Строительные конструкции

1. Метод расчета строительных конструкций по допускаемым напряжениям. Метод расчета строительных конструкций по разрушающим усилиям (нагрузкам)

Метод расчета прочности сечений изгибаемых элементов по допускаемым напряжениям исторически сформировался первым (1826 г); в нем за основу взята стадия II напряженно-деформированного состояния и приняты следующие допущения: 1) бетон растянутой зоны не работает, растягивающее напряжение воспринимается арматурой; 2) бетон сжатой зоны работает упруго, а зависимость между напряжением и деформациями линейная согласно закону Гука; 3) нормальные к продольной оси сечения плоские до изгиба остаются плоскими после изгиба, т. е. гипотеза плоских сечений.

Основные формулы - при растяжении, сжатии; - при изгибе; - при изгибе; , - предельное напряжение; - коэффициент запаса прочности, определяемый в зависимости от материала, из которого изготавливается конструкция.

Материалы подразделяются на

- хрупкие (хрупкий характер разрушения) бетон, ж/б, древесина - предел прочности (бетон, ж/б), (древесина);

- пластические (вязкий характер разрушения) сталь - предел текучести

Изменение коэффициента прочности учитывает тип конструкции и характер приложения нагрузки.

- предел нормального напряжения

- хрупкие - предел прочности;

- пластичные - предел текучести.

Основной недостаток метода расчета сечений по допускаемым напряжениям заключается в том, что бетон рассматривается как упругий материал. Действительное распределение напряжений в бетоне по сечению в стадии II не отвечает треугольной эпюре напряжений. Этот метод расчета не только не дает возможности спроектировать конструкцию с заранее заданным коэффициентом запаса, но и не позволяет определить истинные напряжения в материалах. В ряде случаев приводит к излишнему расходу материалов, требует установки арматур в бетоне сжатой зоны.

Особенно ярко выяснились недостатки метода при внедрении в практику новых видов бетона и арматурных сталей более высокой прочности.

Недостатки метода расчета по допускаемым напряжениям побудили советских ученых выполнению специальных исследований и разработке метода расчета, который лучше отвечал бы упругопластическим свойствам ж/б. Были разработаны новые нормы и технические условия проектирования ж/б конструкций, введенные в действие в 1938 году.

Метод расчета сечений по разрушающим усилиям исходит из стадии III напряжено-деформированного состояния при изгибе. Работа бетона растянутой зоны не учитывается. В расчетные формулы вместо допускаемых напряжений вводятся предел прочности бетона при сжатии и предел текучести арматуры.

В основу метода положен принцип предельного равновесия: в III стадии работы изгибаемого ж/б элемента разрушение элемента наступает от того, что одновременно напряжения в бетоне сжатой зоны достигает предела прочности и напряжения в растянутой арматуре достигают предела прочности.

Формулы, по которым производят расчет: , - внутреннее усилие, возникающее в элементе от внешней нагрузки; - разрушающее усилие, к- коэффициент запаса прочности.

Метод расчета по разрушающим усилиям, учитывающий упругопластические свойства ж/б, более правильно отражает действительную работу сечений конструкции под нагрузкой и является серьезным развитием в теории сопротивления ж/б. Большим преимуществом этого метода по сравнению с методом расчета по допускаемым напряжениям является возможность определения близкого к действительности общего коэффициента запаса прочности. При расчете по разрушающим усилиям в ряде случаев получается меньший расход арматурной стали по сравнению с расходом стали по методу допускаемых напряжений. Например, в изгибаемых элементах сжатая арматура по расчету обычно не требуется.

Недостаток метода расчета сечений по разрушающим усилиям заключается в том, что возможные отклонения фактических нагрузок и прочностных характеристик материалов от их расчетных значений не могут быть явно учтены при одном общем синтезирующем коэффициенте запаса прочности.

2. Метод расчета строительных конструкций по предельным состояниям (метод частных коэффициентов). Нагрузки в расчетах строительных конструкций (классификация нагрузок). Нормативные и расчетные нагрузки. Нормативные и расчетные сопротивления строительных материалов (бетона, арматуры, стали, древесины, пластмасс, фанеры). Система коэффициентов. Понятие предельного состояния. Две группы предельных состояний (I и II). Общий вид формул для I и II групп предельных состояний.

Метод расчета конструкций по предельным состояниям (1955 г) является дальнейшим развитием метода расчета по разрушающим усилиям. При расчете по этому методу четко устанавливаются предельные состояния конструкций и вводится система расчетных коэффициентов, гарантирующих конструкцию от наступления этих состояний при самых неблагоприятных сочетаниях нагрузок и при наименьших значениях прочностных характеристик материалов. Прочность сечений также определяется по стадии разрушения, но безопасность работы конструкции под нагрузкой оценивается не одним синтезирующим коэффициентом запаса, а системой расчетных коэффициентов. Конструкции, запроектированные и рассчитанные по методу предельного состояния, получаются несколько экономичнее.

Предельными считаются состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять предъявляемым к ним в процессе эксплуатации требованиям, т.е. теряют способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получают недопустимые перемещения или местные повреждения.

Под предельным понимают такое состояние конструкции, после достижения которого дальнейшая эксплуатация становится невозможной вследствие потери несущей способности или вследствие недопустимых перемещений и местных поврежедний.

Конструкции должны удовлетворять требованиям расчета по двум группам предельных состояний: по несущей способности – первая группа предельных состояний; по пригодности к нормальной эксплуатации – вторая группа предельных состояний.

Расчет по предельным состояниям первой группы выполняют чтобы предотвратить:

- хрупкое, вязкое или иного характера разрушение (расчет по прочности с учетом в необходимых случаях прогиба конструкции перед разрушением);

- потерю устойчивости формы конструкции (расчет на устойчивость тонкостенных конструкций) или ее положения (расчет на опрокидывание и скольжение подпорных стен, внецентренно нагруженных высоких фундаментов, расчет на всплытие заглубленных или подземных резервуаров;

- усталостное разрушение (расчет на выносливость конструкций, находящихся под воздействием многократно повторяющейся нагрузки подвижной или пульсирующей);

- разрушение от совместного воздействия силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды.

Расчет по предельным состояниям второй группы выполняют, чтобы предотвратить:

- образование чрезмерного или продолжительного раскрытия трещин (если по условиям эксплуатации образование или продолжительное раскрытие трещин допустимо);

- чрезмерные перемещения (прогибы, углы поворота, углы перекоса и амплитуды колебаний).

Расчет по предельным состояниям конструкции в целом, а также отдельных ее элементов или частей производится для всех этапов.

Нагрузки разделяются на вертикальные и горизонтальные. К вертикальным относят нагрузки от веса конструкций и временные (полезные) нагрузки.

С целью учет влияния длительности действия нагрузок различают постоянные и временные нагрузки. Под постоянными понимают нагрузки от собственного веса конструкций, давления грунтов, предварительного напряжения арматуры. Под временными понимают максимальные полезные нагрузки и нагрузки от атмосферных воздействий, а также другие нагрузки, действующие на элементы конструкций непостоянно.

В зависимости от продолжительности и характера действия различают длительные временные нагрузки, кратковременные и особые.

Под временными длительными нагрузками понимают нагрузки от стационарного оборудования и хранимых материалов, давления газов, жидкостей и сыпучих тел, типовые нагрузки на перекрытия в помещениях зданий, воздействия от усадки и ползучести бетона, температурные воздействия. Длительность действия нагрузки значительно снижает трещиностойкость и увеличивает деформации элементов.

Под кратковременными понимают нагрузки от деталей и людей, нагрузки на перекрытия жилых и общественных зданий, нагрузки от транспортных средств, подвесных и мостовых кранов, нагрузки, возникающие при изготовлении, транспортировании и монтаже конструкций, снеговые, ветровые и гололедные нагрузки за вычетом соответствующих длительных частей временных нагрузок.

К особым относят нагрузки от сейсмических и взрывных воздействий, воздействий, вызываемых резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправностью или поломкой оборудования, от воздействий, вызываемых неравномерной деформацией оснований.

Для многоэтажных зданий основной горизонтальной нагрузкой является действие ветра на их наружные стены. Она состоит из двух частей – статической и динамической.

Статическая составляющая представляет собой осредненный во времени скоростной напор ветра на здание.

Под нормативными понимают нагрузки, устанавливаемые нормами по заранее заданной вероятности превышения средних значений или по номинальным значениям.

Под расчетными понимают нагрузки, используемые в расчетах конструкций на прочность и устойчивость.

Конструкции должны быть рассчитаны на различные сочетания нагрузок или соответствующие им усилия. В зависимости от состава учитываемых нагрузок различают: основные сочетания, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок или усилий от них; особые сочетания, состоящие из постоянных, длительных кратковременных нагрузок или усилий от них; особые сочетания, состоящие из постоянных, длительных, возможных кратковременных и одной из особых нагрузок или усилий от них.

Рассматриваются две группы основных сочетаний нагрузок.

Система коэффициентов - коэффициент надежности по нагрузке, - коэффициент надежности по назначению; - коэффициент надежности по материалу; - коэффициент условий работы; - коэффициент однородности, - коэф длительности.

Формулы для расчета по I группе предельных состояний (мин несущая способность поперечного сечения).

Формулы для расчета по II группе предельных состояний

Области применения ж/б и каменных конструкций. Сущность ж/б и причины его успешного развития. Преимущества и недостатки ж/б как конструкционного материала.

Каменные конструкции применяют в качестве несущих конструкций для внецентренно сжатых элементов с ограниченным эксцентриситетом приложения внешних сил. Армокаменные конструкции расширяют область применения каменных конструкций, приближая их к ж/б. Каменные конструкции недостаточно совершенны для зданий и сооружений, подвергающихся динамическим воздействиям, для строительства в сейсмических районах, в условиях воздействия агрессивной среды, систематических технологических температур выше 100⁰С, в зонах вечной мерзлоты, просадочных и набухающих грунтов. Наряду с искусственными каменными материалами рекомендуется применять природные каменные материалы, выпиливаемые из массивов горных пород.

Каменные конструкции из штучных материалов продолжают занимать большой объем в современном строительстве. Развитие каменных конструкций идет по пути укрупнения штучных материалов и применения крупных каменных блоков и панелей.

Возникновение и развитие строительных конструкций, в том числе ж/б, неразрывно связано с условиями материальной жизни общества, развитием производительных сил и производственных отношений. Появление ж/б совпадает с периодом ускоренного роста промышленности, торговли и транспорта во второй половине XIX века, когда возникла потребность в строительстве большого числа фабрик, заводов, мостов, портов и других сооружений. Технические возможности производства ж/б к тому времени уже имелись – цементная промышленность и черная металлургия были достаточно развиты.

Период возникновения ж/б (1850-1885 г) характеризуется появлением первых конструкций из армированного бетона во Франции и США.

Ж/б конструкции широко используют в капитальном строительстве при воздействии при воздействии температур не выше 50⁰С и не ниже 70⁰С. В каждой отрасли промышленности и жилищно-гражданском строительстве имеются экономичные формы конструкций из сборного, монолитного или сборно-монолитного ж/б.

Во многих случаях конструкции из ж/б целесообразнее каменных или стальных.

Большое применение ж/б находит при устройстве набережных, тепло и гидроэлектрических станций, плотин шлюзов и других гидротехнических сооружений. Ж/б является незаменимым строительным материалом в санитарно-техническом и подземном строительстве. он в значительной степени вытеснил древесину и металл при горных разработках. На изготовление ж/б линейных конструкций расходуется в 2-3 раза, а на изготовление плит, настилов, труб в 10 раз меньше металла, чем на стальные конструкции.

Ж/б конструкции, особенно предварительно напряженные, получили массовое использование в строительстве и имеют широкую перспективу развития.

Причинами появления и успешного развития ж/б являются: 1) бетон хорошо работает на сжатие и плохо на растяжение. Арматура помогает бетону воспринимать растягивающие и другие усилия; 2) температурные деформации бетона и арматуры близки по величине. При изменении температуры конструкции не возникает высоких внутренних напряжений; 3) бетон надежно защищает сталь от коррозии за счет высокого рН; 4) исходными материалами для изготовления бетона и стали широко распространены в земной коре – они относительно дешевы; 5) из бетона могут быть изготовлены конструкции разных форм.

Ж/б называют комплексный строительный материал, в котором бетон и стальная арматура, соединенные взаимным сцеплением, работают под нагрузкой как единое цело монолитное тело. Ж/б можно рассматривать как комплексный армированный материал, обладающий анизотропией (т. е. зависимостью механических и деформативных свойств от направления действия внешних нагрузок), обусловленной армированием и нелинейностью деформирования, связанной с трещинообразованием, пластическими свойствами бетона и стали.

Как и любой другой искусственный или естественный каменный материал, бетон сопротивляется разрыву примерно в 15-20 раз слабее, чем сжатию. Кроме того, он является хрупким материалом.

Под ж/б конструкциями без предварительного напряжения понимают конструкции, в которых арматура уложена без предварительного натяжения. Практика эксплуатации таких конструкций показывает, что при ударных, вибрационных и особенно знакопеременных нагрузках происходит опасное раскрытие трещин, что снижает их несущую способность по выносливости. Основными недостатками ж/б конструкций без предварительного напряжения являются: 1) раннее образование трещин в растянутых зонах элементов вследствие слабого включения в работу арматуры в этот момент и быстрое их раскрытие до предельно допустимой величины; 2) быстрый рост прогибов элементов до предельной величины после образования трещин в их растянутой зоне; 3) невозможность использования для армирования высокоэффективных сталей повышенной и высокой прочности, позволяющих в несколько раз сократить расход стали в строительстве из-за быстрого раскрытия трещин и быстрого роста прогибов; 4) чрезмерная массивность из-за большого собственного веса; 5) недостаточная выносливость.

Под предварительно напряженными понимают ж/б конструкции, элементы, изделия, в которых предварительно, т. е. в процессе изготовления, искусственно созданы в соответствии с расчетом начальные напряжения растяжения в части или во всей рабочей арматуре и обжатие всего или части бетона.

Трещиностойкость предварительно напряженных конструкций в 2-3 раза больше трещиностойкости конструкций без предварительного напряжения.

Недостатки:

- предварительно напряженные конструкции характеризуются повышенной трудоемкостью проектирования и изготовления. Они требуют большей тщательности в расчете и конструировании;

- за счет применения материалов повышенной прочности масса предварительно напряженных конструкций оказывается значительно меньше массы ж/б конструкций без предварительного напряжения, однако она остается выше массы металлических и деревянных конструкций.

- большая тепло- и звукопроводность ж/б требует усложнения конструкции и дополнительного применения прокладок из тепло- и звукоизолирующих материалов;

- усиление предварительно напряженных конструкций не сложнее усиления ж/б конструкций, но значительно сложнее усиления стальных и особенно деревянных конструкций.

- предварительно напряженные конструкции несгораемы, но их огнестойкость ниже огнестойкости ж/б конструкций без предварительного напряжения. Это связано с тем, что критические температуры, до которых возможно безопасное нагревание предварительно напряженной арматуры, ниже по сравнению с ненапрягаемой арматурой.

- предварительно напряженные конструкции отличаются недостаточной коррозионной стойкостью.