Расчет строителоьных конструкций по предельным сосотояниям

Расчет строителоьных конструкций по предельным сосотояниям

Предельными называются такие состояния, при превышении которых конструкция перестает удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям.

Предельные состояния подразделяют на две группы: первая - по потере несущей способности или непригодности к эксплуатации; вторая - по непригодности к нормальной эксплуатации, осуществляемой в соответствии с технологическими или бытовыми требованиями.

Расчет по первой группе предельных состояний должен предотвратить разрушение конструкции (расчет на прочность), потерю устойчивости формы конструкции (расчет на продольный изгиб, устойчивость тонкостенных конструкций и т.п.) или ее положения (расчет на опрокидывание или скольжение подпорных стен, на всплытие подземных или подводных сооружений и др.), усталостное разрушение (расчет на выносливость конструкций при воздействии многократно повторяющейся нагрузки), разрушение при совместном воздействии силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды (попеременное замораживание - оттаивание, увлажнение - высушивание, действие агрессивной среды).

Расчет по второй группе предельных состояний должен исключить чрезмерные деформации (прогибы, углы поворота) и колебания конструкций, образование трещин, недопустимую ширину их раскрытия, а также невозможность закрытия трещин (при необходимости выполнения этого условия).

Метод расчета по предельным состояниям состоит в недопущении превышения предельных состояний при эксплуатации в течение всего срока службы конструкций, а также в стадии их изготовления, транспортирования и монтажа или возведения при наименьших затратах труда, материалов, денежных средств.

При расчете по методу предельных состояний надежность конструкции обеспечивается путем учета возможных отклонений в неблагоприятную сторону действительных нагрузок или воздействий, а также характеристик материалов от среднестатистических значений. Учет указанных возможных отклонений, а также действительных условий эксплуатации конструкций производят на основе вероятностно-статистических методов, обеспечивающих требуемую надежность конструкций в зависимости от степени опасности того или иного предельного состояния.

Расчетная несущая способность определяется в зависимости от системы коэффициентов: надежности по нагрузке, учитывающей изменчивость нагрузок или воздействий; вариационных коэффициентов, учитывающих изменчивость прочности материалов; коэффициентов безопасности; коэффициентов условий работы материалов и конструкций в целом и др. С помощью соответствующих коэффициентов по среднестатистическим значениям нагрузок или характеристик материалов определяются их расчетные (или нормативные) величины, вводимые в расчет.

Введением системы указанных коэффициентов обеспечивается высокий уровень надежности (0,997) при расчете конструкций по несущей способности.

При расчете конструкций по второй группе предельных состояний, учитывая, что их наступление, как правило, не ведет к столь опасным последствиям, как при исчерпании несущей способности, уровень обеспеченности принят более низким (0,95). Это находит свое выражение в том, что, за исключением расчета по образованию трещин, во всех остальных случаях нагрузки вводятся без коэффициентов надежности по нагрузке.

Кроме того, механические характеристики материалов принимаются повышенными - равными расчетным сопротивлениям для предельных состояний второй группы.

Последние численно равны нормативным сопротивлениям, поскольку в расчетах по второй группе предельных состояний коэффициенты безопасности приняты равными единице. Не учитываются, как правило, и коэффициенты условий работы.

При проектировании зданий и сооружений следует выполнять требования обязательных разделов нормативных документов:

Технический регламент о безопасности зданий и сооружений

СП 38.13330.2012 Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). Актуализированная редакция СНиП 2.06.04-82*

СП 14.13330.2014 Строительство в сейсмических районах СНиП II-7-81*

ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения

Так же обязательными к применению являются документы, включенные в доказательную базу Технического регламента, см. ПП РФ N 1521 от 26.12.2014!

Классификация нагрузок и воздействий

Действующие на здания и сооружения нагрузки и воздействия принимаются по СП 20.13330.2011. Они подразделяются на постоянные и временные (рис.1). В свою очередь, временные нагрузки, которые в отдельные периоды строительства и эксплуатации сооружений могут отсутствовать, в зависимости от продолжительности их действия подразделяются на длительные, кратковременные и особые.

Рис.1. Классификация нагрузок и воздействий

Основными характеристиками нагрузок и их воздействий являются их нормативные величины, установленные нормами проектирования СП 20.13330.2011.

Согласно п.4.2 СП 20.13330 расчетное значение нагрузки определяются умножением нормативного значения нагрузки на коэффициент надежности по нагрузке

, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию.

Минимальные значения коэффициента надежности

определяются следующим образом:

а) при расчете по предельным состояниям 1-й группы - в соответствии с пп.7.2-7.4, 8.1.4, 8.2.2, 8.3.4,8.4.5, 9.8, 10.12, 11.1.12, 12.5 и 13.8 СП 20.13330;а) при расчете по предельным состояниям 1-й группы - в соответствии с пп.7.2-7.4, 8.1.4, 8.2.2, 8.3.4,8.4.5, 9.8, 10.12, 11.1.12, 12.5 и 13.8 СП 20.13330;а) при расчете по предельным состояниям 1-й группы - в соответствии с пп.7.2-7.4, 8.1.4, 8.2.2, 8.3.4,8.4.5, 9.8, 10.12, 11.1.12, 12.5 и 13.8 СП 20.13330;

б) при расчете по предельным состояниям 2-й группы - принимаются равными единице, если в нормах проектирования конструкций и оснований не установлены другие значения.

Согласно п.10.1 ГОСТ 27751 в зависимости от класса сооружений (см. 3.1 ГОСТ 27751) при их проектировании необходимо использовать коэффициенты надежности по ответственности, минимальные значения которых приведены в табл.2 ГОСТ 27751. Согласно п.10.1 ГОСТ 27751 в зависимости от класса сооружений (см. 3.1 ГОСТ 27751) при их проектировании необходимо использовать коэффициенты надежности по ответственности, минимальные значения которых приведены в табл.2 ГОСТ 27751. Согласно п.10.1 ГОСТ 27751 в зависимости от класса сооружений (см. 3.1 ГОСТ 27751) при их проектировании необходимо использовать коэффициенты надежности по ответственности, минимальные значения которых приведены в табл.2 ГОСТ 27751.

Класс и уровень ответственности сооружений, а также численные значения коэффициента надежности по ответственности устанавливаются генпроектировщиком по согласованию с заказчиком в задании на проектирование, но не ниже тех, которые указаны в табл.2 ГОСТ 27751. Для разных конструктивных элементов сооружений допускается устанавливать различные уровни ответственности и соответственно назначать различные значения коэффициента надежности по ответственности.

Классы и уровни ответственности сооружений следует учитывать:

- при оценке долговечности сооружений;

- при разработке номенклатуры и объема проектных работ, а также проводимых инженерных изысканий и экспериментальных исследований;

- при разработке конструктивных решений надземной и подземной частей сооружений;

- при разработке программ научно-технического сопровождения, при проектировании, изготовлении и монтаже конструкций;

- при разработке правил приемки, испытаний, эксплуатации и технической диагностики строительных объектов.

Правила учета ответственности зданий и сооружений устанавливаются р.10 ГОСТ 27751.

Здания и сооружения обычно подвергаются одновременному действию различных нагрузок, поэтому при их расчете следует учитывать наиболее неблагоприятные сочетания этих нагрузок или вызываемых ими усилий. Сочетания устанавливаются исходя из реально возможных вариантов одновременного действия различных нагрузок. При этом считается маловероятным, чтобы все учитываемые в расчете кратковременные нагрузки одновременно достигали расчетных значений. Поэтому значения кратковременных нагрузок, вводимых в состав некоторых сочетаний, умножаются на коэффициент сочетаний.Здания и сооружения обычно подвергаются одновременному действию различных нагрузок, поэтому при их расчете следует учитывать наиболее неблагоприятные сочетания этих нагрузок или вызываемых ими усилий. Сочетания устанавливаются исходя из реально возможных вариантов одновременного действия различных нагрузок. При этом считается маловероятным, чтобы все учитываемые в расчете кратковременные нагрузки одновременно достигали расчетных значений. Поэтому значения кратковременных нагрузок, вводимых в состав некоторых сочетаний, умножаются на коэффициент сочетаний.

Нормами установлены следующие сочетания нагрузок и воздействий (п.6.2 СП 20.13330):

- основные, в которые входят постоянные, длительные и кратковременные нагрузки;- основные, в которые входят постоянные, длительные и кратковременные нагрузки;

- особые, состоящие из постоянных, длительных, кратковременных и одной из особых нагрузок.- особые, состоящие из постоянных, длительных, кратковременных и одной из особых нагрузок.

Согласно р.6 СП 20.13330

(

1, 2, 3, ...,) - коэффициенты сочетаний для длительных нагрузок,

(

1, 2, 3, ...,) - коэффициенты сочетаний для кратковременных нагрузок.

Согласно п.6.3 СП 20.13330 для основных и особых сочетаний нагрузок, за исключением случаев, оговоренных в нормах проектирования сооружений в сейсмических районах и в нормах проектирования конструкций и оснований, коэффициент сочетаний длительных нагрузок

определяется следующим образом:

- для равномерно распределенных длительных нагрузок:

=1,0 - коэффициент сочетаний, соответствующий основной по степени влияния длительной нагрузке;

=

=...=0,95 - коэффициенты сочетаний для остальных длительных нагрузок (для крановых нагрузок в соответствии с указаниями п.9.19 СП 20.13330) ;

- для остальных нагрузок

1,0.

Согласно п.6.4 СП 20.13330 для основных сочетаний необходимо использовать следующие значения коэффициентов сочетаний кратковременных нагрузок:

=1,0 - коэффициент сочетаний, соответствующий основной по степени влияния кратковременной нагрузке;

=0,9 - коэффициент сочетаний, соответствующий второй кратковременной нагрузке;

=

=...=0,7 - коэффициенты сочетаний для остальных кратковременных нагрузок.

Для особых сочетаний коэффициенты сочетаний для всех кратковременных нагрузок принимаются равными 0,8, за исключением случаев, оговоренных в нормах проектирования сооружений в сейсмических районах и в нормах проектирования конструкций и оснований.

В особых сочетаниях нагрузок, включающих взрывные воздействия, нагрузки, вызываемые пожаром, столкновением транспортных средств с частями сооружений, кратковременные нагрузки допускается не учитывать.

При подсчете нагрузок, который выполняют, как правило, в табличной форме , определяют как их нормативные значения, так и расчетные. Временные и полные нагрузки должны быть подразделены на длительно действующие и кратковременные.

В таблице 2 приводятся справочные данные по нормативным нагрузкам от собственного веса наиболее часто встречающихся строительных материалов и конструкций.

Таблица 2

Нормативная нагрузка от собственного веса строительных конструкций и материалов

Строительные конструкции и материалы Толщина, ммВес, кН/м

Покрытия

Защитный слой из гравия по мастике15-200,3...0,4

Кровля из рулонных материалов (3-4 слоя)-0,15...0,2

Асфальтовая или цементная стяжка200,35

Утеплитель:

пенобетон (80-1600,4...0,8

500 кг/м

)

пенопласт (60-1200,03...0,06

50 кг/м

)

Пароизоляция обмазочная или из одного слоя рубероида-0,05

Профилированный стальной настил0,8-10,13...0,16

Волнистые листы: асбестоцементные стальные1-1,750,2

0,12...0,21

Плоский стальной настил424630,24...0,32

Полы

Бетонный 20-300,48-0,72

То же, при наличии бетонной стяжки 50-651,20-1,56

Асфальтобетонный 25-500,52-1,05

То же, при наличии бетонной стяжки 55-651,25-1,90

Дощатый по деревянным лагам из брусков 1100,35

То же, со звукоизоляционным слоем из шлака 1100,8

То же, со звукоизоляционным слоем из песка 1101,2

Вес железобетонных подкрановых балок пролетом 6 м составляет: при грузоподъемности кранов до 10 т (

800 мм) - 36 кН, до 30 т (

1000 мм) - 42 кН.

При пролете железобетонных подкрановых балок 12 м их вес равен: для кранов грузоподъемностью до 10 т (

1200 мм) - 79 кН, до 20 т (

1200 мм) - 96 кН, до 30 т (

1400 мм) - 115 кН.

Вес металлических конструкций ориентировочно равен (в кН на м

пола): каркаса фонаря (включая остекление) - 0,15...0,2; связей покрытия - 0,04...0,06; стропильных ферм пролетом 24...36 м - 0,1...0,4; подстропильных ферм - 0,05...0,1; колонн высотой около 20 м - 0,3...0,7. Вес стальных подкрановых балок составляет (в кН на погонный метр балки): при пролете балки

6 м и грузоподъемности крана

30...200 т - 2,5...3,5; при

12 м и

30…80 т - 4,0-5,0; при

12 м и

100...200 т - 5,5-6,5 т.

Приведем ориентировочные веса клееных несущих деревянных конструкций (кН) при расчетной нагрузке 4.5-9 Н/м балки прямоугольного сечения постоянной высоты при пролете 6 м - 1,15…1,60; то же при пролете 9 м - 2,35...3,50; то же, при пролете 12 м - 4,6...6,8, балки двускатные прямоугольного сечения при пролете 9 м - 2,25...3,38; то же, при пролете 12 м - 4,25...7,60; фермы треугольного очертания со стальным нижним поясом при пролете 12 м - 3,2...4,35; то же при пролете 18 м - 4,5...9; рамы гнутоклеенные прямоугольного сечения при высоте стоек 3,6 м и пролете 18 м - 1,2...1,64; то же, при пролете 24 м - 2,14...3,44.

В предварительных расчетах нагрузки от веса деревянных конструкций можно определять по формуле

,

где

и

- соответственно постоянная и временная нагрузки;

- коэффициент собственного веса; размерность нагрузки от веса конструкций такая же, как и внешней эксплуатационной нагрузки.

Значения коэффициента

принимаются равными: для дощатоклееных балок пролетом 6...30 м -

4…6; для клеефанерных балок пролетом 6...15 м -

3…4, для дощатоклееных арок пролетом 15...100 м -

2…4, для клееных трехшарнирных рам пролетом 12...24 м -

7…9; для ферм пролетом 12...36 м -

3…6.

Нагрузки от мостовых кранов зависят от их грузоподъемности, пролета, собственного веса и др. параметров. В стандартах на краны приводятся габариты крана, расстояние между колесами крана, вес тележки крана, максимальное и минимальное вертикальное давление на колеса мостового крана, поперечная тормозная сила на колесо крана и др. данные.

Нагрузки от кранов определяют в зависимости от групп режимов их работы, вида привода и способа подвеса груза.

Группа режимов работы кранов устанавливается в зависимости от класса использования и класса нагружения, в соответствии с ГОСТ 25546-82. Класс использования зависит от общего количества циклов работы крана за срок его службы. Так, при классе использования

число циклов составляет до 1,6·10

, при

- от 3,2·10

до 6,3·10

, при

- от 1,25·10

до 2,5·10

и так далее до

- свыше 4·10

циклов. Класс нагружения устанавливается в зависимости от коэффициента нагружения, определяемого по формуле

где

- масса груза, перемещаемого краном с числом циклов

;

- номинальная грузоподъемность крана;

- число циклов работы крана за срок его службы;

,

Расчет конструктивных систем

В.1 Расчет несущих конструктивных систем должен включать:

определение усилий в элементах конструктивной системы (колоннах, плитах перекрытий и покрытия, фундаментных плитах, стенах, ядрах) и усилий, действующих на основания фундаментов;

определение перемещений конструктивной системы в целом и отдельных ее элементов, а также ускорений колебания перекрытий верхних этажей;

расчет на устойчивость конструктивной системы (устойчивость формы и положения);

оценку несущей способности и деформации основания;

а в отдельных случаях и оценку сопротивляемости конструктивной системы прогрессирующему разрушению.

В.2 Расчет несущей конструктивной системы, включающей надземные и подземные конструкции и фундамент, следует производить для стадии эксплуатации. В случае существенного изменения расчетной ситуации в процессе возведения расчет несущей конструктивной системы следует производить для всех последовательных стадий возведения, принимая расчетные схемы, отвечающие рассматриваемым стадиям.

В.3 Расчет несущей конструктивной системы в общем случае следует производить в пространственной постановке с учетом совместной работы надземных и подземных конструкций, фундамента и основания под ним.

В.4 При расчете несущих конструктивных систем, состоящих из сборных элементов, следует учитывать податливость их соединений.

В.5 Расчет несущих конструктивных систем следует производить с использованием линейных и нелинейных деформационных (жесткостных) характеристик железобетонных элементов.

Линейные деформационные характеристики железобетонных элементов определяют как для сплошного упругого тела.

Нелинейные деформационные характеристики железобетонных элементов при известном армировании следует определять с учетом возможного образования трещин в поперечных сечениях, а также с учетом развития неупругих деформаций в бетоне и арматуре, отвечающих кратковременному и длительному действию нагрузки.

В.6 В результате расчета несущей конструктивной системы должны быть установлены: в колоннах - значения продольных и поперечных сил, изгибающих моментов; в плоских плитах перекрытий, покрытия и фундаментов - значения изгибающих моментов, крутящих моментов, поперечных и продольных сил; в стенах - значения продольных и сдвигающих сил, изгибающих моментов, крутящих моментов и поперечных сил.

Определение усилий в элементах конструктивной системы следует производить от действия расчетных постоянных, длительных и кратковременных нагрузок.

В.7 В результате расчета несущей конструктивной системы должны быть установлены значения вертикальных перемещений (прогибов) перекрытий и покрытий, горизонтальные перемещения конструктивной системы, а для зданий повышенной этажности - также ускорения колебаний перекрытий верхних этажей. Величина перемещений и ускорения колебаний не должна превышать допустимых значений, установленных соответствующими нормативными документами.

Горизонтальные перемещения конструктивной системы следует определять от действия расчетных (для предельных состояний второй группы) постоянных, длительных и кратковременных горизонтальных и вертикальных нагрузок.

Вертикальные перемещения (прогибы) перекрытий и покрытий следует определять от действия нормативных постоянных и длительных вертикальных нагрузок.

Жесткостные характеристики элементов конструктивной системы следует принимать с учетом армирования, наличия трещин и неупругих деформаций в бетоне и арматуре согласно указаниям 8.2.26, 8.2.27.

Ускорения колебаний перекрытий верхних этажей здания следует определять при действии пульсационной составляющей ветровой нагрузки.

В.8 При расчете на устойчивость конструктивной системы следует производить проверку устойчивости формы конструктивной системы, а также устойчивости положения конструктивной системы на опрокидывание и на сдвиг.

В.9 Расчет на устойчивость конструктивной системы следует производить на действие расчетных постоянных, длительных и кратковременных вертикальных и горизонтальных нагрузок.

При расчете устойчивости формы конструктивной системы жесткостные характеристики элементов конструктивной системы рекомендуется принимать с учетом армирования, наличия трещин и неупругих деформаций в бетоне и арматуре.

При расчете устойчивости положения конструктивные системы следует рассматривать как жесткое недеформированное тело.

При расчете на опрокидывание удерживающий момент от вертикальной нагрузки должен превышать опрокидывающий момент от горизонтальной нагрузки с коэффициентом запаса 1,5.

При расчете на сдвиг удерживающая горизонтальная сила должна превышать действующую сдвигающую силу с коэффициентом запаса 1,2. При этом следует учитывать наиболее неблагоприятные значения коэффициентов надежности по нагрузке.

В.10 Расчет на устойчивость против прогрессирующего разрушения должен обеспечивать прочность и устойчивость конструктивной системы в целом при выходе из строя одного какого-либо элемента конструктивной системы (колонны, участка стены, участка перекрытия) и возможном последующем разрушении близлежащих элементов. Кроме того, в обоснованных случаях рассматривается расчетная ситуация с выходом из строя части основания под фундаментами (например, в случае образования карстовых провалов).

В.11 Расчет на устойчивость против прогрессирующего разрушения следует производить при действии нормативных вертикальных нагрузок с нормативными значениями сопротивления бетона и арматуры.

В.12 Оценку несущей способности и деформаций основания следует производить согласно соответствующим нормативным документам при действии усилий на основание, установленных при расчете конструктивной системы здания.

Методы расчета

В.13 Расчет конструктивных систем производят методами строительной механики. При этом в общем случае рекомендуется использовать метод конечных элементов.

В.14 Для оценки несущей способности перекрытий допускается использовать расчет методом предельного равновесия.

В.15 Расчет конструктивной системы методом конечных элементов производится как пространственной статически неопределимой системы.

В.16 Моделирование конструктивных систем производят с применением оболочечных, стержневых и (если это необходимо) объемных конечных элементов.

В.17 При создании пространственной модели конструктивной системы следует учитывать характер совместной работы стержневых, оболочечных и объемных конечных элементов, связанный с различным количеством степеней свободы для каждого из указанных элементов.

В.18 Деформативные свойства основания следует учитывать путем использования общепринятых расчетных моделей основания, применения различных типов конечных элементов или краевых условий с заданной податливостью, моделирования всего массива грунта под зданием из объемных конечных элементов, либо комплексно - с использованием всех вышеперечисленных методов.

В.19 На первой стадии расчета конструктивной системы допускается деформативность основания учитывать с помощью коэффициента постели, принимаемого по усредненным характеристикам грунтов.

В.20 При использовании свайных или свайно-плитных фундаментов сваи следует моделировать как железобетонные конструкции или учитывать их совместную работу с грунтом обобщенно, рассматривая основание как единое с приведенными коэффициентами постели.

В.21 При построении конечно-элементной расчетной модели размеры и конфигурацию конечных элементов следует задавать, исходя из возможностей применяемых конкретных расчетных программ, и принимать такими, чтобы была обеспечена необходимая точность определения усилий по длине колонн и по площади плит перекрытий, фундаментов и стен.

В.22 Жесткостные характеристики конечных элементов на первоначальной стадии расчета конструктивной системы, когда армирование конструкций еще не известно, следует определять по линейным деформационным характеристикам.

В.23 После определения арматуры в плитах перекрытий и покрытий следует произвести дополнительный расчет прогибов этих конструкций, принимая уточненные значения изгибных жесткостных характеристик плит с учетом армирования в двух направлениях.

В.24 Рекомендуется выполнить также дополнительный расчет конструктивной системы для более точной оценки изгибающих моментов в элементах перекрытий, покрытий и фундаментных плитах, а также продольных сил в стенах и колоннах с учетом нелинейных жесткостных характеристик конечных элементов.

В.25 Расчет конструктивных систем методом конечных элементов следует производить с использованием специальных сертифицированных в России компьютерных программ.

Для конструктивных систем зданий и сооружений класса КС-3, имеющих повышенный уровень ответственности по ГОСТ 27751, расчет необходимо выполнять не менее чем по двум различным компьютерным программам независимыми организациями.

(Измененная редакция, Изм. N 2).

В.26 Расчет несущей способности перекрытий методом предельного равновесия следует производить, принимая в качестве критерия равенство работ внешних нагрузок и внутренних сил на перемещениях в предельном равновесии плиты перекрытия с наиболее опасной схемой излома, характеризующей ее разрушение.

В.27 Расчет конструктивных систем зданий и сооружений класса КС-3, имеющих повышенный уровень ответственности по ГОСТ 27751, рекомендуется выполнять с учетом оценки конструктивной безопасности при научно-техническом сопровождении специализированных организаций.