Методи розрахунків будівельних конструкцій

При проектуванні будівельних конструкцій до теперішнього часу застосовувалися два основні методи розрахунків. З кінця дев'ятнадцятого до п'ятдесятих-шістдесятих років двадцятого століття використовувався метод напруг, що допускаються. Залишаючи осторонь деформаційні розрахунки, суть методу полягає в наступному:

[σ]=σ_т/k_з

Дана методика з'явилася кроком уперед у порівнянні з несистематизованими розрахунками конструкцій внаслідок своєї простоти й достатньої ефективності при проектуванні металевих конструкцій, умови, експлуатації яких не ухвалювалися в увага. 

З розвитком будівельних конструкцій така методика, що зрівнює конструкції від досить тяжких умов до легкого режиму одним коефіцієнтом, стала гальмом подальшого розвитку, як конструктивних форм, так і матеріалів будівельних конструкцій. На зміну їй в 50-х. роках прийшов метод граничних станів сутність, якої в першому граничному стані визначається нерівністю:

N ≤ Ф

Фундаментальним у методиці розрахунків по граничних станах є поняття про нормативні й розрахункові величинах. При обчисленні N основним є визначення розрахункового навантаження F:

F = F_n×ϒ_f

При обчисленні Ф уводиться нормативний опір R_n, обумовлене по результатам випробувань зразків металу на металургійних заводах. У процесі випробувань перебувають границя текучості σ_т і тимчасовий опір розриву σ_в; відповідної статистичною обробкою визначаються значення R_yn по σ_т і R_un по σ_в. Розрахункові опори обчислюються:

R = R_n×/ ϒ_m

У розгорнутому виді формулу можна записати як

N( Σ F_ni ϒ_fi ψ_i / ϒ_n, Λ, Ω ) ≤ R _n / ϒ_m Ф( Ω, Λ )ϒ_c

Застосування попередньої формули для існуючих металевих конструкцій за умови, що конструкції були запроектовані без невиправданих запасів, практично означає невиконання нерівності, тому що в процесі експлуатації Ω – знижується в результаті фізичного зношування, Λ – одержує різні відхилення від проекту, міцністьні характеристики знижуються і т.д. Крім того, при реконструкції можливе погіршення умов експлуатації конструкцій будинків і споруджень (підвищення експлуатаційних навантажень, зміна агресивності середовища і ін.). Слід також зазначити зміна норм із часом, найчастіше в сторону жорсткості вимог до напруженого стану конструкцій. У те ж час досвід експлуатації дозволяє говорити про безаварійну експлуатацію конструкцій у плині 50…100 років. По всій видимості формула, для умов експлуатації повинна бути записана у вигляді

N_э≤ Ф_э ≤ Ф

Реалізація формули дозволяє перейти від напівімовірнісних методів при проектуванні нових конструкцій до детерміністическі-стохастическим моделям, що враховують конкретні стани конструкції (дефекти, ушкодження, геометрія конструкцій), розрахункові характеристики матеріалів, експлуатаційні навантаження. Досвід перевірочних розрахунків показує, що представляється можливим зменшити, іноді значно, величини навантажень, у порівнянні з розрахунковим навантаженням, підвищити розрахунковий опір, застосувати розрахункову схему конструкцій, відповідну до фактичної роботи й сприятливу уточненню розрахункових зусиль. Найбільші резерви можуть бути виявлені при розгляді конструкцій, запроектованих по методу, що допускаються напруг, тому що k_з у комбінації із заниженим границею текучості для сталей в умовах важкого й легкого режиму робіт створювали різні запаси міцності.

Облік фактичної технології виробничих процесів дозволяє знизити кранові навантаження до 40 %. Дослідження атмосферних впливів, з обліком умов конкретної конфігурації й розташування об'єктів у більшості випадків дає можливість знизити вітрове й снігове навантаження на 5…25 %. Розрахункова схема може бути уточнена шляхом включення в роботу поперечних рам поздовжніх елементів каркаса (диска покрівлі, горизонтальному поздовжньому зв'язку намету, гальмових конструкцій і т.д.), поперечних елементів (торцевий фахверк), включення в роботу ліхтарів, облік поворотів фундаментів і т.д.

З обліком вищесказаного формулу можна записати в розгорнутому виді

N_e(Σ F_eni ϒ_efi ψ_ei / ϒ_n, Λ_e, Ω_e ) ≤ R_m / ϒ_m Ф( Ω_e, Λ_e ) ϒ_c

Збереження методики розрахунків по граничних станах для існуючих конструкцій вимагає застосування фундаментальних понять нормативних і розрахункових величин. Для існуючих конструкцій міняється зміст нормативних величин і розрахункових коефіцієнтів.

Навантаження й впливу На відміну від проектування нових конструкцій, уточнення навантажень для існуючих визначається інформацією про технологічний процес (технологічні карти, план розміщення встаткування, характеристики встаткування і т.д.), про положення будинку й спорудження в умовах конкретної забудови, індивідуальними особливостями зовнішніх і внутрішніх впливів і т.д. Певна таким образом навантаження F_en може бути прирівняна до нормативної. Коефіцієнти надійності по навантаженню повинні визначатися аналізом інформації про навантаження. При цьому можуть бути застосовані імовірнісні інформаційні моделі. Однак, для використання різних імовірнісних моделей потрібне значна кількість статистичних даних. У цей час для конкретних споруджень такі дані відсутні. Тому на даному етапі, при розв'язку конкретних завдань коефіцієнт ϒ_ef може бути визначений аналізом характеру навантажень і можливостей несприятливих відхилень.

Характеристики матеріалів Уточнення властивостей металу існуючих конструкцій і їх з'єднань проводиться для розв'язку наступних завдань:

1. Призначення розрахункових значень опорів R_m .

2. Перевірка службових властивостей сталі – холодостійкості, опору втомному руйнуванню й ін.

3. Одержання інформації про технологічних властивостях стали – зварюваності, можливості обробки різанням і ін.

Фактичні характеристики властивостей стали визначаються на підставі дослідження металу існуючих конструкцій прямими або непрямими методами. Шляхом обробки даних статистичними методами, певними в нормах, одержують нормативні значення. Призначення розрахункових характеристик може проводитися по формулах Снип II-23-81* уведенням коефіцієнтаϒ_m.

1. Геометричні характеристики перетинів елементів конструкцій. Фактичні геометричні характеристики перетинів визначаються шляхом натурних обмірювань існуючих конструкцій. характеристики, що вводяться в розрахунки, Ω_е повинні визначатися на основі статистичної обробки експериментальних даних для заданого рівня вірогідності.

2. Геометричні схеми конструкцій або спорудження в цілому. Геометричні схеми спорудження визначаються геодезичними методами й, залежно від конструктивної форми, у розрахунки вводяться середні значення або максимальні відхилення (Λ_е).

Особливою проблемою розрахунків існуючих конструкцій, особливо опори ЛЕП, портали ВРП та опори освітлення, є облік дефектів і ушкоджень. Залежно від виду ушкодження облік може вестися шляхом зміни геометричних характеристик Ω_е і геометричних схем (Λ_е) для ушкоджень, що мають кількісні характеристики й для яких є способи введення в розрахунки зусиль або в перевірочні формули.

Способи визначення зусиль (N_е). При оцінці напружено-деформованого стану існуючих конструкцій випливає застосовувати більш точні способи розрахунків, що дозволяють виявити резерви несучої здатності конструкцій. До таких способів слід віднести МКЭ, з обліком фізичної й геометричної нелінійності. При цьому повинна бути використана уточнена розрахункова схема з урахуванням просторовості, нелінійних ефектів і т.буд.

Коефіцієнт умов роботи При проектуванні нових конструкцій ϒ_c ураховує невідповідність розрахункових схем і реальної роботи конструкцій. Для існуючих конструкцій необхідно враховувати невідповідність прийнятої при проектуванні розрахункової схеми реальним станам геометричних елементів, сполучень і т.д. Частина цих питань знімається при застосуванні уточнених способів розрахунків конструкцій. Однак повністю це не вирішує зазначену проблему. Досить повних статистичних даних для її розв'язку ні, і в даний момент може бути рекомендовані величини, що приводяться в СНІП, а також, у деяких випадках, експертне призначення величини ϒ_c.