UKR| RUS

Методы расчетов строительных конструкций



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:
σ [σ]
 
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, Λполучает 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.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:

Линия горячего цинкования

Горячее цинкование


Технологическое оборудование

Оборудование для организации цехов горячего цинкования.


Узнайте больше
"Горячее цинкование"

Линия сварки опор Ø2900

Сварочная машина опор Ø2900

Роботизированная резка люка

Роботизированная резка люка

Линия бесшовных опор

Линия бесшовных опор

Динамическая балансировка роторов в собственных опорах

Уравновешивание роторов, снижение вибрационной нагруженности опор, упреждение преждевременного износа оборудования

Организация технического обслуживания

Проверка на технологическую точность

Последствия несвоевременной балансировки

POWERED BY Web Hosting AvaHost