Нормативные требования к строительным конструкциям и сооружениям

1.3. Нормативные требования к строительным конструкциям и сооружениям

К любым сооружениям предъявляются следующие требования:

- все сооружения, а также отдельные их элементы должны быть прочны и устойчивы, т.е. должна быть обеспечена несущая способность сооружений;

- перемещения элементов не должны выходить за пределы, обусловленные возможностью и удобством эксплуатации;

- не должны возникать трещины и повреждения, нарушающие возможность нормальной эксплуатации или снижающие долговечность сооружений.

В то же время не должны допускаться и излишние запасы как в отношении классов и марок применяемых материалов, так и в отношении сечений отдельных элементов, а также и в конструктивной системе сооружения в целом.

Наблюдения за состоянием построенных зданий и сооружений, уроки аварий и катастроф, опытные данные, получаемые в лабораториях и при натурных испытаниях конструкций, помогли понять, что принимаемые при проектировании теоретические расчетные схемы в той или иной мере не всегда соответствуют действительной работе возведенных объектов.

Несоответствия, характерные для стадии проектирования, сохраняются в течение всего срока эксплуатации сооружения, дополняясь и преобразовываясь под влиянием новых факторов, возникающих на различных этапах существования сооружения.

Уточнение знаний о действительной работе конструкций достигается на основе анализа опытных данных. Потребность в достоверных источниках этих знаний однозначно определяет практическое значение и актуальность экспериментальных методов исследования строительных конструкций сооружений.

Рекомендуемые материалы

Надежность и долговечность строительных конструкций сооружений обеспечивается в том случае, когда поперечные сечения, узлы сопряжении, соединения, назначенные при проектировании с учетом генеральных размеров и действия всевозможных нагрузок, обладают достаточной прочностью, устойчивостью, трещиностойкостью, а также обеспечивают развитие деформаций не более чем в допустимых пределах и необходимую коррозийную стойкость. Реализация этих требований должна достигаться при минимальных затратах материалов и денежных средств.

Дифференцированно с большой точностью учесть влияние каждого из этих факторов на работу конструкций при проектировании обычно не удается. Поэтому проектировщики составляют конструктивную схему здания и, оперируя комплексом нормативных нагрузок, прочностных характеристик материалов, системой частных коэффициентов запаса, принятых в СНиП, назначают расчетную схему, наиболее соответствующую, по их представлению, действительной работе конструкций. Заложенные в СНиП требования, параметры постоянно уточняются опытными данными и, соот­ветственно, исправляются. Следовательно, применяемые расчетные схемы являются идеализированными подобиями конструкций и в какой-то степени не соответствуют их действительной работе. Иными словами, все расчеты содержат элементы условности, которые необходимо уметь правильно оценивать и учитывать.

Практика показывает, что при оценке состояния и работы сооружений, находящихся в эксплуатации, необходимо учитывать:

- условность статических расчетных схем и возможные отклонения

вычисленных по ним усилий от действительного распределения их в конструкциях сооружений;

- условность применяемых расчетных характеристик материалов;

- возможные отклонения нагрузок от расчетных значений;

- фактическое влияние внешней среды.

Оценить влияние всего комплекса перечисленных факторов теоре­тическим путем часто бывает невозможно. Выход из этого положения один - экспериментальное исследование материалов и конструкций.

Таким образом, испытание сооружений не теряет своей актуальности, оставаясь и в перспективе единственно достоверным способом для оценки влияния допущений, принимаемых в расчетах, соответственно влияющих на надежность и долговечность сооружений.

Условность расчетных схем

Расчетную схему сооружения назначают исходя из конструктивной схемы, стараясь обеспечить возможно более полное совпадение расчетных усилий с усилиями, которые будут возникать в натурной конструкции.

Так как дифференцированно удовлетворять в расчетной схеме всем условиям работы конструкции бывает трудно, то часть второстепенных факторов обычно не учитывают, то есть подменяют действительную работу, конструкций упрощенной «идеализированной» расчетной схемой - например, при расчетах железобетонных рам с жесткими узлами на вертикальную нагрузку ригель рассчитывают как изгибаемый элемент, а действием про­дольной силы и горизонтальным смещением узлов пренебрегают.

Второй пример. При расчетах стальных ферм принимают, что соединение элементов решетки с поясами в плоскости фермы шарнирное, тогда как в местах крепления стержней к фасонкам образуются жесткие узлы и, следовательно, возникают изгибающие моменты, вызывающие дополнительные напряжения в фасонках, а также изгиб стержней вблизи узлов. Расчет с учетом этих дополнительных усилий сложен и трудоемок. Поэтому жесткостью узлов пренебрегают. Принятое допущение снижает несущую способность ферм, поэтому недостаток расчетной схемы восполняют конструктивными приемами.

При опирании однопролетной балки на кирпичную стену эпюру напряжений в опорной части принимают прямоугольной или треугольной, хотя в действительности она имеет более сложное очертание. В результате этих допущений изменяется расчетная длина пролета.

Различные допущения неизбежны при любых расчетных схемах. Важно, правильно оценить их влияние на расчетные усилия: идут ли они в ущерб надежности конструкции или нет, в какой степени и т.д.

Условность расчетных характеристик строительных материалов

Все расчеты строительных конструкций производятся по нормативным и расчетным характеристикам, регламентированным СНиП.

При определении расчетных нагрузок нормативные нагрузки умножают на коэффициенты надежности, установленные СНиП в пределах статистически возможных отклонений с учетом климатических условий, назначения и очертания объекта.

Нормативные величины сопротивления материалов корректируют коэффициентами надежности по материалам с учетом коэффициентов условий работы. Считается, что конструкция находится в предельном состоянии при достижении этих условных характеристик (напряжений, деформаций и т.д.), тогда как оценку состояний конструкции в натуре производят по действительным нагрузкам, прочности и деформациям. Отсюда возникает несоответствие расчетной схемы действительной работе конструкции, которое приводят к недоучету перегрузки конструкции или, наоборот, к «фиктивному» перегружению ее.

В классических курсах сопротивления материалов, строительной механики, теории упругости и строительных конструкций исходят из того, что все материалы действительно являются «абсолютно» плотными, сплошными, однородными и изотропными телами, тогда как в действительности конструкции выполняются из реальных материалов, свойства которых отличаются от идеализируемых.

В реальных материалах всегда имеются поверхностные и внутренние трещины, поры, неоднородности и другие дефекты. В результате наличия дефектов прочность материалов может оказаться меньше проектной. Особенно опасны поверхностные дефекты с острыми углами, на краях которых при действии на тело внешних сил возникает концентрация напряжений - образуется вторичное поле напряжений.

Разрушение начинается, когда напряжения в пиках концентрации напряжений приближаются к физической (теоретической или идеальной) прочности материала (формула 1.8):

R_тeор ≈ [ε_отн]· Е                                         (1.8)

где: Е - модуль Юнга;

[ε_отн] - предельная относительная деформация.

Наличие дефектов в реальных условиях работы конструкций приводит к снижению прочности до уровня технической, которой пользуются в практике. Она в сотни и даже иногда тысячи раз меньше физической прочности. Например, прочность бетона на растяжение не превышает R_р,≤ 0.00015Е_σ, т.е. меньше  R_тeор, по крайней мере, в 600 раз. Неправильный уход за материалом, например, за бетоном, может привести к увеличению трещиноватости и еще большему снижению прочности.

Значительное влияние на прочность материала оказывает также его анизотропность. Например, в древесине прочность вдоль и поперек волокон разная, и это учитывается в расчетах, а разница прочности бетона вдоль и поперек направления уплотнения при вибрировании, или в металле вдоль и поперек проката в расчетах не учитывают. Условность расчетных характе­ристик также вызывается неоднородностью работы составных сечений. В таких элементах всегда имеются несовершенства, возникающие в результате неточности изготовления деталей, дефектов в местах сопряжении, разно­родности применяемых материалов, недостаточных связей между элементами и т.д., которые приводят к внутренним сдвигам, искажающим схематическую картину распределения усилий, принятую по проекту. В этих случаях теоретические расчеты оказываются малоэффективными и для оценки отклонений от расчетных характеристик производят испытания в натурных условиях.

Влияние температурных и влажностных условий эксплуатации

Сооружения обычно подвергаются воздействию температур наружного воздуха с годичными, месячными, суточными циклами колебаний.

Температура в конструкциях изменяется при изменении температуры окружающей среды, стремясь восстановить термодинамически равновесное состояние. Выравнивание температуры конструкций с температурой окружающей среды происходит по глубине элемента неравномерно: в наружных слоях материал прогревается или остывает интенсивнее, чем во внутренних. Поэтому температура конструкции на разной глубине от поверхности не одинакова. Неравномерность температуры в разных слоях материала приводит к не-равномерности напряжений в теле конструкции. В результате в массивных конструкциях из материалов, обладающих не-большой теплопроводностью, таких, как бетон, возникают температурные волны, приводящие в ряде случаев к об-разованию трещин внутри бетонных и железобетонных конструкций.

В конструкциях из материалов, обладающих большой теплопроводностью, например из стали, могут возникнуть циклические деформации, достигающие иногда недопустимых величин или приводящие к разрыву конструкций. Например, разрушаются бандажи на дымовых трубах, появляются трещины в резервуарах и мостах.

Влияние изменения свойств, строительных материалов во времени

Материал в сооружениях, по аналогии с биологическими средами, «живет», т.е. его состояние и характеристики в известной степени (в зависимости от рода материала, условий эксплуатации и приложенных нагрузок) изменяются во времени. Рассмотрим несколько наиболее характерных примеров.

Общеизвестно, что прочность бетона в сооружениях со временем возрастает. Однако при неблагоприятных условиях - при низких температурах свежеуложенного бетона, недостаточном увлажнении его и, в особенности, при воздействии агрессивных сред, это нарастание прочности не только замедляется, но может приостановиться совсем, а в отдельных случаях - даже замениться обратным процессом.

При приложении внешней нагрузки зависимость между напряжениями и деформациями в бетоне носит криволинейный характер. Но при повторных циклах нагружения (не превосходящих 40-50% от предела прочности) график деформаций постепенно выпрямляется (рис. 1.5) и бетон начинает работать практически упруго.

Рис.1.5. График деформаций при повторных загружениях бетона

В таких условиях находятся, например, железобетонные мосты, систематически загружаемые проходящей подвижной нагрузкой. Наоборот, длительная выдержка сооружения в ненагруженном состоянии ведет к частичному восстановлению криволинейности диаграммы деформаций.

Характеристики металла в элементах конструкций, работающих в упругой стадии, остаются практически стабильными. Пластические деформации вызывают явление наклепа, влияющего на физико-механические свойства материала (снижение пластичности, увеличение хрупкости, развитие анизотропии и т.д.). Длительная разгрузка отчасти восстанавливает первоначальные свойства.

Наклеп и механическое старение металла создают условия для возникновения и развития, в особенности при пониженных температурах, опасных для целости конструкций "хрупких" трещин.

Постепенное изменение физико-механических свойств наблюдается и в других материалах - дереве, пластмассах и т.д., тем более значительное, чем в более сложных условиях протекает процесс эксплуатации сооружения. При оценке действительной работы и несущей способности конструкций выявление и учет возможных изменений характеристик материалов являются задачей первостепенной важности.

Влияние разуплотнения стыков и соединений элементов на работу сооружения

Рекомендация для Вас - РОКОТОВ Федор Степанович.

При вводе сооружения в эксплуатацию при первых же загружениях возникают сдвиги и пластические деформации в соединениях и связях, сопровождающиеся появлением характерных для начальной работы конструкции так называемых "рыхлых" прогибов и перемещений.

Постепенно элементы как бы взаимно "притираются" и приспосабливаются к условиям эксплуатации, однако сдвиги и остаточные деформации в соединениях и связях все же возрастают. Элементы начинают работать менее слитно, ухудшаются условия их крепления и опирания, появляются трещины и другие повреждения, и возможность нормальной эксплуагации нарушается.

Таким образом, состояние и работа сооружений переменны во времени. Последовательно при этом сменяются три стадии:

1 - период "приспособления", продолжающийся до тех пор, пока деформации, как в основном материале элементов, так и в их соединениях, становятся практически стабильными в данных условиях эксплуатации;

2 - длительный период нормальной работы;

3 - период "старения", сопровождающийся расстройством соединений и связей, появлением различных повреждений и ухудшением показателей работы всего сооружения.