации конструкций.

В общем случае работа конструкций и переход их в предельное состояние зависят от нагрузок, свойств материала и условий работы.

16. Классификация нагрузок. Расчетные и нормативные нагрузки. Степень ответственности зданий и сооружений.

Продолжительность действия нагрузки влияет на прочность и деформативность любых материалов, а бетона в особенности. Поэтому всю нагрузку разделяют на две части: постоянную и временную, а временную, в свою очередь, – на длительную, кратковременную и особую. Причем постоянную и длительную потом обычно объединяют (суммируют) как нагрузки, действующие продолжительное время.

К постоянным относят те нагрузки, которые существуют в течение всей «жизни» здания или сооружения: собственный вес несущих и ограждающих конструкций, вес или боковое давление грунтов, воздействие предварительного напряжения железобетонных конструкций и т. п.

Временные нагрузки

Длительными являются нагрузки от веса стационарного оборудования на перекрытиях — станков, аппаратов, двигателей и т. п.; нагрузки в складских помещениях, архивах библиотеках и подобных зданиях и сооружениях; установленная нормами часть временной нагрузки в жилых домах, в служебных и бытовых помещениях; длительные температурные технологические воздействия от стационарного оборудования; нагрузки от кранов снеговые нагрузки для III—IV климатических районов с коэффициентами 0,3— 0,6.

Кратковременными являются нагрузки от веса людей, деталей, материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования; нагрузки, возникающие при изготовлении, перевозке и монтаже элементов конструкций; нагрузки от подвесных и мостовых кранов, используемых при возведении или эксплуатации зданий и сооружений; снеговые и ветровые нагрузки; температурные климатические воздействия.

К особым нагрузкам относятся: сейсмические и взрывные воздействия; нагрузки, вызываемые неисправностью или поломкой оборудования и резким нарушением технологического процесса (например, при резком повышении или понижении температуры и т. п.) и др.

Нормативные нагрузки - это нагрузки q_n (F_n), соответствующие условиям нормальной эксплуатации конструкций, зданий и сооружений. Они отражают результаты многолетних климатических наблюдений (например, снеговая и ветровая нагрузки), паспортные характеристики оборудования (например, вертикальные и горизонтальные усилия от мостовых кранов), номинальный вес конструкций, материалов, технологического оборудования и т.д. Нормативные нагрузки имеют обеспеченность 95%.

Расчетные нагрузки. Реальные нагрузки могут отличаться от нормативных в большую или меньшую стороны. Например, снеговая нагрузка может превысить нормативную в особо снежную зиму, а нагрузка от собственного веса железобетонного элемента может превысить нормативную вследствие неточности изготовления или увеличения плотности бетона по сравнению с проектными. Все эти отклонения учитываются коэффициентом надежности по нагрузке _f. Умножая на него нормативную нагрузку, получают расчетную нагрузку: q_n _f = q (или F_n  _f = F). Чем больше вероятность изменения (изменчивость) нагрузки, тем выше значение _f : самое высокое (1,4) – для снеговой и ветровой нагрузки, самое низкое (1,05) – для собственного веса металлических конструкций. Для веса железобетонных конструкций из тяжелого бетона _f = 1,1. Когда-то коэффициент надежности по нагрузке назывался коэффициентом перегрузки – термином более понятным, но не совсем точным. Дело в том, что в целом ряде случаев неблагоприятным является отклонение нагрузки не в большую, а в меньшую сторону, т.е. не перегрузка, а недогрузка. Тогда назначают _f  1 (например, для собственного веса конструкции при расчете ее на устойчивость от опрокидывания или сдвига).

Степень ответственности зданий и сооружений

Степень ответственности зданий и сооружений определяется размером материального и социального ущерба при достижении конструкциями предельных состояний. При проектировании конструкций следует учитывать коэффициент надежности по назначению γ_n, значение которого зависит от класса ответственности зданий или сооружений. На коэффициент надежности по назначению следует делить предельные значения несущей способности, расчетные значения сопротивлений, предельные значения деформаций, раскрытия трещин и умножать на этот коэффициент расчетные значения нагрузок, усилий или иных воздействий. Установлены 3 класса ответственности зданий и сооружений:

• Класса I, γ_n=1 – здания и сооружения, имеющие обоснованное народнохозяйственное и социальное значение; главные корпуса ТЭС, АЭС; телевизионные башни, промышленные трубы высотой более 200м; резервуары для нефтепродуктов вместимостью более 10 тыс м³; крытые спортивные сооружения с трибунами; здания театров, кинотеатров, цирков, рынков, учебных заведений, детских дошкольных учреждений, музеев, государственных архивов и т.п.;

• Класс II, γ_n=0,95 – здания и сооружения промышленного и гражданского строительства (не входящие в классы I и III);

• Класс III, γ_n=0,9 – различные склады без процессов сортировки и упаковки, одноэтажные жилые дома, временные здания и сооружения.