Раздел 8. проверки по второму предельному состоянию
Помимо обеспечения достаточной несущей способности по первому предельному состоянию элемента, он должен также соответствовать критериям пригодности к нормальной эксплуатации. Для большинства строительных объектов это означает, что прогибы и перемещения элементов при действующих нагрузках не должны превышать предельных значений. В некоторых случаях может также возникнуть необходимость проверки собственных частот колебаний элементов с целью избежать зыбкости перекрытий и резонансных явлений.
Проверка пригодности по эксплуатационной пригодности состоит в выполнении неравенства:
Ed ≤ Cd
где:
Ed – расчетное значение деформации по критерию эксплуатационной пригодности, определенное на основании соответствующей комбинации воздействий;
Cd – предельное значение для соответствующей комбинации.
Тонкостенные стальные элементы подлежат проверке по второму предельному состоянию так же, как и иные типы металлоконструкций, однако с учетом редуцирования поперечного сечения.
В качестве альтернативы момент инерции эффективного сечения для расчета прогибов и перемещений может быть вычислен как:
где:
Igr – момент инерции поперечного сечения брутто;
σgr – максимальное напряжение сжатия от изгиба при расчете по эксплуатационной пригодности с геометрическими характеристиками поперечного сечения брутто;
I(σ)eff – момент инерции эффективного поперечного сечения, рассчитанный для максимального напряжения σ ≥ σgr.
Как указывалось ранее, основные критерии и соответствующие предельные значения по эксплуатационной пригодности определены национальным приложением EN 1990.
Предельные частоты колебаний в соответствии с EN 1990 должны определяться индивидуально в техническом задании и согласовываться с заказчиком. Для конструкций из ЛСТК самым распространенным источником вынужденных колебаний является движение людей, частота которого может составить от 1,5 до 3,3 Гц. Следовательно, рекомендуемые собственные частоты колебания элементов конструкции должны быть не ниже 4 Гц. При возможности интенсивного движения людских потоков эту величину повышают до 6 Гц, а для особо легких перекрытий, к которым могут относиться ЛСТК – до 8 Гц.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАРКАСОВ ИЗ ТОНКОСТЕННЫХ ПРОФИЛЕЙ
Основными задачами при проектировании каркаса в стальных конструкциях являются составление расчетной схемы и подбор сечений элементов, которые имеют обеспеченную несущую способность при возникающих внутренних усилиях. Однако этими вопросами процесс проектирования не исчерпывается. Также необходимо обратить внимание на конструктивные и эксплуатационные критерии, которым должен соответствовать проектируемый каркас в целом, такие как устойчивость, живучесть, надежность, долговечность и другие.
УСТОЙЧИВОСТЬ КАРКАСА
Кроме обеспечения несущей способности отдельных сжатых элементов, при проектировании подлежит проверке устойчивость всего каркаса как системы. Хотя методы, применяемые для обеспечения устойчивости каркаса для холодноформованных и горячекатаных стальных элементов различны, основные принципы проектирования в них одинаковы:
– должна быть обеспечена передача горизонтальных нагрузок на фундаменты;
– конструктивные подсистемы, используемые в системе каркаса для обеспечения устойчивости, должны придавать ей достаточную жесткость для предотвращения деформативности в поперечных направлениях;
– при недостаточном запасе устойчивости должно учитываться влияние несовершенств на устойчивость конструкции;
– при необходимости также следует принять во внимание эффекты второго порядка – изменение распределения усилий в системе вследствие геометрической нелинейности.
Вышеуказанные четыре принципа и способы их конструктивной реализации в несущей системе подробно рассмотрены в EN 1993-1-1. Они относятся к общим правилам проектирования не только тонкостенных, но и всех иных типов профилей.
Следует также отметить, что Еврокод 3 в отличие от национальной нормативной базы не приводит требований по предельной гибкости. Однако для ответственных элементов можно рекомендовать проверку предельной гибкости в соответствии с СП 16.
Устойчивость каркасов из легких стальных тонкостенных элементов обычно достигается одним из следующих методов:
использование жестких элементов и узлов, воспринимающих момент;
постановка связей;
создание диафрагм жесткости.
В легких стальных тонкостенных конструкциях из-за их деформативности невозможно обеспечить полностью жесткие соединения, в которых углы поворота были бы очень близки к нулю. Однако можно организовать узлы, частично воспринимающие момент. Это, как правило, выполняется путем проектирования многосвязных соединений с примыканием элементов на прокатную фасонку либо постановкой вутов (угловых подкосов) из тонкостенных или обычных профилей. Описанные конструктивные меры обеспечивают перераспределение усилий в системе, уменьшая ее общую деформативность. При этом важен правильный учет неравномерных жесткостей в системе при расчете и конструировании каркаса.
Связи в каркасах из тонкостенных стальных профилей могут выполняться жесткими и гибкими. Использование в конструкции связей из жестких профилей означает, что такие элементы способны будут воспринимать как силы растяжения, так и усилия сжатия. В основном они выполняются крестового, ромбического либо диагонального вида из тех же типоразмеров профилей, которые используются в каркасе. При этом важен правильный расчет и конструирование узлов и соединений. Гибкие связи, как правило, выполняются крестовыми из диагонально перекрещенных плоских стальных лент, прикрепленных к лицевой стороне вертикальных стоек. В отличие от жестких связей, плоские ленты, как правило, располагаются поперек нескольких стоек и
крепятся к каждой из них. Отдельные элементы связи работают только на растяжение. При этом второй элемент связи теряет устойчивость и исключается из работы (отсюда и необходимость в крестовой форме связи).
Профилированный настил в стеновом ограждении либо кровле, а также сэндвич-панелях может быть учтен в расчетной схеме каркаса в качестве диафрагм жесткости и континуальных связей. При этом особое внимание следует уделить соединениям листов с основными элементами каркаса.
Также для конструкций каркасных стен при проектировании допускается принимать во внимание жесткость примыкающих ограждающих неметаллических элементов. В этом случае устойчивость каркаса может обеспечиваться благодаря обшивке или облицовке, образующей диафрагму жесткости. Стандартно в качестве обшивки используется:
– фанера;
– цементно-волокнистые плиты;
– ориентированно-стружечные плиты (OSB);
– гипсокартон.
Податливость и иные расчетные параметры для конкретного варианта комбинации обшивки и каркаса во многом зависят от конструктивных и архитектурных деталей, потому их следует определять путем проведения натурных испытаний.
ЖИВУЧЕСТЬ КОНСТРУКЦИИ
Термин «живучесть» в контексте проектирования зданий и сооружений означает способность конструкции выдерживать аварийные ситуации без распространения ущерба или несоизмеримого прогрессирующего разрушения.
Основополагающие принципы обеспечения живучести, применяемые ко всем типам конструкций и материалам:
Живучесть относится к способности конструкции переносить такие события, как взрывы, удары или следствия ошибок людей.
Второе предельное состояние при расчете на живучесть не ограничивается. В элементах конструкции допускаются значительные деформации и образование шарниров пластичности. Предполагается, что перед началом повторной эксплуатации здания после аварийной ситуации будут выполнены работы по восстановлению и ремонту его конструктивных элементов. В некоторых случаях может быть необходим демонтаж элементов вследствие неремонтопригодности.
Основными целями обеспечения живучести являются:
ограничить распространение локального отказа и предотвратить прогрессирующее обрушение, несоизмеримое непосредственному следствию причины его возникновения.
обеспечить безопасность конструкции на промежуток времени, достаточный для эвакуации людей, находящихся в здании, и выполнения аварийными службами своих задач.
Требуемый уровень живучести зависит от класса здания, который, в свою очередь, основывается на размерах, типе и назначении здания. Эта классификация определяется в EN 1991-1-7.
Требование относительно проектирования и строительства зданий с обеспечением достаточной живучести и предполагаемых аварийных ситуаций содержится в EN 1990. Подробные указания по обеспечению живучести каркасов зданий представлены в EN 1991-1-7 и не дифференцируются в зависимости от материалов либо толщин элементов.
Легкие стальные тонкостенные конструкции, как правило, имеют достаточную живучесть и надежность за счет наличия большого количества конструктивных элементов и узлов, что обеспечивает многосвязность конструкции. При этом следует обращать особое внимание на соответствующую несущую способность соединений.
Долговечность эксплуатации ЛСТК обеспечивается за счет защитных покрытий элементов, перераспределения усилий и пространственной работы, а также минимизации влияния остаточных концентраторов напряжений.
ОПИРАНИЕ НА ФУНДАМЕНТЫ
Каркасы с применением легких стальных тонкостенных конструкций должны предусматривать надежное крепление к фундаментам. Как правило, применяются два типа опираний тонкостенных элементов на фундаменты:
при разреженных местах опирания – анкерные болты, соединяющие стойки каркаса или направляющие профили с телом фундамента;
при достаточно частых местах опирания стоек (например, в стенах) – сплошные закладные стальные детали.
Помимо расчета анкерных приспособлений, в проверку фундаментов входят расчеты на продавливание, локальное смятие бетона, сдвиг, опрокидывание и отрыв, а также проверки деформаций оснований.
Примеры распространенных типов опираний показаны на рис.
