Основы проектирования по европейскому стандарту EN 1990:2011«Основы строительного проектирования»

EN 1990 устанавливает основные положения и требования безопасности,эксплуатационной пригодности и долговечности строительных конструкций,описывает основы их проектирования и контроля дает рекомендации для оценки надежности строительных конструкций.EN 1990 используется совместно с Еврокодами EN 1991 – EN 1999 при проектировании зданий, сооружений, инженерных сетей с учетом геотехническихаспектов, противопожарной защиты несущих конструкций, сейсмических воздействий, процесса строительства и использования временных конструкций.Для проектирования специальных сооружений, например, атомных сооружений, дамб, и т. д., допускается использовать другие стандарты,отличающиеся от Еврокодов EN 1990 – EN 1999.EN 1990 применим для проектирования несущих конструкций из другихстроительных материалов и с другими воздействиями, которые не нормированы

в EN 1991 – EN 1999.EN 1990 применим для оценки несущей способности конструкций существующих зданий и сооружений, для разработки проектных решений связанных с их ремонтом и реконструкцией при изменении функционального назначения.

В Российской Федерации разработана первая редакция Национального стандарта РФ НСР ЕН 1990-2011 Еврокод 0 «Основы проектирования сооружений». Имеются различия в составе Еврокода EN 1990 и национальном стандарте, однако для оценки содержания Еврокода рассмотрим основные принципы построения Еврокода 1990 на основе национального стандарта.EN 1990 состоит из шести разделов:

Раздел 1 Общие положения.

Раздел 2 Требования.

Раздел 3 Принципы проектирования по предельным состояниям.

Раздел 4 Основные параметры.

Раздел 5 Численный анализ и использование результатовиспытаний при проектировании.

Раздел 6 Учет коэффициентов надежности.

При разработке проектных решений необходимо использовать Требования инормируемые Правила Еврокодов EN 1990 – EN 1999 (см. Раздел 2 национального стандарта).Общими условиями применения Еврокода EN 1990 являются следующие:

· выбор конструктивной системы и проектирование несущих конструкций выполняются специалистами, имеющими надлежащую квалификацию и опыт;

· строительство осуществляется персоналом, имеющим соответствующиенавыки и опыт;

· необходимый технический контроль и контроль качества выполняется на всехэтапах строительства, то есть при проектировании при изготовлении, и примонтаже строительных конструкций;

· используемые строительные материалы и изделия соответствуют требованиямнастоящего стандарта, или Еврокодов EN 1991 – EN 1999, или требованиямстандартов на производство работ, материалы и изделия;

· строительные конструкции поддерживаются в исправном состоянии надлежащим образом;

· строительные конструкции соответствуют проектным решениям.

В некоторых случаях могут применяться дополнительные требования, к строительным объектам.

В разделе 2 национального стандарта Требования указывается следующее.

Сооружение должно быть запроектировано и возведено таким образом,чтобы при соответствующих уровнях надежности и экономичности в течениерасчетного срока эксплуатации оно:

- воспринимало все возможные воздействия, которые могут, произойти в ходеэксплуатации;

- оставалась бы пригодной для использования в целях, для которых она создавалась.

Сооружение должно быть запроектировано таким образом, чтобы в течениерасчетного срока службы были обеспечены его:

- конструктивная прочность (несущая способность);

- эксплуатационная пригодность;

- долговечность.

В случае пожара, несущая способность должна быть обеспечена в течениетребуемого промежутка времени (см.EN 1991-1-2).

Сооружение должно быть запроектировано и возведено таким образом,

чтобы в нем исключались существенные повреждения, связанные с такими событиями как, например, взрыв,удар, ипоследствия ошибок деятельности человека.

Указанные выше факторы, которые должны быть приняты вовнимание, необходимо устанавливать для каждого индивидуального проектасовместно с Заказчиком и на основе соответствующего законодательства. Дополнительная информация содержится в EN 1991-1-7.

Возможные повреждения следует ограничить или исключить за счет использования одного или нескольких следующих мероприятий:

- предотвращение, исключение или снижение опасностей, которым может бытьподвергнуто сооружение;

- выбор такой формы несущей конструкции, которая имеет низкую чувствительность к рассматриваемым опасностям;

- выбор проектных решений, при которых выход из строя отдельного элементаконструкции или некоторой части сооружения вследствие повреждения не приводил бы к его полному обрушению;

- исключение, насколько это возможно, несущих конструкций, которые могутразрушиться без предварительных проявлений начинающегося разрушения;

- выбор надежных соединений несущих элементов.

Выполнение основных требований должно обеспечиваться за счетвыбора соответствующих материалов, качественного проектирования, контроля при проектировании, изготовлении, строительстве и эксплуатации сучетом особенностей проекта.Требования в Разделе 2 предусматривают, что подготовка специалистов икачество проектирования будут соответствовать современному уровню развития знаний и передового опыта.

Далее в разделе 2 п.п.2.2 управление надёжностью, указано, что требуемая надежность сооружения достигается:

a) за счет проектирования в соответствии с требованиями EN 1990 – EN 1999;

б) посредствомсоответствующего производства работ иконтроля над их качеством.

Требования надёжности также приведены в п.п. 2.2 (5) и в приложении B.

Различные уровни надежности могут назначаться, в частности, для несущей способности и для эксплуатационной пригодности.

При выборе уровней надежности для каждого сооружения должны приниматься во внимание существенные факторы, включая, возможную причину и / или способ достижения предельного состояния, возможные последствия отказа с учетом риска для жизни, травмирования, потенциальных экономичных ущербов, социальные последствия разрушения, расходы и мероприятия необходимые для уменьшения риска разрушения.Уровни надежности каждого сооружения могут зависеть от одного или обоих следующих факторов:уровня ответственности сооружения в целом и уровня ответственности его конструктивных элементов. Также следует обратиться к приложению В. Уровни надежности по несущей способности и эксплуатационной пригодности, могут быть достигнуты в результате:

a) применения профилактических и защитных мероприятий, например, внедрением барьеров безопасности, использованием активных и пассивных защитныхпротивопожарных мер, защитой от коррозии, за счет покраски или катоднойзащиты;

б) проектирования и расчета с использованиемрепрезентативных значений воздействий или парциальных коэффициентов надежности;

в) контроля за качеством;

г) принятых мер, направленных на уменьшение ошибок при проектировании истроительстве сооружения, а так же других грубых ошибок, связанных с деятельностью людей;

д) учета других факторов при проектировании, таких основных требований как запаса прочности, долговечности, включая выбор проектного срока эксплуатации, а также степени и качества предварительных исследований грунта и возможных влияний окружающей среды, точности использованных расчетных моделей, качества технической документации;

е) эффективного строительства, в том числе в соответствии с положениями,упомянутыми в Еврокодах EN 1991 – EN 1999.

ж) соответствующего контроля и технического обслуживания согласно процедурам, определенным в проектной документации.

Меры по исключению потенциальных причин разрушений и/или снижениюих последствий могут, при соответствующих обстоятельствах, быть, в определенной степени, взаимозаменяемыми при условии, что требуемые уровни надежности будут обеспечены.

В п.п.2.3 расчётный срок эксплуатации (службы) установленырасчетные сроки службы сооружения.Расчетные сроки эксплуатации различных типов сооруженийприведены в табл. 2.1. Данные, приведенные в табл. 2.1, могут также использоваться для определения эксплуатационных характеристик, зависящихот времени (например, при оценке выносливости и усталостной прочности). Также используют данные указанные в приложении A.

В п.п.2.4 долговечность указано, что сооружение должно быть спроектировано таким образом, чтобы в течениерасчетного срока службы не снижались его эксплуатационные характеристикиниже намеченного уровня. При этом необходимо учитывать влияние окружающей среды и ожидаемый уровень технического обслуживания.Для того чтобы обеспечить требуемую долговечность сооружения, необходимо учитывать следующие факторы:

- предусмотренные или прогнозируемые условия его эксплуатации;

- расчетные критерии;

- ожидаемые условия окружающей среды;

- состав, свойства и эксплуатационные характеристики материалов и продуктов;

- свойства грунта;

- выбор конструктивной системы;

- форму элементов конструкции и их соединений;

- качество изготовления и уровень контроля;

- применение специальных защитных мероприятий;

- плановое техническое обслуживание в течение расчетного срока эксплуатации.В Еврокодах EN 1992 – EN 1999 указаны соответствующиемеры для снижения износа.Условия окружающей среды должны быть установлены на стадии проектирования с тем, чтобы установить их влияние на долговечность и принять соответствующие меры для защиты материалов, используемых в сооружении.Степень износа может быть оценена на основе расчетов, экспериментального исследования, опыта эксплуатации ранее построенных сооружений или наосновании комбинации указанных соображений.

В п.п.2.5 обеспечение качества указано, что для создания сооружения, которое соответствует требованиям и предпосылкам, сделанным при проектировании, необходимо провести соответствующиемероприятия по обеспечению качества. Данные мероприятия включаютопределение требований к надежности,проведение организационных мероприятий иконтроль на стадиях проектирования, производства работ, в процессе эксплуатации и технического обслуживания.Для обеспечения качества рекомендуется применять стандартмеждународной организации по стандартизации ISO 9001:2000.

 

Лекция 4

Принципы проектирования деревянных конструкций по предельным состояниям несущей способности в соответствии с требованиями европейских стандартов

 

Согласно Еврокод 5 расчёт деревянных конструкций производится в соответствии с общими правилами, приведёнными в EN 1990 основы строительного проектирования. Базовые требования раздела 2 этого европейского стандарта считаются достаточными при проектировании деревянных конструкций, когда применяется расчёт по предельным состояниям в сочетании с методом частных коэффициентов для различных воздействий нагрузок и их сочетаний, приведённых в EN 1990 и EN 1991. Дополнительно к этому в EN 1995 приведены методы расчётов на устойчивость, а также положения по пригодности к эксплуатации и долговечности деревянных конструкций.

Как указано в EN 1990 и национальном стандарте Еврокод 0 при проектировании следует различать предельные состояния по несущей способности ипредельные состояния по эксплуатационной пригодности. Допускается не проводить проверку по одной из двух категорий предельныхсостояний при условии, что имеется достаточно данных, указывающих на то,что опущенная проверка удовлетворяется проведенными расчетами.Предельные состояния должны быть связаны с расчетными ситуациями.

Расчетные ситуации следует определять с учетом условий,при которых сооружение обязано выполнять свои функции.Расчетные ситуации классифицируются следующим образом:

- постоянные расчетные ситуации, которые соответствуют условиям нормальной эксплуатации;

- переходные (временные) проектные ситуации, которые соответствуют временным условиям, например, во время строительства или ремонта;

- аварийные расчетные ситуации, которые относятся к исключительным условиям или к случаям, когда сооружение подвергается, например, пожару, взрыву, удару или последствиям локального разрушения;

- сейсмические расчетные ситуации, которые соответствуют сейсмическим воздействиям.

Рассматриваемые расчетные ситуации должны включить все неблагоприятные условия, которые могут произойти во время строительства и эксплуатации сооружения.

Предельные состояния, которые связанны сбезопасностью людей, и/илибезопасностью сооружениядолжны быть классифицированы как предельные состояния по несущей способности.

При определенных обстоятельствах предельные состояния, которые связаныс сохранностью содержимого в здании, должны рассматриваться как предельные состояния по несущей способности.Эти обстоятельства в каждом отдельном случае определяютсясовместно с заказчиком и с учетом соответствующего законодательства.Состояния, предшествующие непосредственному разрушению конструкций,которые, для простоты, рассматриваются вместо самого разрушения, можнорассматривать как предельные состояния по несущей конструкции.

Критические предельные состояния должны быть учтены в случае потери равновесия сооружения или любой его части, рассматриваемой кактвердое тело, разрушением, связанным с большими деформациями и потерей устойчивости сооружения или любой его части, включая опоры и фундаменты, разрушением, вызванное усталостью или другими эффектами, зависящими отвремени.Для различных предельных состояний по несущей способности используются наборы коэффициентов надежности, п.п. 6.4.1.

В EN 1995 Еврокеде 5 указано, что при расчёте по предельным состояниям расчётные модели для различных типов предельных состояний должны учитывать следующее: различные свойства материала, например модуль упругости, прочность и вид разрушения; поведение материалов с учётом фактора времени (ползучесть); различные климатические условия (температура, влажность, вибрации); различные расчётные ситуации (этапы строительства, изменение условий опирания). При проведении структурного анализа используют следующие свойства жёсткости элементов конструкций:

- для линейно-упругого анализа первого порядка, при котором внутренние силы не зависят от распределения жёсткости внутри элемента, то есть если элементы имеют те же зависящие от времени свойства, принимаются средние значения;

- для линейно-упругого анализа первого порядка, при котором внутренние силы зависят от распределения жёсткости внутри элемента (для композитов, состоящих из материалов, с различными зависящими от времени свойствами), окончательно принимаются значения соответствующие нагрузке, вызывающей наибольшее напряжение по отношению к прочности;

- для линейно-упругого анализа второго порядка, принимаются расчётные значения, не учитывающие длительность действия нагрузки.

Для расчётов по предельным состояниям в тех случаях, когда распределение усилий и моментов обусловлено распределением жесткостей в конструкции, окончательно среднее значение модуля упругости , модуля сдвига , и модуля скольжения , используемых в расчётах конечной деформации следует принимать согласно следующим выражениям:

, , ,

где – среднее значение модуля упругости; – среднее значение модуля сдвига – модуль скольжения; – коэффициент определения деформации ползучести, учитывающий соответствующий класс эксплуатации; – коэффициент для практически постоянного значения воздействия, вызывающего наибольшее напряжение по отношению к прочности. Еслиэто постоянное воздействие, принимается равным 1,0. Значения приведены в табл.3.2 Еврокода 5. Значения приведены в EN 1990:2002.

Модуль скольжения учитывает узловое проскальзывание. Для узлов с использованием крепёжных деталей дюбельного типа модуль скольжения в плоскости сдвига для одной крепёжной детали при эксплуатационной нагрузке берётся из таблицы 7.1EN1995 в зависимости от типа крепёжной детали, значений и или . Значения установлены в EN 13271. В EN 26891 вместо символа используется символ .Модуль скольжения для предельного состояния рассчитывают по формуле:

,

где – мгновенный модуль скольжения.

 

Лекция 5

Принципы проектирования деревянных конструкций по предельным состояниям эксплуатационной пригодности в соответствии с требованиями европейских стандартов

 

Предельные состояния, связанные с функционированием сооружения или его конструктивных элементов в условиях нормальной эксплуатации, комфортом людей и внешним видом строений, классифицируются как предельные состояния эксплуатационной пригодности.Термин «внешний вид» включает в себя большой прогиб и обширное трещинообразование, но не эстетические критерии. Как правило, требования к эксплуатационной пригодности определяются отдельно для каждого проекта.Следует различать обратимые и необратимые предельные состояния эксплуатационной пригодности.

При проверке по предельным состояниям по эксплуатационной надежностинеобходимо учитывать следующие явления:

a) деформации, которые влияют навнешний вид сооружения, комфорт посетителей, функционирование сооружения (включая функционирование машин илислужб) и могут вызвать повреждение отделки или ненесущих элементов конструкции;

б) вибрации, которыепричиняют дискомфорт людям и функционально ограничивают эффективность эксплуатации сооружения;

в) повреждения, которые, предположительно, отрицательно воздействуют навнешний вид,долговечность илифункционирование сооружения.

Дополнительные положения, связанные критериями эксплуатационной пригодности, даны в Еврокодах EN 1992 – EN 1999.В EN 1995 Еврокод 5 указано, что деформация сооружения, которая может произойти в результате таких воздействий как осевые или сдвигающие усилия, изгибающие моменты и узловые скольжения, а также от влажности, должна оставаться в пределах соответствующих границ с учётом возможности повреждения поверхности материалов, потолков, перекрытий, перегородок и отделочных материалов, функциональных потребностей и требованиями внешнего вида.

В Европейском стандарте EN 1995 проведена конкретизация требований по расчёту по предельным состояния эксплуатационной пригодности для деревянных конструкций, в частности требований по деформациям.

Деформация сооружения, которая может произойти в результате воздействий (таких как осевые и сдвигающие усилия, изгибающие моменты и узловые скольжения), а также от влажности, должна оставаться в пределах соответствующих границ с учетом вероятной возможности повреждения поверхности материалов, потолков, перекрытий, перегородок и отделочных материалов, и функциональных потребностей наряду с требованиями в отношении внешнего вида.Мгновенная деформация (см. рис.3) может быть определена для нормативногосочетания воздействий с использованием среднего значения соответствующего модуля упругости, модуля сдвига и модуля скольжения, как указано в п.п. 6.5.3(2)а EN 1990.

Примечание. Нормативное сочетание, как правило, используется для необратимых предельных состояний.

Окончательная деформация (см.рис.3) может быть рассчитана для практически постоянной комбинации воздействий согласно 6.5.3(2)с EN 1990.

Рис. 3. Компоненты прогиба

 

Для компонентов прогиба применены следующие обозначения:

w _c предварительная кривизна (строительный подъем), если таковой применяется;

w_inst мгновенный прогиб;

w_creep прогиб от ползучести материала;

w_fin конечный прогиб;

w_net,fin конечный прогиб нетто.

Прогиб нетто ниже прямой линии между опорами w_net,fin принимается как:

Примечание: Рекомендуемые пределы граничных значений прогибов для балок с пролетом приводятся в табл.1, в зависимости от уровня деформации, рассматриваемой как допускаемая. Информацию о национальных аспектах и выбора граничных значений на национальном уровне приводятся в Национальных приложениях.

Таблица 1

Пример граничных значений для прогиба балок

Если сооружение состоит из элементов или компонентов, имеющих различное поведение при ползучести, то конечная деформация рассчитывается на основании окончательных средних значений соответствующих модулей упругости, модулей сдвига и модулей скольжения согласно п.п.2.3.2.2(1).Средние значения соответствующих модулей упругости, модулей сдвига и модулей скольжения рассчитываются по тем же формулам, как и при расчёте по предельным состояниям.

Для конструкций, состоящих из элементов, компонентов и соединений с одинаковым поведением при ползучести и при допущении линейной зависимости между воздействиями и соответствующими деформациями, как упрощение 2.3.2.2(3), окончательная деформация по каждому воздействию, w_fin рассчитывается:

где

– для постоянного воздействия

G; (1)

– для основного переменного воздействия Q₁; (2)

– для сопутствующего переменноговоздействия Q_i(i>1); (3)

– мгновенные деформации для воздействий G, Q₁, Q_i соответственно; – коэффициенты практически постоянных значений переменных воздействий; – коэффициент для комбинационного значения переменных воздействий; – приведен в табл. 3.2 для древесины и материалов на основе древесины, а также вп. 2.3.2.2(3) и п. 2.3.2.2(4) для соединений.

При использовании выражений (1)-(3) коэффициенты не включаются в выражения (6.16,а) и (6.16,б) EN 1990:2002.

Примечание – в большинстве случаев уместно использовать упрощенный метод.

Для предельных состояний по пригодности к эксплуатации при вибрационных воздействиях рекомендуется использовать средние значения модулей жесткости.

 

Лекция 6