3. Основы расчета металлических конструкций по предельным состояниям

Расчет конструкций состоит из двух этапов:

1. Статический и динамический расчеты: определение усилий и напряжений по заданной схеме и нагрузкам..

2. Конструктивный расчет: по найденным усилиям или напряжениям подбираются размеры конструкции и ее элементов.

Металлические конструкции рассчитываются на нагрузки и воздействия по методу предельных состояний. Предельным состоянием называется такое состояние конструкции, после достижения которого конструкция перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям или требованиям производства работ.

Потери эксплуатационной способности могут быть:

• необратимыми, при которых восстановление эксплуатационной способности невозможно без ремонта. Причинами могут быть следующие: потеря прочности, потеря устойчивости формы или положения, чрезмерные остаточные деформации или колебания;

• обратимыми, при которых после удаления вызвавшего их воздействия эксплуатационная способность восстанавливается. Причинами могут быть в основном упругие перемещения и прогибы.

В расчетах конструкций и оснований учитывают две группы предельных состояний:

первая – по потере несущей способности или непригодности к эксплуатации. К ней относятся: общая потеря устойчивости формы; потеря устойчивости положения; разрушения любого характера; переход в изменяемую систему; чрезмерные остаточные деформации и колебания. Наступление этого состояния приводит к необратимой потере эксплуатационной способности, поэтому оно не допустимо в течение срока службы сооружения;

вторая – по непригодности к нормальной эксплуатации, то есть эксплуатации, осуществляемой без ограничений и внеочередного ремонта в соответствии с предусмотренными в нормах или заданиях на проектирование условиями. Сюда относят: недопустимые деформации конструкций в результате прогиба, осадок, углов поворота, колебаний конструкций, образование или раскрытие трещин (появление трещин в металлоконструкциях недопустимо).

Расчет конструкций должен гарантировать их от возможности наступления каждого из предельных состояний, причем для обеспечения эксплуатации сооружения силовые факторы, действующие на конструкцию, не должны достигать граничных величин, возможности эксплуатации. Это условие для первой группы предельных состояний может быть записано в виде:

N_max  Ф_min ,

где N_max – максимальное вероятностное усилие в элементе конструкции в течение срока службы сооружения, которое зависит от схемы сооружения, значения нагрузки и коэффициентов перегрузки на конструкцию:

;

где – усилие в элементе при нагрузке на конструкцию ;

– коэффициент надежности по нагрузке;

– коэффициент надежности по назначению;

– коэффициент сочетаний;

– нормативная величина нагрузки, отвечающая условиям нормальной эксплуатации;

Ф_min – минимальное вероятностное усилие сопротивления, которое может обеспечить рассматриваемый элемент. Зависит от свойств материала, условий работы и геометрического фактора:

;

где А – геометрический фактор (площадь, момент сопротивления и т.д.);

– нормативное сопротивление по пределу текучести или временному сопротивлению , устанавливаемому стандартом на поставку металла с учетом статической изменчивости;

– коэффициент надежности по материалу. Он учитывает возможность снижения фактического значения напряжения по сравнению с гарантированным государственным стандартом;

– коэффициент условий работы.

Таким образом, первое предельное условие в развернутом виде будет выглядеть так:

.

Для второй группы предельных состояний предельное условие может быть записано в виде:

_n  _пред ,

где _n – перемещение от нормативной нагрузки, определяется расчетом по правилам строительной механики без учета коэффициента надежности по нагрузке;

_пред – предельно допустимое перемещение задается в нормах по нагрузкам в зависимости от вида конструкций. Например, для однопролетной балки, нагруженной сплошной равномерно распределенной нагрузкой имеем:

: для подкрановых балок ; для балок перекрытия .
			l
	Рис. 8. Однопролетная балка, нагруженная равномерно распределенной нагрузкой к определению прогиба