Суть метода расчета по предельным состояниям

При проектировании инженерных конструкций их рассчитывают, чтобы обеспечит заданную прочность, надежность в условиях изготовления, транспортирования и эксплуатации. Задачи расчета: определение возникающих в элементах конструкций усилий приложенных нагрузок, назначение необходимых экономических размеров поперечного сечения.

Конструкции рассчитывают на силовые воздействия по методу предельных состояний, которые характеризуются установлением предельных состояний конструкций и введением системы расчетных коэффициентов, учитывающих изменчивость различных факторов.

Предельным называют состояния, при которых конструкция теряет способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получает недопустимые деформации или местные повреждения. Предельные состояния подразделяют на две группы: первая группа - по потере несущей способности, вторая группа - по непригодности к нормальной эксплуатации.

Расчеты по 1-й группе предельных состояний производят, чтобы предотвратить хрупкое, вязкое или усталостное разрушение, потерю устойчивости положения конструкции (расчет на опрокидывание и скольжение) или ее формы (расчет на общую и местную устойчивость тонкостенных элементов), разрушение под совместным воздействием силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды.

Расчеты по 2-й группе предельных состояний должны предотвратить чрезмерные перемещения (прогибы, осадки, углы поворота, амплитуды колебаний), а также образование и чрезмерное раскрытие трещин в железобетонных конструкциях в зависимости от категории требований к их трещиностойкости.

Наступление того или иного предельного состояния зависит от следующих основных факторов: величины внешних нагрузок и воздействий, механических характеристик материалов, условий работы конструкций и материалов.

Статистическая изменчивость (разброс значений) этих факторов учитывается расчетными коэффициентами надежности по назначению, по нагрузке, по материалу и коэффициентами условий работы.

Нагрузки и воздействия

При расчете конструкций их принимают по ДБН В.1.2-2:2006 «Нагрузки и воздействия».

Принятая классификация нагрузок обеспечивает возможность расчета строительных конструкций с учетом необходимых расчетных ситуаций и предельных состояний, а именно:

а) проверку прочности, устойчивости и иных критериев несущей способности при однократном нагружении в экстремальных условиях эксплуатации (аварийная расчетная ситуация либо установившаяся или переходная расчетная ситуация, которая может реализоваться ограниченное число раз за срок службы), что соответствует проверке предельных состояний 1а, 1b, 1с, 1d, 1е и 1f по 1.4 ГОСТ 27751;

б) проверку жесткости и трещиностойкости в режиме нормальной эксплуатации (установившаяся расчетная ситуация), что соответствует проверке предельных состояний 2а, 2b, 2с, 2d и 2е по 1.4 ГОСТ 27751;

в) проверку выносливости при повторных нагружениях (установившаяся расчетная ситуация), что соответствует проверке предельных состояний 1а и 2b по 1.4 ГОСТ 27751;

г) учет ползучести материалов и других реологических процессов при действии постоянных и долговременных нагрузок (установившаяся расчетная ситуация), что соответствует проверке предельных состояний 1f, 2а и 2d по 1.4 ГОСТ 27751.

В зависимости от причин возникновения нагрузки и воздействия подразделяются на основные и эпизодические.

В зависимости от изменчивости во времени воздействия подразделяются на постоянные и переменные.

В зависимости от длительности непрерывного действия переменные нагрузки и воздействия подразделяются на длительные, кратковременные и эпизодические.

Нагрузки, возникающие при изготовлении, хранении и перевозке конструкций, а также при возведении сооружений, следует учитывать в расчетах как кратковременные.

Установленный срок эксплуатации конструкции T_ef принимается по техническому заданию, а в случае его отсутствия может быть принят по приложению «В» ДБН В.1.2-2:2006.

Основой для назначения нагрузок являются их характеристические значения. При расчете несущих конструкций и оснований следует учитывать коэффициент надежности по ответственности по ГОСТ 27751.

На коэффициент надежности по ответственности следует умножать характеристические значения нагрузок или нагрузочный эффект (внутренние силы и перемещения конструкций и оснований, вызываемые нагрузками и воздействиями).

Расчетные значения нагрузок определяются умножением характеристических значений на коэффициент надежности по нагрузке , зависящий от вида нагружения.

В зависимости от характера нагрузок и целей расчета используются четыре вида расчетных значений: предельное, эксплуатационное, циклическое, квазипостоянное.

Указанные виды нагрузок следует применять в соответствии с табл. 4.1. ДБН В.1.2-2:2006.

Для проверки предельных состояний первой группы используются предельные расчетные значения нагрузок.

Для проверки предельных состояний второй группы нагрузки устанавливаются в зависимости от условий эксплуатации рассматриваемой конструкции, а именно:

- если выход за предельное состояние может быть допущен в среднем один раз за Т_n лет, то проверка выполняется с использованием предельного расчетного значения, соответствующего периоду Т_n;

- если выход за предельное состояние может быть допущен в течение определенной части (0< <1) от установленного срока службы конструкции T_ef, то проверка выполняется с использованием эксплуатационного расчетного значения, соответствующего этой части установленного срока службы ( _Тef).

Переход к расчетным значениям реализуется умножением на коэффициент надежности по нагрузке (Т_n) или ( T_ef). Значение принимается по нормам проектирования конструкций в зависимости от их назначения, ответственности и следствий выхода за предельное состояние.

К постоянным нагрузкам следует относить:

а) вес частей сооружений, в том числе вес несущих и ограждающих конструкций;

б) вес и давление грунтов (насыпей, засыпок), горное давление.

Сохраняющиеся в конструкции или в основании усилия от предварительного напряжения следует учитывать в расчетах как усилия от постоянных нагрузок.

К переменным длительным нагрузкам следует относить:

а) вес временных перегородок, подливок и подбетонок под оборудование;

б) вес стационарного оборудования: станков, аппаратов, моторов, емкостей, трубопроводов с арматурой, опорными частями и изоляцией, ленточных конвейеров, постоянных подъемных машин с их канатами и направляющими, а также вес жидкостей и твердых тел, заполняющих оборудование;

в) давление газов, жидкостей и сыпучих тел в емкостях и трубопроводах, избыточное давление и разрежение воздуха, возникающее при вентиляции шахт;

г) нагрузки на перекрытия от складируемых материалов и стеллажного оборудования в складских помещениях, холодильниках, зернохранилищах, книгохранилищах, архивах и подобных помещениях;

д) температурные технологические воздействия от стационарного оборудования;

е) вес слоя воды на водонаполненных плоских покрытиях;

ж) вес отложений производственной пыли, если ее накопление не исключено соответствующими мероприятиями;

з) нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с квазипостоянными расчетными значениями;

и) вертикальные нагрузки от мостовых и подвесных кранов с квазипостоянными расчетными значениями;

к) снеговые нагрузки с квазипостоянными расчетными значениями;

л) температурные климатические воздействия с квазипостоянными расчетными значениями;

м) воздействия, обусловленные деформациями основания, не сопровождающимися коренным изменением структуры грунта;

н) воздействия, обусловленные изменением влажности, компонентов агрессивной среды, усадкой и ползучестью материалов.

К переменным кратковременным нагрузкам следует относить:

а) нагрузки от оборудования, возникающие в пускоостановочном, переходном и испытательном режимах, а также при его перестановке или замене с предельными или эксплуатационными расчетными значениями;

б) вес людей, ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования с предельными или эксплуатационными расчетными значениями;

в) нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с предельными или эксплуатационными расчетными значениями;

г) нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования (погрузчиков, электрокаров, кранов - штабелеров, тельферов, а также от мостовых и подвесных кранов) с предельными или эксплуатационными расчетными значениями;

д) снеговые нагрузки с предельными или эксплуатационными расчетными значениями;

е) температурные климатические воздействия с предельными или эксплуатационными расчетными значениями;

ж) ветровые нагрузки с предельными или эксплуатационными расчетными значениями;

з) гололедные нагрузки с предельными или эксплуатационными расчетными значениями.

К эпизодическим нагрузкам относятся:

а) сейсмические воздействия;

б) взрывные воздействия;

в) нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправностью или поломкой оборудования;

г) воздействия, обусловленные деформациями основания, сопровождающимися коренным изменением структуры грунта (при замачивании просадочных грунтов) или оседанием его в районах горных выработок и в карстовых районах.

Характеристические и расчетные значения эпизодических загрузок определяются специальными нормативными документами.

Сочетания нагрузок

Сочетания нагрузок формируются как набор их расчетных значений или соответствующих им усилий и/или перемещений, который используется для проверки конструкции или основания в определенном предельном состоянии и в определенной расчетной ситуации. Предполагается, что в выбранном сочетании все нагрузки одновременно влияют на объект расчета.

В сочетание должны входить нагрузки, которые наиболее неблагоприятно влияют на конструкции (основания) с точки зрения рассматриваемого предельного состояния. Взаимоисключающие воздействия не могут входить в одно сочетание.

В расчетах конструкций могут использоваться сочетания двух типов – основные и аварийные.

Для проверки предельных состояний первой группы используются основные сочетания, включающие постоянные нагрузки с предельными расчетными значениями, а также предельные расчетные, циклические или квазипостоянные значения переменных нагрузок.

Для проверки предельных состояний второй группы используются основные сочетания, включающие постоянные нагрузки с эксплуатационными значениями, а также эксплуатационные расчетные, циклические или квазипостоянные значения переменных нагрузок.

В аварийное сочетание кроме постоянных и переменных нагрузок может входить только одно эпизодическое воздействие.

Малая вероятность одновременной реализации расчетных значений нескольких нагрузок учитывается умножением расчетных значений вошедших в сочетание нагрузок на коэффициент сочетания .

Для основных сочетаний, включающих постоянные и не менее двух переменных нагрузок, последние принимаются с коэффициентом сочетаний =0,95 для длительных нагрузок и =0,90 для кратковременных нагрузок.

Для аварийных сочетаний, включающих постоянные и не менее двух переменных нагрузок, последние принимаются с коэффициентом сочетаний =0,95 для длительных нагрузок и =0,80 для кратковременных нагрузок. Аварийная нагрузка принимается с коэффициентом сочетания =1,00.