Понятие о методах расчета сооружений

Расчет сооружений в конечном счете сводится к оценке его прочности, устойчивости и жесткостей. Существуют три метода расчета сооружений: метод расчета по допускаемым напряжениям; метод расчета по допускаемым (разрушающим) нагрузкам; метод расчета по предельным состояниям.

Метод расчета по допускаемым напряжениям – это старый метод, принятый за рубежом и пока еще частично применяемый в странах СНГ для расчета таких сооружений, для которых не составлены технические условия их расчета по предельным состояниям. Этот метод состоит в том, что оценка прочности и устойчивости форм равновесия деформированного состояния поизводится путем сопоставления наибольших нормальных или касательных напряжений от действующей нагрузки, обозначаемых буквой σ, с аналогичными допускаемыми напряжениями [σ] для данного материала. Допускаемое напряжение принимается как некоторая доля напряжения, признаваемого по соображениям прочности или устойчивости за опасное. Условие прочности (устойчивости) по этому методу может быть записано в таком общем виде:

σ ≤ [σ] = σ _опасн. / R, (1)

где R > 1 – коэффициент запаса.

Коэффициент запаса предусматривает запас прочности материала на возможный рост нагрузок, отклонение его прочностных качеств в худшую сторону, на неточность расчета и изготовления сооружения и т.д.

Метод расчета по допускаемым нагрузкам, разработанный в СНГ преимущественно для расчета железобетонных, бетонных и каменных конструкций, состоит в том, что оценка прочности и устойчивости сооружения производится путем сопоставления действующей на сооружение нагрузки, обозначаемой здесь в общем виде буквой Р, с допускаемой нагрузкой [Р].

Допускаемая нагрузка принимается как некоторая доля нагрузки, признаваемой по каким-либо соображениям за опасную. Как правило, опасной считается нагрузка предельная – разрушающая, определяемая с учетом работы материала за упругой областью, или критическая, вызывающая потерю устойчивости. Условие прочности (устойчивости) по этому методу записывается так:

Р ≤ [Р] = Р _опасн. / R, (2)

Основной недостаток обоих старых методов расчета состоит в том, что у них единый коэффициент запаса на все случаи работы сооружения, в то время как, например, некоторые нагрузки обладают различной степенью достоверности и различной возможностью к их росту, поэтому запас на рост таких нагрузок должен быть различным. Этот недостаток был устранен в новом методе расчета сооружений – по предельным состояниям, также разработанным в СНГ (СССР). Метод расчета по предельным состояниям, принятый в настоящее время в странах СНГ (СССР) и в некоторых странах дальнего зарубежья для расчета металлических конструкций, состоит в том, что расчет сооружений, машин и механизмов проводится в условиях так называемых предельных состояний. Предельным состоянием металлоконструкции называется такое состояние, при котором оно теряет способность к сопротивлению внешним воздействиям (нагрузкам) или приходит в состояние, не пригодное для дальнейшей его эксплуатации.

Предельные состояния подразделяются на две группы: первая группа – по потере несущей способности; вторая группа – по непригодности к нормальной эксплуатации.

К предельным состояниям первой группы относятся: общая потеря устойчивости формы; потеря устойчивости положения; хрупкое, вязкое, усталостное или иного характера разрушение; разрушение под совместным воздействием силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды; качественное изменение конфигурации; резонансные колебания; состояния, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации в результате текучести материала, сдвигов в соединениях, ползучести или чрезмерного раскрытия трещин.

К предельным состояниям второй группы относятся состояния; затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций и оснований или снижающие долговечность их вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок), колебаний, трещин и т.п.

Расчет по предельным состояниям должен оградить сооружение, металлоконструкции ТиТТ от появления в эксплуатации какого-либо вида предельного состояния. Металлоконструкции ТиТТ прежде всего должны удовлетворять расчету по первому предельному состоянию, а затем – по второму в зависимости от типа конструкции.

При расчетах по первому предельному состоянию внутренние силы в элементах сооружений и металлоконструкций определяются не от действующих на сооружение или металлоконструкцию в обычных условиях нагрузок, называемых нормативными, а от нагрузок, называемых расчетными, которые получаются из нормативных путем умножения их на коэффициент n, как правило, больше единицы, называемый коэффициентом перегрузки. Коэффициент перегрузки по существу есть предусматриваемый коэффициент запаса на возможный рост нагрузки.

Основной смысл расчета на расчетные нагрузки состоит в том, что запас на рост нормативной нагрузки предусматривается самостоятельно для каждого отдельного случая.

В качестве характеристики материала в методе расчета по предельным состояниям принимается так называемое расчетное сопротивление R как некоторая доля получаемого из опыта нормативного сопротивления R^Н, представляющего собой напряжение, признаваемое для данного материала за опасное. Поэтому при получении расчетного сопротивления к нормативному сопротивлению вводится поправка в виде коэффициента безопасности по материалу R больше единицы за счет возможного отклонения прочностных показателей конкретного материала от среднестатистических (R^Н / R). Коэффициент безопасности материала предусматривает запас на возможное отклонение качества материала в худшую сторону от среднего качества. Для учета других причин, влияющих на запас прочности, вводится поправка в виде коэффициента условий работы m, который может быть меньше и больше единицы.

Условие прочности в методе расчета по предельным сосояниям дя простых деформаций может быть представлено в двух видах:

S ≤ S _пред = mRT, (3)

σ = S / Г ≤ mR , (4)

где S – внутренняя сила от расчетной нагрузки; S _пред – предельная внутренняя сила, определяемая по эпюре напряжений в предельном состоянии; R – расчетное сопротивление; Г – геометрическая характеристика сечения; m – коэффициент условий работы; σ – набольшее напряжение от расчетной нагрузки в эпюре, по своему виду похожей на эпюру напряжений в предельном состоянии.

Расчет металлоконструкций ТиТТ по упругой стадии работы, подчиняющейся в обобщенном смысле закону Гука, по которому деформации и перемещения пропорциональны нагрузкам, коротко называют «упругим расчетом», а расчет металлоконструкций по упругопластической стадии работы – «пластическим расчетом».

Под расчетом металлоконструкций ТиТТ следует подразумевать расчет его основной части, а именно: определение внутренних сил и перемещений.

Нагрузки.

Внешние активные силы, действующие на металлоконструкции ТиТТ следует называть нагрузками. Нагрузки бывают сплошные и сосредоточенные. Сплошные нагрузки – это распределенные по поверхности нагрузки, измеряемые интенсивностью в кН/м², или распределенные по объему нагрузки, измеряемые интенсивностью в кН/м³. Сплошные поверхностные и объемные силы, действующие на брус, обычно заменяются сплошной нагрузкой по длине бруса, измеряемой интенсивностью в кН/м. Если поверхностные нагрузки распределены по малой площади, то их равнодействующая представляется в виде сосредоточенной силы.

Нагрузки, действующие на металлоконструкцию, следует подразделять на постоянные и временные. Постоянные нагрузки – это нагрузки, которые всегда находятся на металлоконструкции, как, например, его собственный вес. Временные нагрузки, наоборот, не всегда действуют на металлоконструкцию. Такие нагрузки разделяются на подвижные и неподвижные. Подвижные – это перемещающиеся по металлоконструкции нагрузки (тележки, электротали, тельферы и т.д.). Неподвижные – это нагрузки, сохраняющие на металлоконструкции продолжительное время неизменное положение (различное оборудование и т.д.).

По характеру действия нагрузки распределяются на статические и динамические. Статические нагрузки – это нагрузки, не меняющие своего значения, положения и направления. Остальные нагрузки динамические. Если изменяющиеся нагрузки передаются металлоконструкции спокойно, плавно, с малыми приращениями во времени их значений, с малыми изменениями положения или направления и вызывают небольшое по сравнению с самими нагрузками силы инерции, то такие нагрузки приближенно считаются статическими.