Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
А. Г. Черных, В. Е. Бызов
Краткий курс лекций
«Международная нормативная база
проектирования (Еврокоды)»
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2013
УДК 624.01:674.028.9.63
Рецензенты: д-р техн. наук А. Я. Найчук ( филиал РУП «Институт БелНИИС» - Научно-технический центр, г. Брест; канд. техн. наук, доцент
Л. П. Каратеев (СПб ГАСУ)
Черных, А. Г.
Краткий курс лекций «Международная нормативная база проектирования (Еврокоды)»/ А. Г.Черных, В. Е. Бызов; СПбГАСУ. СПб., 2013. – с.
ISBN
Составлено в соответствии с учебным планом по направлению подготовки 270800 – строительство и магистерской программе «Теория и проектирования конструкций из дерева и пластмасс».
Предназначено для магистров II курса дневной формы обучения. Даёт возможность познакомиться с методами проектирования строительных конструкций по европейским нормам. Особое внимание обращено на принципы проектирования деревянных конструкций по европейским нормам EN 1995 Еврокод 5 «Деревянные конструкции. Проектирование, расчёты, параметры»
Табл. 12. Ил. 19. Библиогр.: 28 назв.
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия.
ISBN
А. Г.Черных, В. Е. Бызов, 2013
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2013
Оглавление
Список сокращений и определений ………………………………. 5
Часть I. Проектирование и расчёт строительных
КОНСТРУКЦИЙ ПО РОССИЙСКИМ И ЕВРОПЕЙСКИМ НОРМАМ
Лекция 1. Основы расчёта строительных конструкций по отечественным
нормам ………………………………………………………………. 6
Лекция 2. Реализация программы Еврокодов. Основные положения
расчёта по международным европейским техническим нормам … 9
Лекция 3. Основы проектирования по европейскому стандарту
EN 1990:2011 «Основы строительного проектирования» ………. 15
Лекция 4. Принципы проектирования деревянных конструкций по предельным состояниям несущей способности в соответствии с требованиями европейских стандартов ………………………………. 20
Лекция 5. Принципы проектирования деревянных конструкций по предельным состояниям эксплуатационной пригодности в соответствии с требованиями европейских стандартов ……………………... 22
Лекция 6. Принципы проектирования принятые в европейских нормах ... 25
ЧАСТЬ II. РАСЧЁТ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Лекция 7. Расчёт несущей способности элементов деревянных конструкций нагруженных в одном основном направлении или комбинированном нагружении ……………………………………………….. 31
Раздел 7.1. Расчёт поперечных сечений, испытывающих напряжения
в одномосновном направлении …………………………………… 31
Раздел 7.2. Расчёт поперечных сечений элементов деревянных конструкций при комбинированном нагружении ……………………….. 35
Лекция 8. Устойчивость элементов в конструкциях ………………… 36
Раздел 8.1. Колонны, испытывающие сжатие или сжатие с изгибом … 37
Раздел 8.2. Балки, испытывающие изгиб или сжатие с изгибом …………… 38
Лекция 9. Расчёт поперечных сечений с варьируемыми поперечными сечени-
ями или криволинейным очертанием ………………………………………… 40
Раздел 9.1. Односкатные балки ……………………………………………….. 40
Раздел 9.2. Двухскатные, криволинейные балки и балки большой кривизны 41
Лекция 10. Соединения на металлических крепёжных деталях ……………. 44
Раздел 10.1. Несущая способность на сдвиг соединений на металлических
нагелях ………48
Раздел 10.2. Соединения на гвоздях …………………………………………... 49
Раздел 10.3. Соединения на скобах ……………………………………………. 54
Раздел 10.4. Болтовые соединения …………………………………………….. 56
Раздел 10.5. Винтовые соединения …………………………………………….. 58
Лекция 11. Сопоставление российских и европейских норм проектирования.
Создание гармонизированных систем технического регулирования в строи-
тельстве …………………………………………………………………………… 59
Список литературы ……………………………………………………………… 66
Список сокращений и определений
Building Acts – законы о строительстве
Building Regulations – технические регламенты в строительстве
BS (British Standard) – Британский стандарт
BSI(British Standard Institution) – Британский институт стандартов
CE marking – маркировка СЕ, наносимая на продукцию, упаковку, сопроводительные документы и означающая, что данная продукция удовлетворяет существенным требованиям директивы
CEN (Comite European de Normalization) – Европейский комитет по стандартизации, СЕН
Codes of Practice – Своды правил
CPD (Construction Products Directive) – директива по строительной продукции
DAV (Date of Availability) – дата окончания разработки стандарта Европейскимкомитетом по стандартизации – дата основания для вступления стандарта в законную силу в странах ЕС
DIN (Deutsche Indastrie Norm) – Германский промышленный стандарт
EEA(European Econimic Area) – Европейское экономическое пространство
EEC (European Econimic Community) – Европейское экономическое сообщество, ЕЭС
EN (Euro norm) – Европейский нормативно-технический документ
Eurocodes – Еврокоды (европейские стандарты по проектированию зданий и сооружений)
EU (Eurorean Union) – Европейский союз, ЕС
hEN (harmonizedEuropeanStandard) – гармонизированный европейский стандарт
ISO (International Organization for Standardization) – международная организация по стандартизации, ИСО
Mandate – мандат – документированное поручение на разработку стандарта, направляется Европейской комиссией в СЕН
Member State – государство–участник, государство-член ЕС
NDP(Nationally Determined Parameter) – параметры, установленные государством исходя из национальных традиций, образа мышления, национального опыта проектирования, физико-географический условий и т. д. (относительно шести существенных требований директивы по строительной продукции)
NSB (National Standards Body) – национальный орган по стандартизации
ODPM (Office of the Deputy Prim Minister) – кабинет заместителя премьер-министра
Часть I. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЁТ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПО РОССИЙСКИМ И ЕВРОПЕЙСКИМ НОРМАМ
Лекция 1. Основы расчёта строительных конструкций по отечественным нормам. Концепция методов расчёта деревянных конструкций. Полувероятностный подход к оценке предельных состояний конструкций. Система коэффициентов надёжности
Существующая в настоящее время в России и применяемая на практике нормативно-техническая база проектирования в строительной отрасли была создана в дореформенный период. Она действовала как инструмент единой государственной политики реализации научно-технического прогресса в строительстве. СНиП разрабатывались ведущими научно-исследовательскими институтами страны с широким привлечением проектных и производственных организаций. Появляющиеся в процессе создания документов идеи проходили экспериментальную проверку путём проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.
Работы по созданию действующих на данный момент СНиП были выполнены на протяжении примерно сорока последних лет. Из разработанных в тот период документов самый ранний датирован 1975 годом, а самый новый – 2003 годом.
В 2002 году в России был принят Федеральный закон «О техническом регулировании». После его принятия в сфере нормирования и стандартизации осталось три вида нормативных документов, действующих в народном хозяйстве: технический регламент, национальный стандарт и стандарт организации. При этом основные документы технического регулирования в строительстве – строительные нормы проектирования (СНиП) остались за рамками установленной системы документов. Однако обязательность исполнения требований СНиП в части обеспечения безопасности строительных работ подтверждалась положением статьи 46 этого же закона.
В 2007 году были приняты поправки в ФЗ «О техническом регулировании», вступление в действие которых добавило к упомянутым трём документам своды правил, разработка и утверждение которых поручалась отраслевым органам исполнительной власти. Введение сводов правил не означало официального восстановления легитимности СНиП как документов в области стандартизации. В 2008 году вышло Постановление Правительства Российской Федерации от 19.11.2008 № 858 «О порядке разработки и утверждения сводов правил». Это Постановление закрепило за сводами правил статус независимых документов не связанных со СНиП или ГОСТ. И только принятый в конце 2009 года Закон Российской Федерации №384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений»придал СНиП статус свода правил в новом понимании, что означало включение их в общенациональную систему стандартизации. Тогда же появилась возможность утверждения сводов правил в новом статусе и рамках нового законодательства на уровне Министерства регионального развития Российской Федерации.
Существующая нормативная база России доказала свою надёжность и получила международное признание. Она обеспечивает надёжность и безопасность строящихся и эксплуатируемых строительных объектов. Все строительные конструкции в нашей стране рассчитываются и проектируются по российской системе нормативных документов (СНиП), а применяемые в строительстве материалы соответствуют требованиями государственных или отраслевых стандартов.
Деревянные конструкции рассчитываются и проектируются в соответствие с требованиями свода правил СП.64.13330.2011 «Деревянные конструкции. Актуализованная редакция СНиП II-25–80». Эта актуализированная редакция СНиП разработанного в 80-е годы прошлого века Центральным научно-исследовательским институтом строительных конструкций (ЦНИИСК им. В. А.Кучеренко). Все деревянные строительные конструкции, как из массивной, так и клеёной древесины, эксплуатируемые в нашей стране, спроектированы в соответствии с требованиями указанных строительных норм.
В основу этого свода правил, как и другой нормативно-технической документации проектирования применяемой в строительстве, положен метод расчёта конструкций по предельным состояниям. Метод расчёта по предельным состояниям разработан в нашей стране в 50-е годы профессором Н. С. Стрелецким и введён в строительные нормы в 80-х годах прошлого века, до того как он был принят в Еврокодах. Целью метода является не допускать с определённой обеспеченностью наступления предельных состояний при эксплуатации в течение всего заданного срока службы конструкции здания или сооружения, а также при производстве работ. Целью расчёта строительных конструкций с использованием этого метода является обеспечение заданных условий эксплуатации и необходимой прочности при минимальном расходе материалов и затратах труда на изготовление и монтаж.
Нормами на проектирование деревянных конструкций рассматриваются две группы предельного состояния. Первая группа– по потере несущей способности и полной непригодности к эксплуатации конструкции. Вторая группа – по затруднению нормальной эксплуатации сооружений. К предельным состояниям первой группы относятся: общая потеря устойчивости формы; потеря устойчивости положения; разрушение любого характера; переход конструкции в изменяемую систему; качественное изменение конфигурации; сдвигов в соединениях, ползучести, недопустимых остаточных или полных перемещений или чрезмерного открытия трещин. К предельным состояниям второй группы относятся состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию или снижающие долговечность вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота, колебаний, трещин и т. п.).
Работы российских исследователей Н. С. Стрелецкого, А. Р. Ржаницына, В. В. Болотина позволили внедрить в нашей стране впервые в мировой практике полувероятностный метод расчёта инженерных конструкций по предельным состояниям. Расчёт базируется на неравенстве:
А В,
где А – возможное наибольшее усилие элемента; В – возможная наименьшая прочность элемента.
Согласно этому методу, расчёт ведётся путём сравнения максимального (с заданной вероятностью) усилия в конструкции с минимальным (с заданной вероятностью) значением её несущей способности. Принятая методика с некоторыми изменениями используется до настоящего времени и позволяет оценить раздельно влияние случайного характера прочностных свойств материала и нагрузки. Аналогичные полувероятностные методы расчёта введены в большинстве стан мира.
Закон Российской Федерации №384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» ввёл понятие механической безопасности здания и сооружения, а именно недопущение «угрозы причинения вреда жизни и здоровью людей, имуществу физических или юридических лиц, государственному или муниципальному имуществу, окружающей среде, жизни и здоровью животных и растений». Одной из мер обеспечения механической безопасности зданий и сооружений является использование в проектировании несущих зданий и сооружений системы коэффициентов надёжности.
Система коэффициентов надёжности состоит из трёх составляющих:
Коэффициент надёжности по нагрузке (коэффициент перегрузки) – учитывает возможные отклонения фактической нагрузки от нагрузки предусмотренной нормами – нормативной.
Коэффициент надёжности по материалу (коэффициент однородности материала) – учитывает возможные отклонения механических свойств и прочности материала от таких же предназначенных нормами – нормативных.
Коэффициент условий работы – учитывает возможные неблагоприятные (или благоприятные) факторы, влияющие на несущую способность конструкции: неполное соответствие расчётной схемы действительным условиям работы конструкции, влияние условий изготовления конструкций.
В современный период предпринимаются попытки «расширить» систему коэффициентов надёжности. Введены дополнительные коэффициенты условий работы в зависимости от расчётного срока эксплуатации сооружения (для большепролётных зданий). Кроме того, в нормативные документы по расчёту зданий и сооружений вводится понятие неидентифицированных воздействий.
С начала 90-х годов XX века при проектировании строительных конструкций стали широко стали применяться численные методы расчёта с применением ЭВМ. Несмотря на высокую точность компьютерных расчётов уменьшающих «запас конструкций» это приводит к снижению надёжности зданий и сооружений. Вызвано это тем, что проверить расчёт, выполненный на ЭВМ, практически не возможно, что приводит к увеличению числа проектных ошибок. Чтобы избежать этого некоторые исследователи предлагают при практических расчётах применять систему коэффициентов ответственности элемента за переход здания в предельное состояние (по другому – коэффициентов запаса) дополнительно к требуемым по действующим СНиП.
Таким образом, анализ развития системы расчётов строительных конструкций показывает, что все основные принципы, применяемые в международной нормативной базе проектирования, были впервые применены внормативно-технической документации разработанной нашей стране. Однако, на сегодняшний день средний «возраст» строительных норм и правил составляет 20-25 лет, поэтому их совершенствование является весьма актуальной задачей.
Лекция 2
Реализация программы разработки Еврокодов. Основныеположения расчёта по международным европейским техническим нормам.
Начало реализации программы разработки Еврокодов было положено в 1975 году Европейской экономической комиссией (ЕЭК) с целью реализации устранения препятствий при обмене товарами и услугами на строительном рынке. В то время ЕЭКявлялась ведущей организацией по разработке европейских стандартов, созданию систем сертификации и решению общих вопросов стандартизации и сертификации. В 80-х годах прошлого века были разработаны проекты Еврокодов, касающихся некоторых аспектов проектирования и они были опубликованы для обсуждения. Однако по решению Европейской экономической комиссии в 1989 году права на разработку строительных стандартов Еврокод были переданы Европейскому комитету по стандартизации (CEN), членами которого являются Национальные органы по стандартизации (NSB). Для целей разработки системных Еврокодов в рамках CEN создан специальный технический комитет по стандартизации ТК250 (CEN/TC250). Вначале стандарты Еврокод издавались в качестве предварительных стандартов, а с 1997 года им был присвоен статус европейских унифицированных строительных норм и правил – европейских стандартов.
В общеевропейском масштабе роль стандартов Еврокод достаточно велика. Они устанавливают единые для всей Европы критерии проектирования, гармонизирует различные национальные нормы и правила, являются единым базисом для различных научных исследований, способствует благоприятному обмену продуктами и услугами на строительном рынке. Станы члены ЕС и Европейской Ассоциации свободной торговли (EFTA) широко используют данные документы в строительстве. Еврокоды затрагивают вопросы проектирования с применением почти всех основных строительных материалов бетон, сталь, дерево, камень/кирпич и алюминий, а также все основные области проектирования конструкций, в том числе нагрузки, пожары, геотехническое проектирование, землетрясения и т. д. Еврокоды охватывают широкий спектр конструкций и продуктов здания, мосты башни, мачты и др.
Программа Еврокодов включает в себя десять частей, охватывающих основы строительного проектирования, воздействия (нагрузки), геотехнику, сейсмостойкость и основные виды строительных материалов:
EN 1990 основы строительного проектирования;
EN 1991 нагрузки на строительные конструкции;
EN 1992 проектирование бетонных строительных конструкций;
EN 1993 проектирование стальных конструкций;
EN 1994 проектирование железобетонных конструкций;
EN 1995 проектирование деревянных конструкций;
EN 1996 проектирование кирпичных и каменных конструкций;
EN 1997 геотехническое проектирование;
EN 1998 проектирование сейсмостойких конструкций;
EN 1999 проектирование алюминиевых конструкций.
Каждая из десяти частей, исключая EN 1990, подразделена на ряд глав и разделов, охватывающих специфические направления основной тематики. Например, EN 1991 разделён на десять разделов, каждый из которых рассматривает воздействия либо одного, отдельно взятого вида нагрузок, либо их совместного воздействия. Все Еврокоды, связанные с материалами EN 1992, EN 1993, EN 1994, EN 1995, EN 1996, имеют главу I, первый раздел которой посвящён общим вопросам проектирования зданий и сооружений как гражданского, так и промышленного назначения. EN 1993 проектирование стальных конструкций включает в себя самое большое число разделов, касающихся детальных аспектов проектирования. Связь между Еврокодами представлена на рис.1.
Рис. 1
Цели применения Еврокодов следующие:
обеспечить общие критерии и методы проектирования, отвечающие необходимым требованиям механического сопротивления, устойчивости, огнестойкости, включая аспекты долговечности и экономии;
обеспечить единое понимание процесса проектирования конструкций среди собственников, управляющих, проектировщиков, производителей строительных материалов, подрядчиков и эксплуатирующих организаций.
обеспечить обмен услугами в области строительства между государствами-участниками;
облегчить маркетинг и использование строительных элементов и узлов между государствами-участниками;
облегчить маркетинг и использование строительных материалов и сопутствующей продукции, характеристики которых используются в расчётах по проектированию;
служить единой основой для исследований и разработок в строительной индустрии;
создать основу для подготовки общих пособий для проектирования и программного обеспечения;
повысить конкурентоспособность европейских строительных фирм, подрядчиков, проектировщиков и производителей конструкций и материалов на мировом рынке.
В настоящее время у Европейского союза (ЕС) нет намерения гармонизировать законодательство в области промышленного и гражданского строительства. Это означает, что в странах, где предписывающие требования по строительному проектированию узаконены, Еврокоды, опубликованные соответствующим Национальным органом по стандартизации (NSB), не могут быть автоматически признаны как средство обеспечивающее выполнение требований законодательства. Тем не менее, государства-участники, в принципе, согласны применять Еврокоды в своих странах, что имеет большое значение в виду последующего изъятия из обращения противоречащих им национальных стандартов.
Опубликование Еврокодов заключается в следующем. Так как Еврокоды являются стандартами Европейского комитета по стандартизации (CEN), в состав которого входят национальные органы по стандартизации (NSB), то вначале они проходят одобрение путём простого голосования государствами-участникамиCEN. После одобрения стандарт выходит в стадию окончания разработки (DAV). Национальный орган по стандартизации в строго обозначенные сроки публикует его как национальный стандарт, используя свою национальную систему обозначения. В Великобритании, например, это будет выглядеть следующим образом: BSEN 1990-1-1:2002, а в Германии – DINEN 1990-1-1:2002. Любой документ, разработанный в CEN, публикуется на английском, французском и немецком языках. Страны, в которых эти языки не используются, вправе опубликовать эти документы на их собственных языках. К документу, введённому в действие CEN, можно добавить свой Национальный титульный лист, Национальное предисловие и Национальное приложение.В тоже время национальные органы по стандартизации не имеют права менять технические и нормативные положения, описанные в подлиннике документа CEN. Национальные приложения к Еврокодам предусматривают дополнительные требования к отдельным параметрам строительства, которые могут быть выше, но не ниже общеевропейских. Эти требования каждая страна определяет самостоятельно. Как правило, Национальное приложение является составной частью стандарта CEN.
Что касается Еврокодов, то правила их опубликования после DAV допускают разновременную публикацию стандарта и Национального приложения. Более целесообразно Национальные приложения публиковать отдельно от Еврокодов. Например для проектировщиков, одновременно работающих в разных странах, удобнее купить один универсальный текст Европейского Свода правил и в дополнение к нему – соответствующее Национальное приложение.
Следует также отметить, что принятые в Европейском союзе Еврокоды внедряются в странах-членах с учётом «различий в географических или климатических условиях или образе жизни, а также разных уровней безопасности, которые могут превалировать на национальном, региональном или местном уровне» п.п.2.1.2 Руководства L «Внедрение и использование Еврокодов», применяемого в рамках Директивы Совета Европы по строительной продукции (CPD) 89/106/EEC. Определение уровней безопасности и надёжности строительства и других работ по проектированию конструкций и их частей включая аспекты долговечности и экономии, остаётся в компетентности государства, внедряющего Еврокоды (п.п.2.1.1 указанного Руководства).
Еврокоды представляют комплект рекомендованных величин, которые можно заменить параметрами. Эти параметры представлены классами, уровнями требований и показателей, а также альтернативными методами. Таким образом, в европейской практике и практике стран, внедряющих Еврокоды, широко применяются так называемые «параметры, установленные на национальном уровне» (NDP).В настоящее время в странах-членах Европейского союза зарегистрировано более 1500 национальных отличий (NDP) к Еврокодам. Схема учёта национальных особенностей при гармонизации европейских стандартов на национальном уровне приведена на рис.2.
Рис. 2
Публикация Еврокодов была завершена в мае 2007 года. Однако работы по принятию Еврокодов в странах-членах ЕС продолжаются до настоящего времени. Это вызвано сложностями внедрения Еврокодов и позицией ряда ведущих стран Европейского содружества.
Правительство Российской Федерации полагает, что российское законодательство в области технического нормирования в строительстве должно двигаться к сближению с Еврокодами прежде всего в целях создания единого экономического пространства России, Белоруссии и Казахстана. Белоруссия уже руководствуется Еврокодами в своей строительной отрасли. С 1 июля 2011 года в Казахстане параллельно с существующими строительными нормами и правилами (СНиПами) действуют и европейские стандарты (Еврокоды). Переходный период продлиться до 2015 года, после чего Казахстан безальтернативно перейдёт на европейские нормы.
Гармонизация национальных и европейских строительных норм и правил начата в России в 2010 году. Однако, переход на применение Еврокодов в России директивным распоряжением невозможен. Это вызвано тем, что вся строительная отрасль ориентирована на применение отечественных норм, учитывающих национальные особенности России (природно-климатические, социальные, сейсмические, геофизические, опасные геологические процессы и т. д.). Внедрение Еврокодов на территории России необходимо осуществлять на основе комплексного подхода, рассчитанного не на один год и учитывающие специфику Российской Федерации.
Это важно по следующим причинам. Около 65 % территории России покрыто многолетнемёрзлыми грунтами, которым свойственны опасные процессы. Всё Предуралье (Республики Башкортостан, Татарстан, Чувашия и Марий-Эл) – является карстоопасной зоной. Карстовые процессы имеются и в других регионах России, включая Москву. Порядка20 % территории России это подработанные территории, на которых проводились разработки, в том числе шахтные, что необходимо учитывать при проектировании во избежание провалов. В России распространены природно-техногенные процессы: затоплениям (выше уровня земли) и подтоплениям (ниже уровня земли) подвержено около 80 % всех городов. На всей территории России имеют место склоновые процессы – оползни, сели, лавины и т. д. Вследствие значительной разницы зимних температур, по сравнению с европейскими, здания в России подвержены большим температурным перепадам по толщине конструкций. Учитывая, что более 2/3 территории страны расположены в зоне вечной мерзлоты требуются специальные проектные и конструктивные решения (подполия, перекрытия и т. д.).
В связи с вышесказанным, внедрение Еврокодов должно происходить комплексно, с учётом опыта и документов Европейского союза предусматривающих разработку национальных приложений, учитывающих национальные особенности России.
В Российской Федерации в настоящее время при проектировании и расчёте деревянных конструкций применяют Свод правил СП 64.13330.201 «Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80». В странах Европейского союза для аналогичных расчётов применяют положения европейского стандарта EN 1995 проектирование деревянных конструкций с национальными приложениями. Так как в ближайшем будущем предусматривается гармонизация национальных норм проектирования с Еврокодами рассмотрим основные положения применяемые при проектировании , приведённые вEN 1995 проектирование деревянных конструкций.
Лекция 3
Основы проектирования по европейскому стандарту EN 1990:2011«Основы строительного проектирования»
EN 1990 устанавливает основные положения и требования безопасности,эксплуатационной пригодности и долговечности строительных конструкций,описывает основы их проектирования и контроля дает рекомендации для оценки надежности строительных конструкций.EN 1990 используется совместно с Еврокодами EN 1991 – EN 1999 при проектировании зданий, сооружений, инженерных сетей с учетом геотехническихаспектов, противопожарной защиты несущих конструкций, сейсмических воздействий, процесса строительства и использования временных конструкций.Для проектирования специальных сооружений, например, атомных сооружений, дамб, и т. д., допускается использовать другие стандарты,отличающиеся от Еврокодов EN 1990 – EN 1999.EN 1990 применим для проектирования несущих конструкций из другихстроительных материалов и с другими воздействиями, которые не нормированы
в EN 1991 – EN 1999.EN 1990 применим для оценки несущей способности конструкций существующих зданий и сооружений, для разработки проектных решений связанных с их ремонтом и реконструкцией при изменении функционального назначения.
В Российской Федерации разработана первая редакция Национального стандарта РФ НСР ЕН 1990-2011 Еврокод 0 «Основы проектирования сооружений». Имеются различия в составе Еврокода EN 1990 и национальном стандарте, однако для оценки содержания Еврокода рассмотрим основные принципы построения Еврокода 1990 на основе национального стандарта.EN 1990 состоит из шести разделов:
Раздел 1 Общие положения.
Раздел 2 Требования.
Раздел 3 Принципы проектирования по предельным состояниям.
Раздел 4 Основные параметры.
Раздел 5 Численный анализ и использование результатовиспытаний при проектировании.
Раздел 6 Учет коэффициентов надежности.
При разработке проектных решений необходимо использовать Требования инормируемые Правила Еврокодов EN 1990 – EN 1999 (см. Раздел 2 национального стандарта).Общими условиями применения Еврокода EN 1990 являются следующие:
выбор конструктивной системы и проектирование несущих конструкций выполняются специалистами, имеющими надлежащую квалификацию и опыт;
строительство осуществляется персоналом, имеющим соответствующиенавыки и опыт;
необходимый технический контроль и контроль качества выполняется на всехэтапах строительства, то есть при проектировании при изготовлении, и примонтаже строительных конструкций;
используемые строительные материалы и изделия соответствуют требованиямнастоящего стандарта, или Еврокодов EN 1991 – EN 1999, или требованиямстандартов на производство работ, материалы и изделия;
строительные конструкции поддерживаются в исправном состоянии надлежащим образом;
строительные конструкции соответствуют проектным решениям.
В некоторых случаях могут применяться дополнительные требования, к строительным объектам.
В разделе 2 национального стандарта Требования указывается следующее.
Сооружение должно быть запроектировано и возведено таким образом,чтобы при соответствующих уровнях надежности и экономичности в течениерасчетного срока эксплуатации оно:
- воспринимало все возможные воздействия, которые могут, произойти в ходеэксплуатации;
- оставалась бы пригодной для использования в целях, для которых она создавалась.
Сооружение должно быть запроектировано таким образом, чтобы в течениерасчетного срока службы были обеспечены его:
- конструктивная прочность (несущая способность);
- эксплуатационная пригодность;
- долговечность.
В случае пожара, несущая способность должна быть обеспечена в течениетребуемого промежутка времени (см.EN 1991-1-2).
Сооружение должно быть запроектировано и возведено таким образом,
чтобы в нем исключались существенные повреждения, связанные с такими событиями как, например, взрыв,удар, ипоследствия ошибок деятельности человека.
Указанные выше факторы, которые должны быть приняты вовнимание, необходимо устанавливать для каждого индивидуального проектасовместно с Заказчиком и на основе соответствующего законодательства. Дополнительная информация содержится в EN 1991-1-7.
Возможные повреждения следует ограничить или исключить за счет использования одного или нескольких следующих мероприятий:
- предотвращение, исключение или снижение опасностей, которым может бытьподвергнуто сооружение;
- выбор такой формы несущей конструкции, которая имеет низкую чувствительность к рассматриваемым опасностям;
- выбор проектных решений, при которых выход из строя отдельного элементаконструкции или некоторой части сооружения вследствие повреждения не приводил бы к его полному обрушению;
- исключение, насколько это возможно, несущих конструкций, которые могутразрушиться без предварительных проявлений начинающегося разрушения;
- выбор надежных соединений несущих элементов.
Выполнение основных требований должно обеспечиваться за счетвыбора соответствующих материалов, качественного проектирования, контроля при проектировании, изготовлении, строительстве и эксплуатации сучетом особенностей проекта.Требования в Разделе 2 предусматривают, что подготовка специалистов икачество проектирования будут соответствовать современному уровню развития знаний и передового опыта.
Далее в разделе 2 п.п.2.2 управление надёжностью, указано, что требуемая надежность сооружения достигается:
a) за счет проектирования в соответствии с требованиями EN 1990 – EN 1999;
б) посредствомсоответствующего производства работ иконтроля над их качеством.
Требования надёжности также приведены в п.п. 2.2 (5) и в приложении B.
Различные уровни надежности могут назначаться, в частности, для несущей способности и для эксплуатационной пригодности.
При выборе уровней надежности для каждого сооружения должны приниматься во внимание существенные факторы, включая, возможную причину и / или способ достижения предельного состояния, возможные последствия отказа с учетом риска для жизни, травмирования, потенциальных экономичных ущербов, социальные последствия разрушения, расходы и мероприятия необходимые для уменьшения риска разрушения.Уровни надежности каждого сооружения могут зависеть от одного или обоих следующих факторов:уровня ответственности сооружения в целом и уровня ответственности его конструктивных элементов. Также следует обратиться к приложению В. Уровни надежности по несущей способности и эксплуатационной пригодности, могут быть достигнуты в результате:
a) применения профилактических и защитных мероприятий, например, внедрением барьеров безопасности, использованием активных и пассивных защитныхпротивопожарных мер, защитой от коррозии, за счет покраски или катоднойзащиты;
б) проектирования и расчета с использованиемрепрезентативных значений воздействий или парциальных коэффициентов надежности;
в) контроля за качеством;
г) принятых мер, направленных на уменьшение ошибок при проектировании истроительстве сооружения, а так же других грубых ошибок, связанных с деятельностью людей;
д) учета других факторов при проектировании, таких основных требований как запаса прочности, долговечности, включая выбор проектного срока эксплуатации, а также степени и качества предварительных исследований грунта и возможных влияний окружающей среды, точности использованных расчетных моделей, качества технической документации;
е) эффективного строительства, в том числе в соответствии с положениями,упомянутыми в Еврокодах EN 1991 – EN 1999.
ж) соответствующего контроля и технического обслуживания согласно процедурам, определенным в проектной документации.
Меры по исключению потенциальных причин разрушений и/или снижениюих последствий могут, при соответствующих обстоятельствах, быть, в определенной степени, взаимозаменяемыми при условии, что требуемые уровни надежности будут обеспечены.
В п.п.2.3 расчётный срок эксплуатации (службы) установленырасчетные сроки службы сооружения.Расчетные сроки эксплуатации различных типов сооруженийприведены в табл. 2.1. Данные, приведенные в табл. 2.1, могут также использоваться для определения эксплуатационных характеристик, зависящихот времени (например, при оценке выносливости и усталостной прочности). Также используют данные указанные в приложении A.
В п.п.2.4 долговечность указано, что сооружение должно быть спроектировано таким образом, чтобы в течениерасчетного срока службы не снижались его эксплуатационные характеристикиниже намеченного уровня. При этом необходимо учитывать влияние окружающей среды и ожидаемый уровень технического обслуживания.Для того чтобы обеспечить требуемую долговечность сооружения, необходимо учитывать следующие факторы:
- предусмотренные или прогнозируемые условия его эксплуатации;
- расчетные критерии;
- ожидаемые условия окружающей среды;
- состав, свойства и эксплуатационные характеристики материалов и продуктов;
- свойства грунта;
- выбор конструктивной системы;
- форму элементов конструкции и их соединений;
- качество изготовления и уровень контроля;
- применение специальных защитных мероприятий;
- плановое техническое обслуживание в течение расчетного срока эксплуатации.В Еврокодах EN 1992 – EN 1999 указаны соответствующиемеры для снижения износа.Условия окружающей среды должны быть установлены на стадии проектирования с тем, чтобы установить их влияние на долговечность и принять соответствующие меры для защиты материалов, используемых в сооружении.Степень износа может быть оценена на основе расчетов, экспериментального исследования, опыта эксплуатации ранее построенных сооружений или наосновании комбинации указанных соображений.
В п.п.2.5 обеспечение качествауказано, что для создания сооружения, которое соответствует требованиям и предпосылкам, сделанным при проектировании, необходимо провести соответствующиемероприятия по обеспечению качества. Данные мероприятия включаютопределение требований к надежности,проведение организационных мероприятий иконтроль на стадиях проектирования, производства работ, в процессе эксплуатации и технического обслуживания.Для обеспечения качества рекомендуется применять стандартмеждународной организации по стандартизации ISO 9001:2000.
Лекция 4
Принципы проектирования деревянных конструкций по предельным состояниям несущей способности в соответствии с требованиями европейских стандартов
Согласно Еврокод 5 расчёт деревянных конструкций производится в соответствии с общими правилами, приведёнными в EN 1990 основы строительного проектирования. Базовые требования раздела 2 этого европейского стандарта считаются достаточными при проектировании деревянных конструкций, когда применяется расчёт по предельным состояниям в сочетании с методом частных коэффициентов для различных воздействий нагрузок и их сочетаний, приведённых в EN 1990 и EN 1991. Дополнительно к этому в EN 1995 приведены методы расчётов на устойчивость, а также положения по пригодности к эксплуатации и долговечности деревянных конструкций.
Как указано в EN 1990 и национальном стандарте Еврокод 0 при проектировании следует различать предельные состояния по несущей способности ипредельные состояния по эксплуатационной пригодности.Допускается не проводить проверку по одной из двух категорий предельныхсостояний при условии, что имеется достаточно данных, указывающих на то,что опущенная проверка удовлетворяется проведенными расчетами.Предельные состояния должны быть связаны с расчетными ситуациями.
Расчетные ситуации следует определять с учетом условий,при которых сооружение обязано выполнять свои функции.Расчетные ситуации классифицируются следующим образом:
- постоянные расчетные ситуации, которые соответствуют условиям нормальной эксплуатации;
- переходные (временные) проектные ситуации, которые соответствуют временным условиям, например, во время строительства или ремонта;
- аварийные расчетные ситуации, которые относятся к исключительным условиям или к случаям, когда сооружение подвергается, например, пожару, взрыву, удару или последствиям локального разрушения;
- сейсмические расчетные ситуации, которые соответствуют сейсмическим воздействиям.
Рассматриваемые расчетные ситуации должны включить все неблагоприятные условия, которые могут произойти во время строительства и эксплуатации сооружения.
Предельные состояния, которые связанны сбезопасностью людей, и/илибезопасностью сооружениядолжны быть классифицированы как предельные состояния по несущей способности.
При определенных обстоятельствах предельные состояния, которые связаныс сохранностью содержимого в здании, должны рассматриваться как предельные состояния по несущей способности.Эти обстоятельства в каждом отдельном случае определяютсясовместно с заказчиком и с учетом соответствующего законодательства.Состояния, предшествующие непосредственному разрушению конструкций,которые, для простоты, рассматриваются вместо самого разрушения, можнорассматривать как предельные состояния по несущей конструкции.
Критические предельные состояния должны быть учтены в случае потери равновесия сооружения или любой его части, рассматриваемой кактвердое тело, разрушением, связанным с большими деформациями и потерей устойчивости сооружения или любой его части, включая опоры и фундаменты, разрушением, вызванное усталостью или другими эффектами, зависящими отвремени.Для различных предельных состояний по несущей способности используются наборы коэффициентов надежности, п.п. 6.4.1.
В EN 1995 Еврокеде 5 указано, что при расчёте по предельным состояниям расчётные модели для различных типов предельных состояний должны учитывать следующее: различные свойства материала, например модуль упругости, прочность и вид разрушения; поведение материалов с учётом фактора времени (ползучесть); различные климатические условия (температура, влажность, вибрации); различные расчётные ситуации (этапы строительства, изменение условий опирания). При проведении структурного анализа используют следующие свойства жёсткости элементов конструкций:
- для линейно-упругого анализа первого порядка, при котором внутренние силы не зависят от распределения жёсткости внутри элемента, то есть если элементы имеют те же зависящие от времени свойства, принимаются средние значения;
- для линейно-упругого анализа первого порядка, при котором внутренние силы зависят от распределения жёсткости внутри элемента (для композитов, состоящих из материалов, с различными зависящими от времени свойствами), окончательно принимаются значения соответствующие нагрузке, вызывающей наибольшее напряжение по отношению к прочности;
- для линейно-упругого анализа второго порядка, принимаются расчётные значения, не учитывающие длительность действия нагрузки.
Для расчётов по
предельным состояниям в тех случаях,
когда распределение усилий и моментов
обусловлено распределением жесткостей
в конструкции, окончательно среднее
значение модуля упругости
,
модуля сдвига
,
и модуля скольжения
,
используемых в расчётах конечной
деформации следует принимать согласно
следующим выражениям:
,
,
,
где
– среднее значение модуля упругости;
– среднее значение модуля сдвига
– модуль скольжения;
– коэффициент определения деформации
ползучести, учитывающий соответствующий
класс эксплуатации;
– коэффициент для практически постоянного
значения воздействия, вызывающего
наибольшее напряжение по отношению к
прочности. Еслиэто постоянное воздействие,
принимается
равным 1,0. Значения
приведены
в табл.3.2 Еврокода 5. Значения
приведены
в EN
1990:2002.
Модуль скольжения
учитывает узловое проскальзывание. Для
узлов с использованием крепёжных деталей
дюбельного типа модуль скольжения в
плоскости сдвига для одной крепёжной
детали при эксплуатационной нагрузке
берётся из таблицы 7.1EN1995
в зависимости от типа крепёжной детали,
значений
и
или
.
Значения
установлены в EN
13271. В EN
26891 вместо символа
используется символ
.Модуль скольжения для предельного
состояния
рассчитывают по формуле:
,
где – мгновенный модуль скольжения.
Лекция 5
Принципы проектирования деревянных конструкций по предельным состояниям эксплуатационной пригодности в соответствии с требованиями европейских стандартов
Предельные состояния, связанные с функционированием сооружения или его конструктивных элементов в условиях нормальной эксплуатации, комфортом людей и внешним видом строений, классифицируются как предельные состояния эксплуатационной пригодности.Термин «внешний вид» включает в себя большой прогиб и обширное трещинообразование, но не эстетические критерии.Как правило, требования к эксплуатационной пригодности определяются отдельно для каждого проекта.Следует различать обратимые и необратимые предельные состояния эксплуатационной пригодности.
При проверке по предельным состояниям по эксплуатационной надежностинеобходимо учитывать следующие явления:
a) деформации, которые влияют навнешний вид сооружения, комфорт посетителей, функционирование сооружения (включая функционирование машин илислужб) и могут вызвать повреждение отделки или ненесущих элементов конструкции;
б) вибрации, которыепричиняют дискомфорт людям и функционально ограничивают эффективность эксплуатации сооружения;
в) повреждения, которые, предположительно, отрицательно воздействуют навнешний вид,долговечность илифункционирование сооружения.
Дополнительные положения, связанные критериями эксплуатационной пригодности, даны в Еврокодах EN 1992 – EN 1999.В EN 1995 Еврокод 5 указано, что деформация сооружения, которая может произойти в результате таких воздействий как осевые или сдвигающие усилия, изгибающие моменты и узловые скольжения, а также от влажности, должна оставаться в пределах соответствующих границ с учётом возможности повреждения поверхности материалов, потолков, перекрытий, перегородок и отделочных материалов, функциональных потребностей и требованиями внешнего вида.
В Европейском стандарте EN 1995 проведена конкретизация требований по расчёту по предельным состояния эксплуатационной пригодности для деревянных конструкций, в частности требований по деформациям.
Деформация
сооружения, которая может произойти в
результате воздействий (таких как осевые
и сдвигающие усилия, изгибающие моменты
и узловые скольжения), а также от
влажности, должна оставаться в пределах
соответствующих границ с учетом вероятной
возможности повреждения поверхности
материалов, потолков, перекрытий,
перегородок и отделочных материалов,
и функциональных потребностей наряду
с требованиями в отношении внешнего
вида.Мгновенная деформация
(см.
рис.3) может быть определена для
нормативногосочетания воздействий с
использованием среднего значения
соответствующего модуля упругости,
модуля сдвига и модуля скольжения, как
указано в п.п. 6.5.3(2)а EN
1990.
Примечание. Нормативное сочетание, как правило, используется для необратимых предельных состояний.
Окончательная
деформация
(см.рис.3) может быть рассчитана для
практически постоянной комбинации
воздействий согласно 6.5.3(2)с EN
1990.
Рис. 3. Компоненты прогиба
Для компонентов прогиба применены следующие обозначения:
wc предварительная кривизна (строительный подъем), если таковой применяется;
winst мгновенный прогиб;
wcreep прогиб от ползучести материала;
wfin конечный прогиб;
wnet,fin конечный прогиб нетто.
Прогиб нетто ниже прямой линии между опорами wnet,fin принимается как:
Примечание:
Рекомендуемые пределы граничных значений
прогибов для балок с пролетом
приводятся в табл.1, в зависимости от
уровня деформации, рассматриваемой как
допускаемая. Информацию о национальных
аспектах и выбора граничных значений
на национальном уровне приводятся в
Национальных приложениях.
Таблица 1