Что понимается под предельным состоянием строительных конструкций

Основные понятия о предельном состоянии

В сопромате методики расчета на прочность стержней, ба­лок и конструкций основаны на оценке прочности материала в опасной точке, т. е. проводится расчет по допускаемым напряжениям. Опасным, или предельным, состоянием конструкции считается такое ее состояние, при котором наибольшее местное напряжение достигало опасной величины — предела текучести (для пластичного материала) или временного сопротивления (для хрупкого материала). Состояние всей остальной массы материала во внимание не принимается.

В то же время при неравномерном распределении напряжений, например при изгибе, кручений, в статически неопределимых конструк­циях, изготовленных из пластичных материалов, появление местных напряжений, равных пределу текучести, в большинстве случаев не является опасным для всей конструкции в целом.

В связи с этим возникла необходимость в оценке прочности кон­струкции по ее предельному состоянию.

Под предельным состоянием конструкции понимают такое ее со­стояние, при котором она теряет способность сопротивляться внеш­ним воздействиям или перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям.

Различают три вида предельных состояний: а) по несущей способ­ности (прочности, устойчивости и усталости). При достижении этого состояния конструкция теряет способность сопротивляться внешним воздействиям или получает такие остаточные изменения, при которых она перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям; б) по развитию чрезмерных деформаций от статических или динамических нагрузок, при которых в конструкции, сохраня­ющей прочность и устойчивость, появляются необратимые деформации или колебания чрезмерной амплитуды, так что конструкция перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям; в) по образованию и развитию трещины, когда в конструкции, сохра­няющей прочность и устойчивость, появляются крупные трещины, вследствие чего дальнейшая эксплуатация конструкции становится не­возможной (потеря требуемой водонепроницаемости, опасность кор­розии из-за повреждения отделочного слоя и т. п.).

Методы расчетов по предельным состояниям широко применяются при проектировании строительных конструкций и позволяют вскрыть резервы прочности, не используемые при расчетах по допускаемым напряжениям, и уменьшить вес конструкции.

2.2.2. Группы предельных состояний

Предельным называется такое состояние, при котором сооружение (конструкция) перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям, т.е. теряет способность сопротивляться внешним воздействиям и нагрузкам, получает недопустимые перемещения или ширину раскрытия трещин и т.д.

По степени опасности нормы устанавливают две группы предельных состояний: первая группа — по несущей способности;

вторая группа — по к нормальной эксплуатации.

К предельным состояниям первой группы относят хрупкое, вязкое, усталостное или иное разрушение, а также потерю устойчивости формы, потерю устойчивости положения, разрушение от совместного действия силовых факторов и неблагоприятных условий окружающей среды.

Предельные состояния второй группы характеризуются образованием и чрезмерным раскрытием трещин, чрезмерными прогибами, углами поворота, амплитудами колебаний.

Расчет по первой группе предельных состояний является основным и обязательным во всех случаях.

Расчет по второй группе предельных состояний производится для тех конструкций, которые теряют свои эксплуатационные качества вследствие наступления вышеперечисленных причин.

Задачей расчета по предельным состояниям является обеспечение требуемой гарантии того, что за время эксплуатации сооружения или конструкции не наступит ни одно из предельных состояний.

Переход конструкции в то или иное предельное состояние зависит от многих факторов, наиболее важными из которых являются:

1. внешние нагрузки и воздействия;

2. механические характеристики бетона и арматуры;

3. условия работы материалов и конструкции.

Каждый фактор характеризуется изменчивостью в процессе эксплуатации, причем изменчивость каждого фактора в отдельности не зависит от остальных и является процессом случайным. Так нагрузки и воздействия могут отличаться от заданной вероятности превышения средних значений, а механические характеристики материалов — от заданной вероятности снижения средних значений.

В расчетах по предельным состояниям учитывают статистическую изменчивость нагрузок и прочностных характеристик материалов, а также различные неблагоприятные или благоприятные условия работы.

2.2.3. Нагрузки

Нагрузки делятся на постоянные и временные. Временные, в зависимости от продолжительности действия, подразделяются на длительные, кратковременные и особые.

К постоянным нагрузкам относятся вес несущих и ограждающих конструкций, вес и давление грунта, усилие предварительного обжатия.

К длительным временным нагрузкам относят вес стационарного оборудования на перекрытиях; давление газов, жидкостей, сыпучих тел в емкостях; нагрузки в складских помещениях; длительные температурные технологические воздействия, часть полезной нагрузки жилых и общественных зданий, от 30 до 60% веса снега, часть нагрузок мостовых кранов и т.д.

Кратковременными нагрузками или временными нагрузками непродолжительного действия считаются: вес людей, материалов в зонах обслуживания и ремонта; часть нагрузки на перекрытиях жилых и общественных зданий; нагрузки, возникающие при изготовлении, перевозке и монтаже; нагрузки от подвесных и мостовых кранов; снеговые и ветровые нагрузки.

Особые нагрузки возникают при сейсмических, взрывных и аварийных воздействиях.

Различают две группы нагрузок — нормативные и расчетные.

Нормативными называют такие нагрузки, которые не могут быть превышены при нормальной эксплуатации.

Нормативные нагрузки устанавливаются на основе опыта проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений.

Принимаются они по нормам с учетом заданной вероятности превышения средних значений. Величины постоянных нагрузок определяют по проектным значениям геометрических параметров и средним величинам плотности материалов.

Нормативные временные нагрузки устанавливаются по наибольшим значениям, например, ветровые и снеговые нагрузки -по средним из ежегодных значений для неблагоприятного периода их действия.

Изменчивость нагрузок, в результате которой возникает вероятность превышения их величин, а в отдельных случаях и снижения, по сравнению с нормативными, оценивается введением коэффициента надежности .

Расчетные нагрузки определяются умножением нормативной нагрузки на коэффициент надежности, т.е.

(2.38)

где q_n — нормативная нагрузка.

При расчете конструкций по первой группе предельных состояний принимается, как правило, больше единицы и только в том случае, когда уменьшение нагрузки ухудшает условия работы конструкции, принимают < 1 .

Расчет конструкции по второй группе предельных состояний производится на расчетные нагрузки с коэффициентом =1, учитывая меньшую опасность их наступления.

Сочетание нагрузок

На сооружение действует одновременно несколько нагрузок. Одновременное достижение их максимальных значений маловероятно. Поэтому расчет производится на различные неблагоприятные сочетания их, с введением коэффициента сочетаний.

Различают два вида сочетаний: основные сочетания, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок; особые сочетания, состоящие из постоянных, длительных, возможных кратковременных и одной из особых нагрузок.

Если в основное сочетание входит только одна кратковременная нагрузка, коэффициент сочетаний принимается равным единице, при учете двух и более кратковременных нагрузок последние умножаются на 0,9.

При проектировании следует учитывать степень ответственности и капитальности зданий и сооружений.

Учёт осуществляется введением коэффициента надёжности по назначению, который принимается в зависимости от класса сооружений.Для сооружений 1 класса (объекты уникальные и монументальные) , дляобъектов II класса (многоэтажные жилые, общественные, производственные) . Для сооружений III класса

Предельные состояния строительных конструкций

Расчет конструкций производится для того, чтобы определить возникающие в них усилия от действующих нагрузок, назначить необходимые размеры поперечного сечения элементов, требуемое количество арматуры (в железобетонных элементах), размеры соединительных деталей (в местах сопряжения элементов) с тем, чтобы при минимальных затратах материалов гарантировать конструкциям необходимые эксплуатационные качества в течение всего установленного срока их службы.

Конструкция может потерять необходимые эксплуатационные качества по одной из трех причин:
1) вследствие исчерпания несущей способности (разрушения материала в наиболее нагруженных сечениях, потери устойчивости отдельных элементов или всей конструкции в целом);
2) вследствие чрезмерных деформаций (прогибов, колебаний и др.);
3) вследствие образования трещин или чрезмерного их раскрытия.

Используемые в расчете величины нагрузок, прочностных и деформативных характеристик материалов установлены «Строительными
нормами и правилами». Эти величины обладают определенной изменчивостью и могут иметь отклонения от нормативных значений как в большую, так и в меньшую сторону.

Строительные конструкции рассчитывают по методу предельных состояний, который дает возможность гарантировать сохранение необходимых эксплуатационных качеств конструкции при практически наибольших отклонениях в величине нагрузки и возможном наихудшем качестве материалов.

В соответствии с указанными выше тремя причинами, которые могут вызвать потерю эксплуатационных качеств конструкции, установлены три расчетных предельных состояния:
1) по несущей способности;
2) по деформациям;
3) по образованию или раскрытию трещин.

Расчет по несущей способности (по первому предельному состоянию) должен быть выполнен для всех видов конструкций.

Расчет по деформациям (по второму предельному состоянию) производится для тех конструкций, чрезмерные деформации которых могут привести к потере эксплуатационных качеств еще до того, как будет исчерпана их несущая способность. Примером такой конструкции могут служить настилы большого пролета и малой толщины, необходимое сечение которых определяется не условием прочности, а величиной прогиба, допускаемого при нормальной эксплуатации.

Расчет по образованию или раскрытию трещин (по третьему предельному состоянию) производится только для определенных видов железобетонных и каменных конструкций. Так, резервуары, трубы и некоторые другие конструкции могут потерять свои эксплуатационные качества вследствие образования трещин; размеры сечений таких конструкций в ряде случаев определяются условием их трещиностойкости. В элементах железобетонных и каменных конструкций, где допускается образование трещин, ограничивают ширину их раскрытия, что обеспечивает необходимую долговечность конструкции.

К какой группе предельных состояний относится проверка гибкости?

5.1.1. Предельные состояния строительного объекта следует подразделять следующим образом:
— аварийное предельное состояние, соответствующее разрушению зданий и сооружений при аварийных воздействиях и ситуациях с катастрофическими последствиями;
— первая группа предельных состояний — состояния строительных
— объектов, реализация которых приводят к потере несущей способности строительных объектов;
— вторая группа предельных состояний — состояния, при реализации которых нарушается нормальная эксплуатация строительных объектов или исчерпывается ресурс их долговечность;
— устанавливаемые в нормах или заданиях на проектирования другие предельные состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию строительных объектов (например, состояния при которых нарушается комфортность населения).

5.1.2. К предельным состояниям первой группы следует относить:
— разрушение любого характера (например, пластическое, хрупкое, усталостное);
— потерю устойчивости формы;
— явления, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации (например, чрезмерные деформации в результате деградации свойств материала, пластичности, сдвига в соединениях, а также чрезмерное раскрытие трещин).

5.1.3. К предельным состояниям второй группы следует относить:
— достижение предельных деформаций конструкций (например, предельных прогибов, углов поворота) или предельных деформаций оснований, устанавливаемых исходя из технологических, конструктивных или эстетико-психологических требований;
— достижение предельных уровней колебаний конструкций или оснований, вызывающих вредные для здоровья людей физиологические воздействия;
— образование трещин, не нарушающих нормальную эксплуатацию строительного объекта;
— достижение предельной ширины раскрытия трещин;
— другие явления, при которых возникает необходимость временного ограничения эксплуатации здания или сооружения из-за неприемлемого снижения их эксплуатационных качеств или расчетного срока службы (например, коррозионные повреждения).

Я бы отнес к первой группе, потому что если маленькая гибкость, то — «потеря устойчивости формы»