Содержание
Расчет строительных металлоконструкций при проектировании
При проектировании строительных конструкций до
настоящего времени применялись два основных метода расчета. С конца
девятнадцатого до пятидесятых-шестидесятых годов двадцатого века использовался
метод допускаемых напряжений. Оставляя в стороне деформационные расчеты, суть
метода заключается в следующем:
где
|
σ - максимальное усилие в
конструкции или ее элементе на всех стадиях реализации, определяемое методами
строительной механики от действия внешних воздействий; при этом понятие
"нагрузка" четкого определения не имела;
|
|
[σ] - максимальное напряжение,
которое способен выдержать материал и определяемое по формуле:
|
[σ]=σт/kз
где
|
σт - некая средняя величина,
принимаемая для стали равной 2100 кг/см2; при этом сталь не
дифференцировалась по прочностным характеристикам. При проектировании в расчет
принимались способы изготовления стали и некоторые другие характеристики как
качественные параметры;
|
|
kз - коэффициент запаса
прочности, принимаемый в зависимости от степени ответственности сооружения и
для подавляющего большинства конструкций равный 1,36. Как правило, [σ] принималось равным 1600 кг/см2
практически для любых конструкций, кроме особо ответственных.
|
Данная методика явилась шагом вперед по сравнению с несистематизированными
расчетами конструкций вследствие своей простоты и достаточной эффективности при проектировании металлических конструкций, условия, эксплуатации которых не принимались во
внимание.
С развитием строительных конструкций такая методика, уравнивающая
конструкции от весьма тяжелых условий до легкого режима одним коэффициентом,
стала тормозом дальнейшего развития, как конструктивных форм, так и материалов
строительных конструкций. На смену ей в 50-х. годах пришел метод предельных
состояний сущность, которой в первом предельном состоянии определяется
неравенством:
N ≤ Ф
где
|
N - расчетное усилие в
конструкции или ее элементе от суммы воздействия расчетных нагрузок в
наиболее невыгодной комбинации;
|
|
Ф - несущая способность, т.е.
максимальное усилие, которое способно выдержать конструкция или ее элемент.
|
Фундаментальным в методике
расчета по предельным состояниям является понятие о нормативных и расчетных
величинах. При вычислении N
основным является определение расчетной нагрузки F:
F = Fn×ϒf
где
|
Fn - нормативная нагрузка,
зафиксированная в нормах и носящая вероятностный характер без учета
конкретных условий эксплуатации;
Fn отражает представления о возможных классах явлений и является гарантированной
величиной с той или иной вероятностью не превышения;
|
|
ϒf - коэффициент надежности по
нагрузке, отражающий возможные неблагоприятные отклонения, обусловленные
вероятностным характером нормативной нагрузки
|
При вычислении Ф вводится нормативное сопротивление Rn, определяемое по
результатам испытаний образцов металла на металлургических заводах. В процессе
испытаний находятся предел текучести σт и временное сопротивление
разрыву σв; соответствующей статистической обработкой
определяются значения Ryn по σт и Run по σв. Расчетные сопротивления вычисляются:
R =
Rn×/ ϒm
где
|
ϒm - коэффициент безопасности
по материалу, учитывающий неопределенности свойств материала и геометрических
характеристик проката.
|
В развернутом виде формулу можно записать как
N( Σ Fni ϒfi ψi / ϒn, Λ, Ω ) ≤ R n / ϒm Ф( Ω, Λ )ϒc
где
|
N( ) - функция перехода от внешних
воздействий и геометрии конструкции к внутренним усилиям, обычно для этого
используются упрощенные методы расчета в линейной постановке;
|
|
Λ - характеристики,
описывающие общую геометрию конструкций по значениям, указанным в рабочих
чертежах;
|
|
Ω - номинальные геометрические
характеристики сечений, которые определяются на основании расчета или берутся
из сортамента;
|
|
ψ - коэффициент сочетания
нагрузок при наличии двух и более временных нагрузок
|
|
Ф(
) - функция перехода от
геометрических характеристик к несущей способности;
для большинства расчетов
на прочность и устойчивость Ф ( Ω, Λ ) = Ω;
более сложные зависимости при проверках
устойчивости положения, общей устойчивости конструкции и некоторых других;
|
|
ϒc - коэффициент условий
работы, учитывающий степень важности конструкции или ее элемента, условности
расчетной схемы и другие особенности работы.
|
Расчет эксплуатируемых конструкций
Применение предыдущей формулы для
существующих металлических конструкций при условии, что конструкции были запроектированы без
неоправданных запасов, практически означает невыполнение неравенства, так как в
процессе эксплуатации Ω – снижается в результате
физического износа, Λ – получает
различные отклонения от проекта, прочностные характеристики снижаются и т.д.
Кроме того, при реконструкции возможно ухудшение условий эксплуатации конструкций зданий и сооружений (повышение эксплуатационных нагрузок, изменение агрессивности среды
и др.). Следует также отметить изменение норм с течением времени, зачастую в
сторону ужесточения требований к напряженному состоянию конструкций. В то же
время опыт эксплуатации позволяет говорить о безаварийной эксплуатации
конструкций в течении 50…100 лет. По всей видимости формула, для условий эксплуатации
должна быть записана в виде
Nэ≤ Фэ ≤ Ф
где
|
Nэ - максимальное усилие в
конкретной конструкции или ее элементе, обусловленное условиями эксплуатации
и отличающееся от проектного в большую или меньшую сторону;
|
|
Фэ - фактическая несущая
способность конструкции на данный период эксплуатации.
|
Реализация формулы позволяет
перейти от полувероятностных методов при проектировании новых конструкций к
детерминистически-стохастическим моделям, учитывающим конкретные состояния
конструкции (дефекты, повреждения, геометрия конструкций), расчетные
характеристики материалов, эксплуатационные нагрузки. Опыт проверочных расчетов
показывает, что представляется возможным уменьшить, иногда значительно,
величины нагрузок, по сравнению с расчетной нагрузкой, повысить расчетное сопротивление,
применить расчетную схему конструкций, соответствующую фактической работе и
способствующую уточнению расчетных усилий. Наибольшие резервы могут быть
выявлены при рассмотрении конструкций, запроектированных по методу допускаемых
напряжений, так как kз в сочетании с заниженным
пределом текучести для сталей в условиях тяжелого и легкого режима работ
создавали различные запасы прочности.
Учет фактической технологии производственных процессов позволяет
снизить крановые нагрузки до 40 %. Исследования атмосферных воздействий, с
учетом условий конкретной конфигурации и расположения объектов в большинстве
случаев дает возможность снизить ветровую и снеговую нагрузки на 5…25 %.
Расчетная схема может быть уточнена путем включения в работу поперечных рам
продольных элементов каркаса (диска кровли, горизонтальной продольной связи шатра,
тормозных конструкций и т.д.), поперечных элементов (торцевой фахверк),
включение в работу фонарей, учет поворотов фундаментов и т.д.
С учетом вышесказанного
формулу можно записать в развернутом виде
Ne(Σ Feni ϒefi ψei / ϒn, Λe, Ωe ) ≤ Rm / ϒm Ф( Ωe, Λe ) ϒc
где
|
Nе( ) - функция перехода от
внешних воздействий и геометрии конструкции к внутренним усилиям при
проверочных расчетах;
|
|
Λе, Ωе - геометрические
характеристики конструкций, которые определяются на основании натурных
обследований;
|
|
Fen - уточненная нормативная
нагрузка;
|
|
ϒef - коэффициент надежности по
уточненной нагрузке;
|
|
ψe - уточненный коэффициент
сочетаний нагрузок;
|
|
Rm - расчетное сопротивление
стали по пределу текучести, установленное на основании уточнения характеристик
материала
|
Сохранение методики расчета по предельным состояниям
для существующих конструкций требует применения фундаментальных понятий
нормативных и расчетных величин. Для существующих конструкций меняется
содержание нормативных величин и расчетных коэффициентов.
Нагрузки и воздействия. В отличие от
проектирования новых конструкций, уточнение нагрузок для существующих
определяется информацией о технологическом процессе (технологические карты,
план расстановки оборудования, характеристики оборудования и т.д.), о положении
здания и сооружения в условиях конкретной застройки, индивидуальными
особенностями внешних и внутренних воздействий и т.д. Определенная таким
образом нагрузка Fen может быть приравнена к нормативной. Коэффициенты надежности по
нагрузке должны определяться анализом информации о нагрузках. При этом могут
быть применены вероятностные информационные модели. Однако, для использования
различных вероятностных моделей требуется значительное количество статистических
данных. В настоящее время для конкретных сооружений такие данные отсутствуют.
Поэтому на данном этапе, при решении конкретных задач коэффициент ϒef может быть определен анализом характера нагрузок и
возможностей неблагоприятных отклонений.
Характеристики материалов. Уточнение свойств металла
существующих конструкций и их соединений производится для решения следующих
задач:
1. Назначение расчетных
значений сопротивлений Rm .
2. Проверка служебных свойств
стали – хладостойкости, сопротивления усталостному разрушению и др.
3. Получение информации о
технологических свойствах стали – свариваемости, возможности обработки резанием
и др.
Фактические характеристики свойств стали
определяются на основании исследования металла существующих конструкций прямыми
или косвенными методами. Путем обработки данных статистическими методами,
определенными в нормах, получают нормативные значения. Назначение расчетных
характеристик может производиться по формулам СНиП II-23-81* введением коэффициентаϒm.
Геометрические характеристики можно разделить на две группы:
1. Геометрические
характеристики сечений элементов конструкций. Фактические геометрические
характеристики сечений определяются путем натурных обмеров существующих
конструкций. Вводимые в расчет характеристики Ωе должны определяться на основе статистической
обработки экспериментальных данных для заданного уровня достоверности.
2. Геометрические схемы
конструкций или сооружения в целом. Геометрические схемы сооружения
определяются геодезическими методами и, в зависимости от конструктивной формы,
в расчет вводятся средние значения или максимальные отклонения (Λе).
Особой проблемой расчета существующих конструкций, особенно
опоры ЛЭП,
порталы ОРУ и
опоры освещения
является учет дефектов и повреждений. В зависимости от вида повреждения учет
может вестись путем изменения геометрических характеристик
Ωе и геометрических схем (
Λе) для повреждений, имеющих
количественные характеристики и для которых имеются способы введения в расчет
усилий или в проверочные формулы.
Способы определения усилий (Nе). При оценке
напряженно-деформированного состояния существующих конструкций следует
применять более точные способы расчета, позволяющие выявить резервы несущей
способности конструкций. К таким способам следует отнести МКЭ, с учетом
физической и геометрической нелинейности. При этом должна быть использована
уточненная расчетная схема с учетом пространственности, нелинейных эффектов и
т.д.
Коэффициент условий работы. При проектировании новых
конструкций ϒc учитывает несоответствие
расчетных схем и реальной работы конструкций. Для существующих конструкций
необходимо учитывать несоответствие принятой при проектировании расчетной схемы
реальным состояниям геометрических элементов, сопряжений и т.д. Часть этих
вопросов снимается при применении уточненных способов расчета конструкций.
Однако полностью это не решает указанную проблему. Достаточно полных
статистических данных для ее решения нет, и в настоящий момент может быть
рекомендованы величины, приводимые в СНиП, а также, в некоторых случаях,
экспертное назначение величины ϒc.