Методы расчета строительных конструкций.

Метод предельных состояний. Предельным считается состояние, при котором конструкция перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям или требованиям, предъявляемым в процессе возведения здания и сооружения.

Факторы, от точного учета которых зависит уровень надежности сооружения или отдельного его элемента, следующие: нагрузки и другие воздействия, механические свойства материала, геометрические параметры конструктивных элементов, условия работы, степень ответственности сооружения и др.

Нагрузки и воздействия, полученные путем умножения их нормативных значений на коэффициент надежности по нагрузке, называются расчетными. Основной характеристикой сопротивления материалов силовым воздействиям является нормативное сопротивление Rн. В качестве нормативного сопротивления строительных сталей принимают наименьшее контролируемое значение предела текучести σS или временное сопротивление σu. Возможное отклонение в неблагоприятную сторону от значений нормативного сопротивления учитывается коэффициентом надежности по материалу γм > 1. Величинa, полученная в результате деления нормативного сопротивления на коэффициент надежности по материалу, называется расчетным сопротивлением: R = I^2. Особенности действительной работы материалов, элементов конструкций, их соединений учитываются коэффициентом условий работы γ. Он отражает влияние температуры, агрессивности среды, длительности и многократной повторяемости воздействия. В большинстве случаев при нормальных условиях работы коэффициент γ = 1 и может быть опущен._ Надежность и гарантия от возникновения предельных состояний по несущей способности обеспечивается выполнением следующего условия: N≤S,где N – усилие, действующее в рассчитываемом элементе конструкции (функция нагрузок и других воздействий); S – предельное усилие, которое может воспринять рассчитываемый элемент (функция физико-механических свойств материала, размеров элемента и условий работы).

Метод допускаемых напряжений. Этот метод остается пока основным при расчете узлов и деталей машиностроительных конструкций. Основой метода допускаемых напряжений является предположение, что критерием надежности конструкции будет выполнение следующего условия прочности: σmax ≤ [ σ]

где σmax – наибольшее напряжение, возникающее в одной из точек опасного сечения и определяемое расчетом; [σ] – допускаемое (предельное) для данного материала напряжение, полученное на основании экспериментальных исследований.

Допускаемое напряжение определяется по формуле: [σ] =

где σ0– опасное напряжение; n – коэффициент запаса прочности.

Для пластичных материалов за опасное напряжение принимается предел текучести σS или σ0,2; для хрупких материалов – временное сопротивление σu.

Значение коэффициента запаса прочности,а следовательно, и допускаемого напряжения зависит от многих факторов. Для строительных сталей значение коэффициента запаса прочности принимается n = 1,4-1,6; для хрупких материалов n= 2,5-3,5; для древесины n= 3,5-6.

Метод разрушающих нагрузок. Критерий прочности, принятый в методе допускаемых напряжений, а именно, напряжения в точке, не всегда и не полностью характеризует условия наступления разрушения конструкции. В ряде случаев за такой критерий целесообразнее принимать предельную нагрузку, которую может выдержать конструкция, не разрушаясь и существенно не изменяя форму. При этом условие прочности, состоящее в том, что предельная или разрушающая нагрузка не должна превышать допускаемую, можно представить в виде:

Fmax = ,

где n – коэффициент запаса прочности, принимаемый таким же, как и в методе допускаемых напряжений.

Использования этого метода будет показано на конкретных примерах при расчетах на прочность при центральном растяжении-сжатии, кручении и прямом изгибе.

11. Cущность предварительного напряжения и его эффективность.

Прочность бетона на растяжение в несколько раз ниже прочности на сжатие. При действии нагрузки бетонная балка разрушается от достижения в растянутой зоне предельных растягивающих напряжений задолго до исчерпания прочности сжатой зоны. Разрушение происходит внезапно, одновременно с образованием трещин в бетоне средней части пролета или под грузами.

Наиболее эффективным мероприятием, обеспечивающим использование стали повышенной прочности в бетоне растянутой зоны железобетонных конструкций без снижения их эксплуатационных качеств, является предварительное напряжение путем искусственного натяжения арматуры и обжатия бетона.

Железобетонными предварительно напряженными называются такие конструкции, изделия и элементы, в которых предварительно, т. е. в процессе изготовления, искусственно создаются собственные напряжения сжатия всего или части бетона и растяжения всей или части арматуры. Напряжения должны быть оптимально распределены в элементах конструкции.

Сущность процесса предварительного напряжения железобетона заключается в следующем. В железобетонной конструкции для арматуры применяют высокопрочную сталь. Перед укладкой бетона в конструкцию стальной арматурный стержень растягивают до напряжений в нем, меньших предела упругости, и затем конструкцию бетонируют. При затвердевании бетона происходит сцепление с ним растянутого стержня. Когда прочность бетона оказывается достаточной для обжатия, равной 0,7 или близкой к проектной, снимают усилия, растягивающие стержень. Стержень стремится вернуться к первоначальной (до приложения растягивающего усилия) длине. Бетон, сцепившийся со стержнем, не дает ему сократиться, воспринимая сжимающее усилие от стержня. В таком положении бетон оказывается сжатым, а стержень — растянутым.

Предварительно напряженные железобетонные конструкции отличаются от обычных следующими преимуществами:

существенным снижением расхода стали; при стержневом армировании расход стали сокращается в среднем на 30%, а при армировании углеродистой (высокопрочной) проволокой, пучками и канатами — в среднем на 45%;более высоким сопротивлением образованию и раскрытию трещин, что особенно важно для предохранения от коррозии конструкций, работающих в агрессивных средах, а также конструкций, к которым предъявляются повышенные требования непроницаемости (напорных труб, резервуаров и емкостей для хранения жидкостей и газов);повышением жесткости или уменьшением прогиба; снижением расхода бетона и массы конструкций благодаря применению бетона высоких марок, уменьшению размеров поперечных сечений элементов и рациональному их использованию.

12. Достоинства и недостатки предварительно напряженных конструкций.

Достоинства:

• В предварительно напряженных конструкциях представляется возможность использовать высокоэкономичную стержневую арматуру повышенной прочности и высокопрочную проволочную арматуру, позволяющих в среднем до 50% сокращать расход дефицитной стали в строительстве.

• Предварительно напряженные конструкции часто оказываются экономичными для зданий и сооружений с такими пролетами, нагрузками и условиями работы, при которых применение железобетонных конструкций без предварительного напряжения технически невозможно или вызывает чрезмерно большой перерасход бетона и стали для обеспечения требуемой жесткости и несущей способности конструкций.

• Предварительное напряжение позволяет расширить использование сборных и сборно-монолитных конструкций составного течения, в которых бетон повышенной прочности применяется только в заранее изготовленных предварительно напряженных элементах, а основная или значительная часть конструкций выполняется из тяжелого или легкого бетона, не подвергаемого предварительному напряжению.

• Предварительное напряжение, увеличивающее сопротивление конструкций образованию трещин, повышает их выносливость при работе на воздействие многократно повторяющейся нагрузки.

• С возрастанием процента армирования сейсмостойкость предварительно напряженных конструкций во многих случаях повышается.

Недостатки:-Предварительно напряженные конструкции характеризуются повышенной трудоемкостью проектирования и изготовления. -Большие усилия, передаваемые напрягаемой арматурой на бетон конструкции в момент отпуска натяжных устройств, могут привести к полному разрушению ее в процессе обжатия или местному повреждению, к проскальзыванию напрягаемой арматуры вследствие нарушения ее сцепления с бетоном. • За счет применения материалов повышенной прочности масса предварительно напряженных конструкций оказывается значительно меньше массы железобетонных конструкций без предварительного напряжения, однако она остается выше массы металлических и особенно деревянных конструкций. • Большая тепло- и звукопроводность железобетона требует усложнения конструкции и дополнительного применения прокладок из тепло- и звукоизолирующих материалов.• Усиление предварительно напряженных конструкций не сложнее усиления железобетонных конструкций, но значительно сложнее усиления стальных и особенно деревянных конструкций. • Предварительно напряженные конструкции не сгораемы, но их огнестойкость ниже огнестойкости железобетонных конструкций без предварительного напряжения.