Группы предельных состояний - что это?

Приветствуем вас уважаемые читатели и посетители нашего сайта. В данной статье мы рассмотрим один из фундаментальных вопросов проектирования строительных конструкций. Речь пойдет о группах предельных состояний. Для кого-то эта информация конечно же давно известна, а кто-то наоборот откроет для себя много интересного. Итак, приступим.

Проектирование строительных конструкций – это очень ответственная задача, потому как от принятых решений зависит надежность работы как здания или сооружения в целом, так и отдельных его частей. Строительные нормы и правила, действующие на данный момент на территории Российской Федерации обязывают при проектировании строительных конструкций использовать метод предельных состояний.

Далеко не всегда, при проектировании строительных конструкций, пользовались методом предельных состояний. До определенного момента времени проектирование по большому счету основывалось на интуиции, соблюдении геометрических пропорций и подражанию природе и никто ни малейшего представления не имел о каких-то сложных методиках расчета. Однако, развитие различных конструктивных форм, таких как фермы, арки, своды и использование в качестве строительных конструкций железобетона, стали, чугуна требовали внедрения каких-то методик определения прочности, усилий и напряжений в тех или иных конструктивных элементах.

Условно, в истории развития методов расчета можно выделить три принципиальных этапа. Не будем подробно рассматривать каждый из них и ограничимся лишь банальным перечислением и краткой характеристикой различных методик расчета:

1. Метод расчета строительных конструкций по допускаемым напряжениям;
2. Метод расчета строительных конструкций по разрушающим усилиям;
3. Метод расчета строительных конструкций по предельным состояниям;

Если вкратце, то в результате данного расчета определялись напряжения от эксплуатационных нагрузок. Конструкция рассматривалась непосредственно в рабочем (не в предельном) состоянии. Величина допускаемых напряжений определялась как некоторая доля от предела прочности умноженная на обобщенный коэффициент запаса и полученные напряжения не должны были превышать допустимые значения. Стоит отметить, что при расчетах железобетонных конструкций по данному методу, никак не учитывалась так называемая стадия пластичных деформаций железобетона и использование метода приводило к завышенному и не всегда оправданному запасу прочности и. как следствие, к перерасходу материала.

Данный метод применялся до 1938 г. в расчете железобетонных конструкций и до 1955 г. в расчете металлических и деревянных конструкций. Да, данный метод морально устарел и приводит к повышенному запасу прочности, но многие люди, особенно люди старой закалки, считают что данный метод можно и нужно применять, особенно если речь идёт о каком-то малоэтажном объекте, где из исходных данных только планировка от руки на тетрадном листочке и работы по проектированию выполняет инженер не самой высокой квалификации. И мы в свою очередь согласны с этим! Конкретно в этом случае пусть лучше будет запас, возможно неоправданный, чем опасность для жизни или ненормальная эксплуатация здания.

Как было сказано выше, метод расчета по допускаемым напряжениям имел некоторые недостатки, которые требовали поиска новых методик расчета строительных конструкций. И вот в 1938 году, после длительных исследований, на смену расчета по допускаемым напряжениям, пришел новый метод, который назывался расчет по разрушающим нагрузкам. Данный метод, в отличие от метода расчета по допускаемым напряжениям, уже учитывал работу железобетонной конструкции в пластической стадии, предполагая что напряжения в сечении достигают предельных значений. Кроме того, в данном методе учитывались именно внутренние напряжения в сечении, а не внешнее усилие как в методе расчета по допускаемым напряжениям. По внутренним напряжениям экспериментально определялась разрушающая нагрузка, а нагрузка, допускаемая в процессе эксплуатации равнялась разрушающей нагрузке с учетом опять таки единого обобщенного коэффициента.

Без сомнений данный метод являлся прорывом и стал огромным шагом на пути развития методов расчета строительных конструкций. Основное достоинство новой методики – это учет более правильной действительной работы железобетонной конструкции под нагрузкой. Но не смотря на этот безусловный плюс, все таки не обошлось и без недостатков. Новая методика, как и предшествующая, основывалась на применении одного единственного коэффициента запаса, который не мог корректно учитывать весь спектр факторов влияющих на ту или иную конструкцию в период изготовления, монтажа и эксплуатации. В дополнение к вышеизложенному минусу данного метода можно отнести и то, что метод расчета по разрушающей нагрузке не давал никакого понимания о состоянии и работе той или иной конструкции в стадии, непосредственно за которой следовало разрушение. Это говорит о том что, никто не обращал внимания на трещины и прогибы…Но стоит отметить, что во времена использования стали и бетона сравнительно малой прочности, конструкции имели настолько массивные сечения, что практически не возникало недопустимых деформаций, мешающих нормальной эксплуатации зданий и сооружений. Но развитие шло семимильными шагами и люди научились создавать более прочные материалы, в частности сталь и бетон повышенной прочности в сравнении с предыдущими аналогами, а это в свою очередь уже привело к оптимизации сечений строительных конструкций, уменьшению их геометрических параметров. Именно в этот момент появилась проблемы недопустимых деформаций строительных конструкций. Появились чрезмерные прогибы мешающие нормальной работе конструкции в период эксплуатации и трещины в бетоне, которые ввиду чрезмерного раскрытия, оголяли арматуру и как следствие она подвергалась коррозии. Таким образом, совокупность всего вышеизложенного привела к необходимости поиска путей совершенствования существующей методики расчета. И эти пути были найдены. В 50-ых годах XX века была создана единая методика расчета строительных конструкций, которая легла в основу строительных норм и правил и используется в настоящее время. Эта методика носила название расчет по предельным состояниям.

Вот мы и подошли с вами, уважаемые читатели, к рассмотрению методики расчета строительных конструкций по предельным состояниям. Итак, друзья, давайте несколько глубже погрузимся в этот вопрос и рассмотрим основные идеи расчета и ознакомимся с несколькими фундаментальными терминами.

Предельным, называют такое состояние строительной конструкции, основания, здания или сооружения при котором они в полной мере перестают удовлетворять заложенным требованиям их эксплуатации. Т.е. либо теряют способность сопротивляться внешним нагрузкам, что влечет за собой частичное или полное разрушение, либо приобретают недопустимы деформации, в результате которых дальнейшая эксплуатация невозможна.

Производя расчет строительных конструкций по предельным состояниям, проектировщик прежде всего ставит перед собой задачу недопущения наступления никаких предельных состояний на протяжении всего срока эксплуатации строительной конструкции, а так же при ее изготовлении, транспортировке и монтаже. Решение данной задачи достигается путем сравнения найденных величин прочностных и деформационных характеристик конструкции с предельно допустимыми значениями указанными в нормах на проектирование. Разумеется, найденные значения не должны превышать значения фигурирующие в нормах на проектирование. Таким образом, предельное состояние никогда не будет достигнуто. Это и есть общая суть расчета.

Стоит отметить еще одну важную особенность данной методики. Заместо единого коэффициента запаса, который применялся ранее, была введена целая система коэффициентов, разделенных по групам предельных состояний и учитывающих обширное разнообразие факторов, влияющих на работу строительной конструкции. А для того, чтобы еще более максимально учесть реалии состояния конструкций в процессе эксплуатации, в соответствии с нормами на проектирование, при расчете нужно учитывать сочетания действия разнообразных нагрузок… Но, с вашего позволения, уважаемые читатели, мы не будем подробно останавливаться на этих тонкостях и вернемся к группам предельных состояний, а вопросы, касающиеся коэффициентов и сочетаний нагрузок постараемся рассмотреть в следующих статьях.

Итак, из всего вышесказанного делаем вывод, что предельные состояния делятся на 2 фундаментальные группы:

• 1-ая группа предельных состояний (по потере несущей способности);
• 2-ая группа предельных состояний (по непригодности к нормальной эксплуатации);

Давайте же попробуем разобраться в группах предельных состояний немного подробнее.

Рис.1. Разделение предельных состояний строительных конструкций, оснований, зданий и сооружений на группы.

Как было сказано ранее 1-ая группа предельных состояний, характеризуется потерей несущей способности. Т.е. в эту группу включены все предельные состояния, при наступлении которых, строительная конструкция теряет устойчивость, крайне близка к разрушению, или разрушена. Последствия наступления предельных состояний 1-ой группы, как правило, очень часто приводят к трагическим последствиям.

Статистика утверждает, что ошибки проектирования, которые привели к обрушению конструкций зданий и сооружений составляют лишь 9…10% от общего числа совокупности остальных причин.

Единственной высшей целью расчета по 1-ой группе предельных состояний является полное исключение возникновения любого предельного состояния, которое относится к 1-ой группе. Таким образом, правильный расчет по 1-ой группе предельных состояний обеспечивает надежную несущую способность той или иной конструкции.

В общем случае, несущая способность является обеспеченной, если выполняется условие:

N ≤ Ф

Где:

• N – максимально возможная нагрузка. Данная величина так же носит названия: “расчетная нагрузка” или “расчетное усилие”. Это всевозможные продольные и поперечные силы, изгибающие моменты, для некоторых случаев различные напряжения и т.д. Данная величина зависит от многих условий и факторов таких как: расчетная схема, типы креплений и соединений, место расположения проектируемой конструкции и т.д. Определяется расчетным путем по законам и правилам строительной механики;
• Ф – минимальная несущая способность. Это величина, которая на 99.9% зависит от материала конструкции и геометрических характеристик сечения таких как: площадь сечения, момент инерции, осевой момент сопротивления и т.д.;

К предельным состояниям 2-ой группы относятся все возможные недопустимые прогибы, деформации, осадки, трещины и т.д., с появлением и развитием которых, эксплуатация строительных конструкций, зданий и сооружений становится затруднительной или невозможной. Иначе говоря несущая способность у конструкции еще есть и может быть довольно приличная, она не разрушилась и не потеряла устойчивость, но дальнейшая её эксплуатация попадает под сомнение. Например конструкции стропил прогнулись настолько, что это привело к повреждению кровельного покрытия и нарушению гидроизоляционного слоя. Еще один например, прогибы монолитного перекрытия оказались настолько большими, что перекрытие оказывает давление на ненесущие стены и имеется риск их разрушения. Примеры можно приводить до бесконечности, но давайте попробуем рассмотреть основы расчета по предельным состояниям 2-ой группы.

Целью расчета по 2-ой группе предельных состояний по аналогии с расчетом по 1-ой группе предельных состояний, является полное исключение возникновения любого предельного состояния, которое относится к 2-ой группе.

Опять же, в общем случае, предельные состояния относящиеся ко 2-ой группе не наступят, если выполняется условие:

f ≤ f_u

Где:

• f – Фактическая деформация строительной конструкции. Данная величина зависит главным образом от действующей нагрузки на конструкцию, расчетной схемы, вида материала, геометрических характеристик сечения и т.д. Определение искомой величины деформации так же проводят путем расчета, опираясь на фундаментальные законы и правила строительной механики.;
• f_u – Максимально возможная или предельная деформация строительной конструкции. Значения данной величины четко регламентируются нормами на проектирование в зависимости от типа конструкции. Например, приложение Д из СП 20.13330.2016 “Нагрузки и воздействия”, ограничивает максимальный прогиб для балок, ферм, ригелей, прогонов, плит, настилов (включая поперечные ребра плит и настилов) покрытий и перекрытий, открытых для обзора, при пролете l ;

Например, приложение Д из СП 20.13330.2016 “Нагрузки и воздействия”, для балок, ферм, ригелей, прогонов, плит, настилов (включая поперечные ребра плит и настилов) покрытий и перекрытий, открытых для обзора, при пролете l = 6 метров, ограничивает максимальный прогиб значением l/200 (где l – это значение пролета). Таким образом, если мы имеем пролет l = 6 метров, то значение максимального прогиба в этом случае будет равняться: f_u = l/200 = 6/200 = 0.03 м = 3 см = 30 мм.

Ну что, вот мы и рассмотрели фундаментальные основы расчета по предельным состояниям 1-ой и 2-ой группы, с небольшой примесью фактов из истории развития методов расчета строительных конструкций. Искренне благодарим всех дочитавших до конца и хотим отметить, что в данной статье освещены лишь общие принципы метода расчета строительных конструкций по предельным состояниям и более подробная информация касательно тонкостей данной методики, конкретных формул, условий и значений конкретизируется более детально уже в зависимости от конструкции, ее геометрических характеристик, действующих на нее нагрузок, расчетной схемы, материала, из которого данная конструкция создана или будет создана и т.д…Но об этом мы попытаемся рассказать в следующих статьях. Спасибо за внимание.