• И Н Ж К НКГ’НО ТЕХНИЧЕСКОЕ
i но с’1 роителеи
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДА РАСЧЕТА
Строительных конструкций ю расчетным предельным состояниям и нагрузки
11
О с к
в л


Научный редактор — инж. Л. Е. Темкин
В брошюре изложены основные принципы метода расчета по расчетным предельным состояниям, дано обоснование расчетных коэффициентов, приведены сравнительные с другими методами расчета данные, а также изложены основные принципы учета нагрузок при расчете строительных конструкций и оснований по методу расчетных предельных состояний.
Брошюра предназначена для инженеров и техников- строителей.


ПРЕДИСЛОВИЕ
В Строительных нормах и правилах, утвержденных Государственным комитетом Совета Министров СССР по делам строительства для обязательного применения, принят новый метод рас чета строительных конструкций и естественных оснований зданий и сооружений по расчетным предельным состояниям. Для того чтобы облегчить широким кругам инженерно-технических работников освоение этого метода расчета, Всесоюзное научное инженерно-техническое общество строителей предприняло выпуск ряда пособий, в которых объясняется сущность нового метода и приводятся числовые примеры расчета по расчетным предельным состояниям.
Выходят следующие пособия:
1 д-ра техн. наук И. И. Гольденблата Основные положения по расчету строительных конструкций по расчетным предельным состояниям и нагрузки, под ред. чл.-корр. АН СССР проф. Н. С. Стрелецкого;
2 канд. техн. наук К. Э. Таля Расчет бетонных и железобетонных конструкций по расчетным предельным состояниям, под ред. лауреата Сталинской премии чл.-корр. Акад. арх. СССР проф. А. А. Гвоздева;
3 лауреата Сталинской премии канд. техн. наук С. А. Се- менцова Расчет каменных и армокаменных конструкций по расчетным предельным состояниям, под ред. чл.-корр. Акад. арх. СССР проф. JT. И. Онищика;
4 канд. техн. наук В. А. Балдина Расчет стальных конструкций по расчетным предельным состояниям, под ред. чл.-корр. АН СССР проф. Н. С. Стрелецкого;
3


5 канд. техн. наук В. М. Коченова Расчет деревянных конструкций по расчетным предельным состояниям, под ред. лауреата Сталинской премии д-ра техн. наук Г. Г. Карлсена;
6 канд. техн. наук Р. А. Токаря Расчет естественных оснований зданий и сооружений по расчетным предельным состояниям, под ред. чл.-корр. АН СССР проф. Н. А. Цытовича.
Оргбюро В НИТО строителей


Глава I
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДА РАСЧЕТА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПО РАСЧЕТНЫМ
ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ
1. ВВЕДЕНИЕ
Разработанный советскими учеными новый метод расчета строительных конструкций по расчетным предельным состояниям имеет большое научное и практическое значение. Внедрение этого метода обеспечивает повышение качества строительных конструкций, приближение расчетных предпосылок к действительным условиям работы конструкций, а также более экономное расходование материалов.
Еще до войны в Советском Союзе был принят новый метод расчета железобетонных конструкций по стадии разрушения, а позднее, в 1942 г.1, на основе анализа изменчивости нагрузок в нормах проектирования бетонных и железобетонных конструкций по стадии разрушения были приняты переменные коэффициенты запаса, функционально зависящие от отношения временных нагрузок к постоянным. Следует отметить, что одно только последнее мероприятие м первый же год применения новых норм позволило сэкономить значительное количество металла. Расчет по разрушающим нагрузкам бетонных, железобетонных и затем каменных и армокаменных конструкций, а также внедрение переменных коэффициентов запаса прочности явились известным этапом в деле разработки метода расчета по расчетным предельным состояниям. Дальнейшее развитие и распространение метода расчетных предельных состояний на конструкции из различных материалов являлось в то время одной из наиболее актуальных задач, выдвигаемых строительной техникой.
Большое значение для разработки метода расчетных предельных состояний имело предложение проф. Н. С. Стрелецкого по
1 Указания по проектированию и применению бетонных и железобетонных конструкций в условиях военного времени У 37-42Наркомстрой, Строй- издат, 1943.
5


выбору системы и обоснованию величин расчетных коэффициентов1.
В своей окончательной форме метод расчетных предельных состояний был разработан коллективом научных сотрудников Центрального научно-исследовательского института промышленных сооружений ЦНИПС Министерства строительства предприятий металлургической и химической промышленности в 1945—1950 гг.
Метод расчетных предельных состояний еще до введения в действие Строительных норм и правил2 получил применение в практике проектирования при расчете некоторых конструкций высотных зданий г. Москвы, при проектировании газгольдеров, трубопроводов и т. д.
Отдельные положения метода расчетных предельных состояний можно найти в классических методах расчета подпорных стенок и каменных сводов на устойчивость, в расчетах давления земли, в расчетах против выпирания грунта из-под фундаментов и т. д.; по существу расчеты гибких стержней на продольный изгиб также основаны на рассмотрении предельного состояния потери стержнем устойчивости.
Однако попытки использовать классические представления для изучения картины предельных состояний более сложных конструкций, в особенности конструкций, изготовленных из таких комплексных материалов, как железобетон и армированная кладка, натолкнулись на значительные трудности. Понадобились многолетние теоретические и экспериментальные исследования для того, чтобы картины предельных состояний основных строительных конструкций при различных схемах силового на них воздействия стали достаточно ясны.
Только после проведения этих работ оказалась возможной разработка метода расчетных предельных состояний, базирующегося на твердой экспериментальной основе.
Ниже излагаются основные положения метода расчетных предельных состояний.
2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ МЕТОДА
РАСЧЕТНЫХ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ
Согласно методу расчетных предельных состояний расчет строительных конструкций должен основываться на анализе процессов перехода конструкций в расчетные предельные состояния, т. е. в такие состояния конструкций, при которых они теряют способность сопротив-
1 Проф. Н. С. Стрелецкий, Основа статистического учета коэффициента запаса прочности сооружений, Стройиздат, 1947.
2 Строительные нормы и правила, в которых метод расчета строительных конструкций по расчетным предельным состояниям принят в качестве обязательного, утверждены Государственным комитетом Совета Министров СССР по делам строительства со сроком введения в январе 1955 г.
С


ляться внешним воздействиям или перестают удовлетворять предъявляемым к ним эксплуатационным требованиям.
Необходимо остановиться несколько подробнее на понятии расчетные предельные состояния.
Для этой цели проще всего рассмотреть результаты испытаний слабоармированных железобетонных балок. Такие испытания показывают, что, как только напряжения в арматуре достигают предела текучести, балка сильно и необратимо провисает т. е. получает большие остаточные деформации и покрывается большим количеством трещин. Ясно, что дальнейшая эксплуатация такой балки делается невозможной хотя для ее обрушения требуется некоторое дальнейшее увеличение внешней нагрузки. Таким образом, железобетонная балка переходит в предельное состояние, как только напряжения в арматуре достигли предела текучести. Аналогичную картину можно наблюдать в области стальных конструкций. Превращение стальных конструк ций в кинематически изменяемые требует во многих случая образования большого количества пластических шарниров. Одна ко этот процесс для многих типов стальных конструкций проте кает таким образом, что после образования первых пластических шарниров задолго до превращения этих конструкций в кинема тические изменяемые их дальнейшая эксплуатация делается невозможной благодаря возникшим значительным остаточным деформациям.
Таким образом, в ряде случаев разумеется, не всегда расчетное предельное состояние наступает задолго до исчерпания конструкцией ее несущей способности.
Для полного уяснения понятия расчетного предельного состояния конструкций следует отметить, что расчетное предельное состояние может наступить и тогда, когда конструкция, сохраняющая прочность и устойчивость, испытывает значительные обратимые деформации. Так, например, в конструкции при проходе нагрузки могут появиться такие колебания, которые сделают продвижение нагрузки невозможной и эксплуатация конструкций будет прекращена. Следовательно, в данном случае мы также имеем дело с предельным состоянием.
Таким образом, расчет по методу расчетных предельных состояний исходит из того, что конструкции должны удовлетворять в первую очередь эксплуатационным требованиям. Для этой цели вводится понятие расчетного предельного состояния, т. е. такого состояния, при котором конструкция перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям.
Из приведенных пояснений ясно, что метод расчетных состояний требует анализа всего процесса перехода конструкций в предельное состояние в его последовательном развитии например, последовательности образования пластических шарниров в статически неопределимых системах и анализа условий эксплуатации каждой конструкции и сооружения.
7


Различаются три вида расчетных предельных состояний:
а первое предельное состояние — по несущей способности прочности, устойчивости и усталости материала, при достижении которого конструкция теряет способность сопротивляться внешним воздействиям или получает такие остаточные изменения, при которых она перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям;
б второе предельное состояние — по развитию чрезмерных деформаций от статических или динамических нагрузок, при достижении которого в конструкции, сохраняющей прочность и устойчивость, появляются такие обратимые деформации или колебания, при которых конструкция перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям;
в третье предельное состояние — по образованию или раскрытию трещин, при достижении которого трещины в конструкции, сохраняющей прочность и устойчивость, появляются и раскрываются до такой величины, при которой дальнейшая эксплуатация становится невозможной вследствие потери требуемой водонепроницаемости, опасности коррозии вследствие повреждения отделочного слоя и т. д.
В приведенную классификацию предельных состояний можно уложить все встречающиеся на практике случаи.
В зависимости от типа и условий работы конструкции на первый план выдвигают то или иное расчетное предельное состояние. Так, для железобетонного напорного трубопровода недопустимо появление трещин третье предельное состояние; для железобетонных и стальных колонн, поддерживающих подкрановые пути, недопустима недостаточная жесткость, при которой может быть нарушено беспрепятственное движение крана второе предельное состояние; для фундаментов под быстроходные машины недопустима чрезмерно большая амплитуда колебаний второе предельное Состояние и т. д.
Значительное провисание перекрытий, грозящее растрескиванием штукатурки, зыбкость перекрытий относятся к второму предельному состоянию.
Очень большая сжимаемость от нагрузки песчаных и глинистых грунтов, превосходящая в 500—1 ООО раз сжимаемость металла, бетона, камня и дерева, делает необходимым выдвижение на первое место ш значению расчет оснований по предельному состоянию по деформациям осадкам, горизонтальным смещениям. При этом предел деформации основания устанавливает один из видов предельного состояния надфундаментной конструкции.
Само собой разумеется, что для всех конструкций вне зависимости от их работы недопустимо наступление первого расчетного предельного состояния. Условия наступления первого
8


предельного состояния могут быть весьма разнообразны. Так, например, при многократных повторных нагрузках, могущих вызвать усталостное разрушение материала, предельное состояние определяется пределом выносливости материала и т. д.
Исходная идея метода расчетных предельных состояний заключается в следующем: целью расчета является получение надл еж ащей гарантии, что за время эксплуатации сооружения не наступит ни одно из предельных состояний.
Наступление того или иного расчетного предельного состояния конструкции зависит от многих факторов, из которых важнейшими являются:
а внешние нагрузки и другие воздействия;
б качество и механические свойства материалов, из которых изготовлена конструкция;
в общие условия работы конструкции, условия ее изготовления и т. п.
Итак, метод расчета основывается на анализе процесса перехода строительных конструкций в предельные состояния с учетом всех упомянутых факторов.
В утвержденных Строительных нормах и правилах даны характеристики расчетных предельных состояний. В последующих выпусках, посвященных расчету бетонных, железобетонных, каменных, армокаменных, стальных и деревянных конструкций, а также естественных оснований зданий и сооружений по методу расчетных предельных состояний даны конкретные характеристики расчетных предельных состояний применительно к различным типам конструкций. Расчетные предельные состояния определяют, таким образом, конкретные условия и параметры работы конструкций, которые должны быть введены в расчет.
Как уже отмечалось выше, переход конструкций в предельное состояние зависит от многих факторов.
Прежде всего необходимо остановиться на таком факторе, как качество и механические свойства материалов, из которых изготовлена конструкция.
Опыт свидетельствует, что показатели механических свойств строительных материалов например, прочности не отличаются постоянством. В действительности, эти показатели характеризуются определенной изменчивостью или, как говорят, рассеянием.
Чем обусловливается такая изменчивость
Если говорить об естественных материалах, то изменчивость показателей обусловливается условиями их образования. Правильное представление об изменчивости показателей прочности естественных строительных материалов можно получить на основании кривых распределения, указывающих, как часто появляется то или иное значение исследуемой характеристики, отра¬


жающих результаты статистической обработки многочисленных испытаний.
Изменчивость показателей прочности искусственных строительных материалов в большой степени обусловливается причинами, регулируемыми сознательной деятельностью человека. Действительно, существенное влияние на изменчивость имеют особенности технологических процессов изготовления строительных материалов и особенности сырья, идущего на их изготовление.
Так или иначе, но в данных условиях технологического процесса и при наличии определенного вида сырья получают строительные материалы, характеризующиеся определенной изменчивостью своих механических показателей например, прочности.
Так, например, для некоторых марок стали при среднем пределе текучести 2 800—3 ООО кгсм2 фактический предел текучести колеблется от 2 100 до 3 800 кгсм2, а иногда и в более широких пределах. Еще более велика изменчивость показателей прочности таких строительных материалов, как естественные и искусственные камни, бетон, дерево.
Таким образом, следует, что наряду с нормативными сопротивлениями материалов т. е. с сопротивлениями силовым воздействиям, установленными нормами на основе проведенных экспериментальных исследований в качестве характеристики их механических свойств необходимо учитывать еще изменчивость показателей их прочности.
Изменчивость показателей прочности строительных материалов можно охарактеризовать коэффициентом однородности. Умножив значение коэффициента однородности k на нормативное сопротивление материала силовым воздействиям Rн , получим наименьшую величину прочности
kRH R кгсм2,
т. е. нижний предел сопротивления материала, с которым необходимо практически считаться.
Величину kRH — R называют расчетным сопротивлением.
Следует отметить, что расчетное сопротивление соответствует определенным показателям изменчивости исходного сырья и нормальным условиям технологического процесса изготовления строительных материалов. Поэтому введение коэффициента однородности не только не снижает, а, наоборот, повышает требования к качеству и однородности материалов при их приемке.
Вопрос о действительных свойствах тот или иного материала имеет исключительный интерес. Для характеристики свойства материала обычно указывают верхний и нижний пределы, между которыми материал может обладать различными свойствами.


Од
S
25
20
•
15
ад
5
10
е
сз
§
5
180 190 200 210 220 230 2б0 250 Прочность Жетона 8 кгсм
Вместе с тем можно утверждать, что колебания механических свойств материалов имеют значительно большие амплитуды, чем обычно устанавливаемые стандартами. Это становится ясным при учете того обстоятельства, что испытания носят выборочный характер, поэтому при наличии известного процента брака в приемочных испытаниях есть вероятность попадания некондиционного материала и в принятую продукцию.
Полную характеристику изменчивости показателей прочности материала могут дать только кривые распределения показателей прочности. На рис. 1—4 приведено несколько кривых распределения показателей прочности.
Кривые распределения являются исходными данными для надежного обоснования величин коэффициентов однородности и нормативных сопротивлений. Методика определения величин коэффициентов однородности и нормативных сопротивлений изложена в разделе 3 настоящей главы.
Обширные экспериментальные и теоретические работы, проведенные в ЦНИПС, позволили обоснованно установить величины нормативных сопротивлений и коэффициентов однородности для большинства строительных материалов. Так, например, проведена статистическая обработка нескольких десятков тысяч заводских испытаний стали, большого количества испытаний бетонных кубов и т. д.
Исчерпание несущей способности переход в первое предельное состояние зависит от типа конструкции и от физических, в частности, упруго-пластических свойств строительных материалов, из которых изготовлена конструкция.
Проведенные в ЦНИПС экспериментальные и теоретические работы по изучению предельного состояния железобетонных,
so
ч
JiO
3
40
I 20
.... j -
1
7-
I
-2
¥
к
N
ч
N
ёй:
180
220 260 300 3kQ 380 Ш
Прочность детона Н SkoJcmZ
Рис. 1. Статистические кривые распределения прочности бетона при сжатии
а — для 45 испытанных образцов-кубов; средняя прочность бетона R 213 кгсмстандарт кривой распределения а9 кгсм2; б —для 375 испытанных образцов-кубов; средняя прочность бетона 268 кгсм'2; стандарт кривой распределения а44,8 кгсм; 1 — по данным испытаний; 2 — теоретическая кривая
11


стальных, каменных и деревянных конструкций обеспечили необходимую базу для разработки характеристик расчетных предельных состояний конструкций.
На основании этих работ можно установить расчетную величину несущей способности различных конструкций как функции
геометрических характеристик конструкций и сопротивлений материалов, из которых изготовлена конструкция.
Так, например, несущая способность железобетонной балки прямоугольного сечения величина разрушающего момента равна
М Hal—0,5а, 1
где R и —сопротивление бетона сжатию при из-
-30-20-Ю 0 10 20 30 то 60 70 Р ОтклонениеЯотпроектной марки 8
560
гибе:
b и h0 — ширина и полезная высота сечения балки;
а — коэффициент, зависящий от процента армирования.
Нас, однако, будет интересовать наименьшая возможная величина несущей способности, которую можно получить, введя в расчетные формулы вместо нормативных сопротивлений расчетные сопротивления, равные произведению нормативных сопротивлений на коэффициенты однородности.
Формула 1, например, при этом примет вид:
Mk,F,cth01—0,5аа°т 2
k6 Rи ьк J
здесь k6 — коэффициент однородности бетона;
ka—коэффициент однородности арматуры;
F а — площадь сечения арматуры;
зт — предел текучести арматуры;
Rn—сопротивление бетона при изгибе.
Подставив наименьшие значения коэффициентов однородности по формуле 2, можно вычислить наименьшую величину изгибающего момента, которую способна выдержать балка, с учетом изменчивости показателей прочности бетона и предела текучести арматуры.
Строго говоря, для нахождения наименьшей величины несу¬
-30-2040 0 10 20 30 Ь0 50 60 70 Отклонение К от проектной марки В
Рис. 2. Статистические кривые распределения отклонений предела прочности бетона при сжатии от проектной марки
а — для бетона марки 110; число испытанных образцов-кубов—1 250; средняя прочность бетона превышает проектную марку на 13,3; стандарт кривой распределения а16,54 ; б —для бетона марки 140; число испытанных образцов- кубов—2 097; средняя прочность бетона превышает проектную марку на 11,4; стандарт кривой распределения а16,2; — по данным испытаний; 2— теоретическая кривая
12


щей способности балки следовало бы найти минимум функции 2, с учетом данных пределов изменчивости показателей прочности арматуры и бетона. Однако для практических целей в этом нет необходимости, вполне достаточно внести просто в формулу 2 наименьшие значения коэффициентов однородности.
т
§
Г
1
to
3
:
50
О
LTTT
Л
.7 он ей
V
Л
у
С
280
H6U
к
90 дней
1
у
X
У
р-
X
1
Lk
У
Г
Л
Л
к
1
А
Л
J
г—
X
у
V
Г
1
V
Л
V
к
4
7
J
9
4
7
V
У
7
—
У
и
ЯШ
Ьсвз
N
Г
—
50
100 150 200 250
Прочность Жетона R в изсм2
зоо
Рис. 3. Статистические кривые распределения прочности бетона при сжатии в различном возрасте при проектной марке бетона 170
W
4
П
го 8 6 4 2 0
у
1
§
£
I
.
4
п
V
1
2-
'
- J
1Л
1
’
р а
Ч
ч
V
У
. ч
29 23 25 27 29 31 33 35 37 39 4
Продел текучести. б немм2
Рис. 4. Статистические кривые распределения предела текучести для стали марки Ст.З; число испытанных образцов 6 000
— по данным испытаний; 2 — теоретическая кривая
В общем случае наименьшую несущую способность конструкции можно представить в виде:
PS; Ah; k2R,, 3
где S — геометрические характеристики конструкций;
• • • — нормативные сопротивления материалов, из
которых изготовлена конструкция; kf, k2—соответствующие им коэффициенты однородности.
13


Перейдем теперь к вопросу о нагрузках. Подобно тому как это было сделано по отношению к показателям прочности строительных материалов, можно установить понятия нормативных нагрузок и коэффициентов перегрузки, характеризующих изменчивость нагрузки.
Следующие определения выясняют содержание новых понятий.
Установленные нормами наибольшие величины внешних воздействий, допускаемых при нормальной эксплуатации здания или сооружения, называются нормативными нагрузками.
Коэффициенты, учитывающие изменчивость нагрузок, в результате которых возникает возможность превышения их величин по сравнению с нормативными, называют коэффициентами перегрузки. Следует отметить, что некоторые нагрузки обладают исключительно большой изменчивостью. Так, например, в широких пределах изменяются снеговые нагрузки. Достаточно сказать, что удельный вес снега меняется от 100 до 700 кгм
Произведения нормативных нагрузок на коэффициенты перегрузки называются расчетными нагрузками.
Как указывалось выше, переход конструкций в предельные состояния зависит не только от нагрузок и свойств строительных материалов, о и от общих условий работы конструкций. К общим условиям работы конструкций относят такие факторы, как условия эксплуатации конструкций и другие благоприятные и неблагоприятные факторы, влияющие на переход конструкций в предельное состояние. Все эти разнообразные факторы учитываются в методе расчетных предельных состояний коэффициентами условий работы, которые назначают дифферен цированно в зависимости от типов конструкций и условий их работы.
Таким образом, можно отметить, что с помощью коэффициентов условий работы учитывают все благоприятные или неблагоприятные факторы, не учитываемые в расчете прямым путем. В то же время такие важнейшие факторы, как нагрузку и прочность материалов, учитывают в расчете прямым путем введения расчетных нагрузок и расчетных сопротивлений материалов.
В зависимости от условий работы коэффициенты однородности могут быть больше или меньше единицы. Так, для железобетонных плит, окаймленных по контуру балками, ввиду благоприятного,, не учитываемого' обычным расчетом, влияния балок на прочность плит, введены коэффициенты условий работы больше единицы. Коэффициентом условий работы, меньшим единицы, учтено размягчение при увлажнении кладки из гипсобетоиных камней; для стальных конструкций коэффициентом условий работы, меньшим единицы, учтена возможность ослабления от коррозии стенок резервуаров и т. п.
14


Коэффициенты условий работы так же, как и другие расчетные коэффициенты, даны в Нормах и технических условиях проектирования. Самостоятельное назначение их проектировщиками не разрешается.
Новая система коэффициентов однородности материалов, перегрузки и условий работы введена взамен прежнего коэффициента запаса прочности. Однако проектанту с этими коэффициентами почти не приходится иметь дело, так как в Нормах и технических условиях проектирования приведены значения расчетных нагрузок равных произведению нормативных нагрузок на соответствующие коэффициенты перегрузки и расчетные пределы прочности или пределы текучести материалов равные произведению нормативных значений этих величии на соответствующие коэффициенты однородности.
Основную расчетную формулу метода расчетных предельных состояний можно записать следующим образом:
N0S; R; тг... ; k2R; т2..., 4
где N — расчетное усилие, т. е. усилие или изгибаю¬
щий момент от нормативных нагрузок, умноженных на соответствующие коэффициенты перегрузки;
k 2 ••• —коэффициенты однородности материалов;
R1; R... —нормативные сопротивления материалов предел прочности, предел текучести;
S — геометрические характеристики сечения; т т2.. —коэффициенты условий работы;
Ф — функция, соответствующая роду усилия сжатие, растяжение, изгиб и т. д..
Смысл формулы 4 состоит в требовании, чтобы максимально возможное с учетом перегрузки усилие в элементе было не больше его минимальной несущей способности с учетом возможного изменения прочности материалов и условий работы конструкций
Коэффициент запаса прочности как таковой, в формуле4 не фигурирует, он заменен тремя коэффициентами перегрузки, однородности материала и условий работы конструкции, характеризующими основные факторы работы сооружения.
Расчет по второму предельному состоянию в общем виде характеризуется формулой:
д Л 5
где А — перемещение или деформация, являющаяся функцией геометрической формы конструкции и механических свойств материала;
— предельная допустимая величина перемещения или деформации.


Конкретный вид формул при расчете по третьему предельному состоянию зависит от типа рассчитываемой конструкции.
Благодаря новому подходу к расчету конструкций и введению новой системы расчетных коэффициентов метод расчетных предельных состояний приводит, как правило, к результатам, так или иначе отличающимся от результатов расчета по методу разрушающих нагрузок. Поясним это примером. Основная расчетная формула для изгибаемых железобетонных балок при расчете по первому предельному состоянию имеет вид:
УИяй,г;А01—0,5---У 6
где п — коэффициент перегрузки;
т — коэффициент условий работы;
£а—коэффициент однородности арматуры; k6 — коэффициент однородности бетона; b и h0 — ширина и высота сечения балки;
Fа—площадь сечения арматуры;
oj—нормативный предел текучести арматуры;
— нормативное сопротивление бетона при изгибе.
Легко видеть, что совпадение результатов расчета для различных балок по методу расчетных предельных состояний и по старым Нормам и техническим условиям проектирования может иметь место только при условии равенства всех. коэффициентов перегрузки между собой и при равенстве коэффициентов однородности бетона и арматуры; только при выполнении этих двух условий предыдущая формула примет вид:
f1 —°.5-ТУ 7
тК jU Rlbho
допускающий выделение единого коэффициента запаса.
Однако коэффициенты перегрузки, как правило, отличаются друг от друга и их совпадение может иметь место только в редких случаях. Что же касается коэффициентов однородности бетона и арматуры, то они существенно отличаются друг от друга. Таким образом, расчет по методу расчетных предельных состояний, учитывающий изменчивость каждой из нагрузок и каждого материала в отдельности, как правило, приводит к результатам, отличающимся в той или иной степени от результатов расчета по старым Нормам и техническим условиям проектирования.
3. МЕТОДИКА НАЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИН РАСЧЕТНЫХ
КОЭФФИЦИЕНТОВ
Прежде всего необходимо остановиться на вопросе о связи единого коэффициента запаса с новой системой расчетных коэффициентов. Некоторые инженеры утверждают, что единый коэф¬
16


фициент запаса получается путем простою перемножения величин новых коэффициентов или какой-либо другой операции над новыми коэффициентами. Такое утверждение неправильно.
В действительности единый коэффициент запаса является сложной функцией не только новых коэффициентов, но и параметров, характеризующих конструкцию. Так, например, для изгибаемой железобетонной балки прямоугольного сечения с одиночной арматурой старый коэффициент запаса может быть вычислен по формуле:
__ стт 1 05 a
т 1-0,5 оД
где п — средний коэффициент перегрузки для всех действующих нагрузок;
т — коэффициент условий работы элементов; k а—коэффициент однородности арматуры; k6—коэффициент однородности бетона; ст—расчетный предел текучести арматуры по старым нормам;
R4j.— нормативный предел текучести арматуры.
В других случаях, например, для внецентренно сжатых железобетонных элементов при действии многих независимых сил и т. д. выражения для коэффициентов запаса получаются еще более сложными.
Даже в простейшем случае изгибаемой стальной балки коэффициент запаса можно выразить через новые коэффициенты перегрузки, однородности и условия работы только при совершенно нереальном предположении, что коэффициенты перегрузок для всех нагрузок одинаковы.
Из изложенного следует, что существует теоретическая возможность для построения метода расчетных предельных состояний на основе единого коэффициента запаса, функционально зависящего от коэффициента перегрузки, коэффициентов однородности, абсолютных значений сопротивления материалов, геометрических размеров сечений и т. д. Однако с практической точки зрения подобная попытка столкнулась бы с почти непреодолимыми трудностями.
Значительно практичнее иметь дело с единой строго нормированной системой коэффициентов перегрузки, однородности и условий работы конструкции.
Проблема назначения правильных величин расчетных коэффициентов, применяемых в технике, является одной из центральных проблем всей современной техники. В самом деле от правильного назначения расчетных коэффициентов в значительной степени зависит надежность и экономичность конструкций сооружений и машин.
Ниже приведены требования, которые должны быть предъявлены к новой системе расчетных коэффициентов.
17


Прежде всего очевидно, что коэффициенты перегрузки, коэффициенты од,пород мости и коэффициенты условий работы следует назначать дифференцированно, в зависимости от характера нагрузок, условий изготовления строительных материалов например, для бетонов заводского и построечного изготовления, особенностей условий работы конструкции например, наличие агрессивной среды и т. д. Также очевидно, что установление коэффициентов однородности должно способствовать поднятию культуры строительства, внедрению современного контроля качества с целью уменьшения их изменчивости и т. д.
Изучая зависимость коэффициентов перегрузки от условий эксплуатации, можно уменьшить их, улучшив эксплуатацию сооружений и зданий. Таким образом, изучение причин изменчивости физико-механических свойств материалов влияние технологических факторов и физических свойств исходных материалов, внешних нагрузок и т. д. имеет огромное значение, так как, изучив эти причины, получают возможность управления ими, возможность уменьшения изменчивости показателей прочности и т. д.
Вопросам изменчивости нагрузок и сопротивления материалов посвящена обширная литература.
В результате статистической обработки материалов, полученных при изучении этих вопросов, в настоящее время располагают кривыми распределения ветровых и снеговых нагрузок, кривыми распределения текучести сталей различных марок, кривыми распределения сопротивления бетона различных марок и т. д. На рис. 5—8 показано несколько примеров кривых распределения снеговых и ветровых нагрузок.
В тех случаях, когда статистика явления подчиняется нормальному закону распределения
ер Х L_ g t 9
О у 2
значения шэффициентов однородности можно предварительно вычислить по формуле:
где R — среднее значение величины, характеризующей изучаемое явление; а — стандарт кривой распределения;
а — некоторое положительное число, принимаемое обычно равным 3.
Нормальному закону распределения подчиняются показатели прочности материалов; поэтому коэффициенты однородности устанавливают вышеуказанным способом. Подчеркиваем, что величина коэффициента однородности, вычисляемая по формуле
18


Рис. 5. Статистические кривые распределения снеговых нагрузок по наблюдениям с 1Х 1950 г. по 11V 1951 г.
на равнинной местности
1 — по данным наблюдений; 2 — теоретическая кривая по Гауссу; 3 — теоретическая кривая по А. Р. Ржаницыну
0него Пая нагрузка 8 кгм2
Рис. 6. Статистическая кривая распределения снеговой нагрузки в гористой местности по наблюдениям с 1Х 1950 г. по 11V 1951 г.
19


10, носит предварительный характер. Коэффициент однородности включает также неоднородность размеров сечений, влияние искривлений конструкций и т. д., т. е. речь идет о неоднородности материалов и конструкций.
30
§
Is
I
I
20
to
Mil 1 I
P
i
r 4
U-
1
- I
1
t
1
P
j
1
1
1
-iL
jj
—
JT
' '1
- - J
fj
■ ■
MW
w
Lt
JT
L.
5
Vs
I-
1
s
■
L
LI
шття
с
4;
шли
52
cs
ss£
►
kind
tea
mb
ШЗШ
0 2k 68 10 2 1k id 18 20 22 2k
Скорость бетра в мпен
Рис. 7. Статистические кривые распределения значений скорости ветра на равнинной местности по наблюдениям за 1895—1937 гг.
Метод установления предварительных величин коэффициентов перегрузки для нагрузок, носящих стихийный характер, и имеющих кривые распределения, вполне аналогичен методу
установления предварительных величин коэффициентов однородности.
В случае нагрузок, характер которых зависит от воли человека например, от оборудования, величины нагрузок и коэффициенты перегрузок устанавливают на основании фактического анализа возможных их величин например, анализа различных вариантов расположения оборудования.
Рассмотрим нагрузку от толпы. Она принята в нормах равной 400 кгм2, что соответствует нагрузке в 5 человек на 1 м2 при весе каждого в 80 кг. Очевидно, эту нагрузку для спокойно стоящей толпы можно считать предельной. Однако наряду с ней необходимо еще учитывать нагрузку от движущейся, идущей в ногу или бегущей толпы необычные условия эксплуата-
Скорость бетра 6 мсек
Рис. 8. Статистическая кривая распределения значений скорости ветра в гористой местности
20


дни. Хотя движущаяся толпа распределена значительно менее плотно, чем спокойно стоящая, воздействие ее на перекрытия может быть весьма значительно. Это обстоятельство учитывается коэффициентом перегрузки, равным 1,20, к нагрузке в 400 кгм2.
Рассмотрим далее нагрузку от собственного веса конструкции; ее обычно подсчитывают по проектным размерам конструкций и по справочным данным о весах строительных материалов, приводимых в различных литературных источниках. Как известно, реальные размеры конструкций могут несколько отличаться от проектных; чтобы учесть это обстоятельство, к собственному весу конструкций вводят коэффициент перегрузки.
Даже стальные конструкции имеют нередко вес больше установленного проектом за счет плюсовых допусков прокатных профилей и т. п.. Кроме того, удельные веса материалов колеблются в некоторых пределах и не всегда их действительные значения могут быть непосредственно учтены проектировщиком. Все эти обстоятельства учитывают коэффициентом пе регрузки к собственному весу, равным 1,10, а по отношению к собственному весу утеплителей даже равным 1,20, поскольку вес утеплителей очень сильно зависит от увлажнения.
Значительно сложнее стоит вопрос с назначением величин нагрузки и коэффициентов перегрузки для таких стихийных нагрузок, как снеговая и ветровая. Исходным материалом для их нормирования являются статистические данные, отражающие результаты многолетних наблюдений. Коэффициент перегрузки в отношении снеговых нагрузок отражает возможную локальную перегрузку вследствие снеговых заносов и т. п.
Для полной ясности следует заметить, что снеговую нагрузку, принятую в нормах, не следует непосредственно отождествлять с нагрузкой, полученной на основании метеорологических наблюдений. Дело в том, что строительная нормативная снеговая нагрузка принята в предположении, что происходит нормальная эксплуатация покрытий, т. е. что их регулярно очищают от снега и т. п. Однако в эксплуатации покрытий могут быть случайные явления внезапные большие снегопады, которые учитывают коэффициентом перегрузки.
Точно также коэффициент перегрузки для ветровых нагрузок отражает вихревой характер ветра, его нерегулярность и т. п.
Динамический коэффициент порывистости ветра следует учитывать независимо от коэффициента перегрузки. Как известно, в действовавшем стандарте на ветровые нагрузки величина этого динамического коэффициента достигала 2 применительно к дымовым трубам. В Технических условиях на ветровые нагрузки, разрабатываемых в развитие новых Строительных норм и правил, дается дифференцированная таблица динамических коэффициентов для различных сооружений, учитывающих порывистость ветровых нагрузок.
24


Окончательные величины расчетных коэффициентов устанавливают на основе комплексного анализа данных практики.
Таким образом, метод установления расчетных коэффициент тов принят в основном следующим:
1 строят кривые распределения показателей прочности, величин нагрузок и т. п;
2 на основании этих кривых вычисляют предварительные значения коэффициентов по формулам, аналогичным формуле Ю;
3 на основе вычисленных согласно п. 2 коэффициентов производят опытное проектирование;
4 полученные коэффициенты увязывают между собой, так как они действуют совместно. Хорошим методом увязки является опытное проектирование.
Результаты опытного проектирования сравнивают с данными эксплуатации различных сооружений. При этом особенно большое внимание должно быть обращено на данные эксплуатации при имевших место перегрузках, на анализ причин деформаций сооружений и т. д. Результаты опытного проектирования сравнивают не с отдельными данными, а со всей имеющейся совокупностью данных об эксплуатации того или иного вида конструкций или сооружений;
5 на основе произведенного анализа устанавливают окончательные величины расчетных коэффициентов.
Помимо факторов перегрузки, однородности материалов и условий работы конструкций, существенное влияние на результаты расчета конструкций имеет еще точность самих расчетов.
При проектировании сооружений выбирают более или менее упрощенную расчетную схему сооружения, игнорируя те или иные факторы, могущие оказать влияние на результаты расчета. Так, например, при проектировании подкрановых колонн для зданий промышленных цехов часто не учитывают возможный поворот фундамента колонны в грунте, влияние кручения подкрановых балок и т. д. Раньше утверждали, что все эти неточности расчета покрываются единым коэффициентом запаса; однако это утверждение лишний раз показывает, что понятие единый коэффициент запаса было весьма условным.
В самом деле неточности расчета могут быть весьма различны в разных конструкциях. В одних случаях расчетная схема сооружений и предпосылки расчета совершенно ясны, в других случаях для возможности расчета необходимо введение ряда допущений и гипотез, упрощающих расчетную схему сооружений. Каким образом все эти факторы могут быть покрыты единым коэффициентом запаса По существу, принципиально неправильно покрывать неточности расчетов какими бы то ни было коэффициентами; неточности расчета должны компенсироваться правильным выбором основных предпосылок расчета и расчетной схемы сооружения.
22


Поясним это простым примером. При расчете железобетонной балки, заделанной в кирпичные стены, можно принять две расчетные схемы. При вычислении пролетного момента ввиду неопределенности заделки в кирпичные стены можно считать, что' балка свободно опирается на опорах; очевидно, что запроектированная таким образом балка будет обладать более высоким сопротивлением в пролете, чем можно ожидать по результатам расчета ввиду наличия некоторой заделки на опорах. При вычислении опорных моментов учитывают определенную степень заделки в кирпичные стены на основании данных экспериментальных работ.
Имеющийся богатый опыт проектирования различных сооружений позволил выработать подобного рода упрощающие предпосылки и допущения, которые применяют при расчетах сооружений, находящихся в определенных конкретных условиях эксплуатации.
Основной целью всякого расчета прочности и устойчивости является в конечном счете получение гарантии безопасности сооружения за время его службы. Понятно, что эта гарантия безопасности должна быть таковой, чтобы ее можно было считать практически достоверной. С этой точки зрения метод расчетных предельных состояний обеспечивает гарантию безопасности сооружения. Действительно, во всех случаях, когда увеличение нагрузки опасно для прочности сооружения, метод расчетных предельных состояний, предполагающий одновременное совпадение предельной перегрузки с наименьшей возможностью несущей способности, рассматривает, очевидно, наиболее опасное состояние. В тех случаях, когда уменьшение нагрузки снижает надежность сооружения например, внецентренное сжатие кирпичных столбов при определенных соотношениях момента и нормальной силы, обязательно рассматривают расчетную комбинацию нагрузок, предполагавшую отсутствие невыгодной временной нагрузки.
Разумеется, что предположение об одновременном совпадении перегрузок с наименьшей несущей способностью конструкции заключает в себе некоторые резервы и идет в запас надежности. В случае, когда количество внешних воздействий становится значительным дополнительные и особые сочетания нагрузок, эти резервы учитывают введением особых коэффициентов к расчетной нагрузке. В других случаях вероятность одновременного совпадения различных факторов, от которых зависит переход в предельное состояние, можно учитывать специально введенными коэффициентами условий работы.
Проф. А. Р. Ржаницын, а также позже инж. Б. И. Беляев сделали предложение об особом методе учета этих резервов. Вопрос этот в настоящее время разрабатывается.
Таким образом, метод расчетных предельных состояний, основанный на введении коэффициентов перегрузки, коэффициентов
23


однородности, коэффициентов условий работы и предположении; о совпадении неблагоприятных факторов, дает практически достаточную гарантию безопасности сооружения против наступления того или иного предельного состояния 1.
4. СРАВНЕНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТНЫХ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ С МЕТОДАМИ ДОПУСКАЕМЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И РАЗРУШАЮЩИХ НАГРУЗОК. ПРОГРЕССИВНОСТЬ МЕТОДА РАСЧЕТНЫХ
ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ
Метод расчета строительных конструкций по допускаемым напряжениям был разработан еще в начале XIX в. вслед за методом расчета по предельному равновесию. Более общий и тесно связанный с методикой сопротивления материалов он стал господствующим, и только за последние 25 лет был подвергнут основательной критике. Метод допускаемых напряжений не может дать правильной оценки несущей способности строительных конструкций, более того, он пришел в глубокое противоречие с практикой строительства.
Недостаток метода допускаемых напряжений заключается в том, что он имеет дело только с упругим телом, игнорируя действительные свойства строительных материалов, являющихся материалами упруго-пластическими, и действительные условия работы конструкций под нагрузкой.
За последние 50 лет допускаемые напряжения для стали повысились примерно вдвое, для бетона — в полтора раза. Пока уточнение расчета имело своим следствием повышение допускаемых напряжений, в сущности не было достаточных, оснований к критике расчета по допускаемым напряжениям. Но, как следовало поступать в тех случаях, когда уточненный расчет обнаруживал, что в конструкциях существуют зоны, где напряжения равны предельным напряжениям упругого тела или даже больше их, и как объяснить, что, несмотря на это, конструкции не разрушаются, а благополучно существуют
Расчет по допускаемым напряжениям во многих случаях стал препятствовать развитию строительной техники. Он приводил к тому, что, несмотря на углубление знаний о работе сооружений и вопреки развитию методов расчета, увеличение допускаемых напряжений, а следовательно, облегчение и удешевление конструкций в ряде случаев оказалось невозможным. Более того, в отдельных случаях расчет по допускаемым напряжениям указывал на необходимость усиления конструкций,, оправданных благополучным существованием в течение многих лет.
1 Коэффициенты перегрузки, однородности и условий работы являются по существу коэффициентами запаса по нагрузке, прочности материалов условий работы конструкции.
£4


Так произошло, например, с безбалочными железобетонными перекрытиями. Еще в начале нашего века были установлены размеры этих перекрытий чисто экспериментальным путем. Расчет по теории упругости привел почти к полуторному утяжелению перекрытий, что было совершенно неоправданно и противоречило эксперименту.
Коренные недостатки метода допускаемых напряжений были осознаны уже давно. В связи с этим стали появляться работы, в которых предлагается принципиально другой подход к расчету строительных конструкций на прочность и устойчивость. Первым этапом был переход на методику расчета по стадии разрушения т. е. по разрушающим нагрузкам железобетонных, бетонных, каменных и армо- каменных конструкций.
Отличием методики расчета по разрушающим нагрузкам от метода допускаемых напряжений является значительно более широкое использование экспериментального материала, обобщение опыта нашего строительства и учет пластического состояния материалов. Однако метод расчета по разрушающим нагрузкам был основан на понятии единого постоянно го коэффициента запаса.
Понятие о едином постоянном коэффициенте запаса основано на гипотезе, что все факторы, от которых зависит исчерпание несущей способности конструкций, могут быть учтены введением разрушающей нагрузки, полученной путем умножения всех действующих нагрузок на одно и то же число т. е. на коэффициент запаса.
Вместе с тем исчерпание несущей способности конструкции является весьма сложным процессом, в котором роль возможного увеличения нагрузок отнюдь не больше, чем роль возможных отклонений сопротивлений материалов от их нормативных значений. С другой стороны следует отметить, что сами нагрузки меняются различным образом, поэтому единым коэффициентом запаса невозможно правильно оценить действительную роль тех или иных нагрузок в процессе исчерпания несущей способности конструкции.
Действительно, умножая собственный вес конструкции на коэффициент запаса прочности, мы вводим в расчет фиктивную нагрузку, так как, очевидно, что фактически собственный вес конструкции может отличаться от расчетного не более чем на 10—15.
В качестве элементарного примера можно привести хотя бы расчет прочности растянутых волокон внецентренно сжатых элементов. В общем случае для простоты примера — без учета продольного изгиба для конструкций из однородного материала прочность столбов определяют по формуле:
11'
F W
25


где ' ii W площадь ii момент сопротивления сечения;
V п М продольная сила и соответствующий изгибающий
момент;
R предел прочности материала на растяжение; к - общий коэффициент запаса прочности.
Легко видеть, что при увеличении обоих членов формулы в к раз величина расчетного напряжения получается меньше, чем при увеличении только второго члена.
В действительности, этот случай имеет место, так как собственный вес конструкции не может изменяться в таких широких пределах, как временная нагрузка на перекрытия и ветровая нагрузка.
Следовательно, величины V и М в общем случае изменяются непропорционально друг другу, и реальные колебания значений этих величин могут привести к более высоким напряжениям, чем вычисленные по приведенной формуле.
Аналогичная картина будет во всех случаях расчета сооружений при наличии нескольких независимых силовых воздействий, каждое из которых может изменяться в различной степени.
Подобного же рода трудности возникают при попытке учесть возможные отклонения прочности бетона и арматуры от их нормативных значений в железобетонных и армированных каменных конструкциях.
Приведенные соображения заставляют рассматривать единый коэффициент запаса как величину весьма условную, что является несомненным недостатком как метода допускаемых напряжений, так и метода разрушающих нагрузок.
Согласно методу расчетных предельных состояний в формулы одновременно вводят коэффициенты перегрузки учитывающие изменчивость перегрузки, коэффициенты однородности учитывающие изменения сопротивления материалов и коэффициенты условий работы; таким образом учитывают совокупное воздействие всех факторов.
Введение коэффициентов перегрузки, однородности и условий работы основано на том, что каждый из этих факторов по-разному влияет на переход конструкции в предельное состояние и, следовательно, объединение этих коэффициентов в одном постоянном коэффициенте запаса является неприемлемым.
Резюмируя, необходимо отметить следующее.
Метод расчетных предельных состояний йсходит из анализа процесса перехода конструкций в предельное состояние.
Будучи лучше обоснованным экспериментально и теоретически, чем другие методы, метод расчетных предельных состояний открывает широкие перспективы для дальнейшего облегчения и
26


усовершенствования конструкций и сооружений, так как благодаря введению новой системы коэффициентов он обеспечивает дифференцированный подход к отдельным элементам сооружений. В этом заключается его прогрессивное значение.
Развитие и уточнение методов расчета по расчетным предельным состояниям позволит облегчать конструкции, в то время как дальнейшее развитие и уточнение методов расчета по допускаемым напряжениям или разрушающим нагрузкам этой возможности во многих случаях уже не дает.
Большое прогрессивное значение имеет специальное выделение коэффициентов однородности материалов.
При наличии единого коэффициента запаса весьма трудно учесть в расчетах конструкций возможность повышения однородности строительных материалов, так как единый коэффициент запаса зависит также и от многих других факторов; при наличии же специально выделенных коэффициентов однородности это легко осуществить.
Например, повышение однородности бетона должно независимо от величины временных нагрузок значительно отразиться на прочности слабо армированных железобетонных колонн, работающих преимущественно на сжатие; в то же время для прочности сильно армированных железобетонных колонн, работающих преимущественно на изгиб, повышение однородности бетона менее существенно.
При наличии единого коэффициента запаса для учета повышения однородности бетона пришлось бы вводить новый коэффициент запаса для каждого типа конструкций, для каждого элемента конструкции с отличным процентом армирования и т. д.; все это натолкнулось бы на большие практические затруднения, тогда как при наличии специально выделенных коэффициентов однородности повышение однородности строительных материалов легко учесть расчетом, для чего потребуется лишь соответственно изменить величину установленного коэффициента однородности в нормах проектирования.
Другой пример. Для железобетонных плит, окаймленных балками, ввиду благоприятного влияния балок на прочность плит не учитываемого обычным расчетом введены коэффициенты условий работы больше единицы.
При наличии единого коэффициента запаса, учитывающего также изменчивость нагрузок и т. п., было бы весьма трудно учесть в нормах проектирования отмеченные условия работы плит, ибо различные нагрузки обладают различной изменчивостью, поэтому пришлось бы ввести целую систему новых различных коэффициентов запаса.
Наконец, следует заметить, что метод расчетных предельных состояний, ставя размеры конструкций в прямую зависимость от качества производства работ и качества строительных мате¬
27


риалов, создает тем самым определенные предпосылки к систематическому подъему уровня строительного производства.
Для материалов, изготовляемых самими строителями, коэффициент однородности является существенным орудием контроля, позволяющим следить за правильностью технологического процесса, помогающим выявлять причины его дефектов и добиваться его улучшения.


Глава II
НАГРУЗКИ
Вопросы о нормативном значении тех или иных нагрузок, расчетных комбинациях нагрузок, возможных в процессе экс плуатации сооружения перегрузках и т. п. относятся к числу весьма важных вопросов теории расчета конструкций.
Вместе с тем старые нормы на нагрузки имеют ряд недостатков, которые устранены в новых Строительных нормах и правилах.
Например, следует отметить, что деление нагрузок на основные, дополнительные и особые не может быть признано удовлетворительным. Достаточно указать, что по такой классификации при расчете прочности конструкций ветер относится к дополнительным нагрузкам, независимо от типа сооружения. Вместе с тем, очевидно, что если ветровую нагрузку можно считать дополнительной для цеха, оборудованного тяжелыми кранами, то для высокого сооружения башенного типа ветер должен считаться основной нагрузкой. Вопрос об отнесении той или иной нагрузки к категориям основных, дополнительных или особых весьма существен, так как для дополнительных и особых нагрузок были установлены пониженные коэффициенты запаса прочности, а в нашем случае — пониженные коэффициенты перегрузки.
Существенное значение имеет также то обстоятельство, что нагрузки, воздействующие на сооружения, носят во многих случаях нерегулярный характер.
Надо уметь оценить вероятность того или иного значения какой-либо нагрузки или той или иной комбинации нагрузок, так как совершенно очевидно, что если эта вероятность достаточно мала, то соответствующие ей значения нагрузок или их комбинаций следует учитывать с пониженными коэффициентами перегрузки.
Нормирование нагрузок и их комбинаций должно основываться на критическом анализе данных, отраженных в работе проектных организаций, организаций, эксплуатирующих те или иные сооружения, а также на аналитической работе.
29


В соответствии с изложенными требованиями был разработан раздел Нагрузки в Строительных нормах и правилах, который содержит классификацию нагрузок, указания о расчетах комбинации нагрузок, указания о нормативных значениях ветровых и снеговых нагрузок, указания о нормативных значениях полезных нагрузок и о коэффициентах перегрузки.
Важнейшее значение имеет новая установленная классификация нагрузок. Наиболее целесообразным, принятым в нормах, решением вопроса о классификации нагрузок и о расчетных комбинациях нагрузок является отказ от существовавшего деления нагрузок на основные, дополнительные и особые и установление понятий основных сочетаний или комбинаций нагрузок, дополнительных сочетаний нагрузок и особых сочетаний нагрузок.
Сочетание воздействий и нагрузок, учитываемых при расчете зданий и сооружений, разделяют на:
а основные — регулярно или постоянно действующие сочетания нагрузок и воздействий, образуемые из нагрузок от собственного веса, полезных нагрузок вес людей, грузов, оборудования, подвижной нагрузки от транспорта, снеговой нагрузки, давления воды, влияния неравномерных температур в резервуарах для горячих жидкостей в дымовых трубах, ветровой нагрузки для высотных сооружений типа башен, дымовых труб и т. п.;
б дополнительные — нерегулярно действующие сочетания нагрузок и воздействий, образуемых из основных сочетаний и ветровой нагрузки за исключением высотных сооружений, нерегулярно динамического воздействия самой нагрузки например, при пуске оборудования, подвижной нагрузки от монтажных кранов, влияния суточных или годовых изменений температуры воздуха и т. п.;
в особые — случайные главным образом аварийного характера сочетания воздействия нагрузок, образуемые из основных сочетаний и сейсмический сил, давления воды при катастрофических паводках, нагрузок, возникающих при разрушении части сооружения, влияния повышения температуры при нарушении технологического процесса, влияния понижения температуры при остановке действия отопительных устройств и тп.
В новых нормах на нагрузки даны указания о вводимых в расчет комбинациях нагрузок расчетных комбинаций для основных объектов массового строительства промышленные цехи, многоэтажные жилые здания и т. п..
Так, например, применительно к промышленным зданиям даны следующие указания.
30


При расчете конструкций несущих кранов подкрановые балки, колонны, рамы и т. п. вертикальную нагрузку принимают ют фактического числа кранов, но не более чем от двух кранов, сближенных для совместной работы в каждом пролете здания и в каждом ярусе.
В многопролетных цехах учитывают возможности расположения нагрузок в одном створе в соседних пролетах. Горизонтальные нагрузки, вызываемые торможением крановых тележек или мостов, во всех случаях в однопролетных и многопролетных зданиях при расположении кранов в несколько ярусов, лри наличии мостовых и консольных кранов и т. п. принимают не более чем от двух кранов.
Эти и аналогичные им указания хорошо обоснованы массовым опытом проектирования и строительства промышленных зданий.
Сложнее обстоит вопрос с учетом величин вертикальных и горизонтальных тормозных сил от кранов.
Практика проектирования выработала следующие эмпирические правила определения тормозных сил от кранов:
а вертикальную назначают по стандартам и каталогам на крановое оборудование.
б горизонтальную продольную вдоль подкранового пути принимают равной 0,1 наибольшего давления на тормозные колеса кранов только для электрических;
в горизонтальную поперечную принимают для кранов с гибким подвесом равной 0,05 суммы грузоподъемности и веса тележки крана, а для кранов с жестким подвесом — равной 0,1 той же суммы весов; при этом считают, что горизонтальное усилие передается полностью на одну подкрановую балку и распределяется поровну между колесами крана.
Далее необходимо остановиться на вопросе о нормировании ветровых нагрузок.
Особая трудность задачи заключается в том, что ветер предоставляет собой крайне нерегулярную, случайную в статистическом смысле этого слова нагрузку.
Движение воздуха в прилегающих к земле слоях атмосферы носит резко выраженный турбулентный вихревой характер. Наблюдения показывают, что ветер состоит из последовательных порывов и затиший с очень нерегулярным периодом.
Одним из основных источников турбулентности ветра является трение о поверхность земли и значительное вихреобра-зование, связанное с обтеканием потоком воздуха различных препятствий деревьев, сооружений и т. п..
Было бы поэтому совершенно неправильно вводить в нормы излишне дифференцированные данные о ветровых нагрузках и об аэродинамических коэффициентах для различных сооружений.
31


Это является тем более неправильным, что наличие каких- либо случайных препятствий вблизи рассматриваемых сооружений открытые или закрытые фонари и т. п. изменяют картину потока воздуха, обтекающего сооружения.
Поэтому следует признать правильным введение в настоящее время в нормы только средних укрупненных данных о давлении ветра и об аэродинамических коэффициентах.
Разумеется, это совершенно не исключает необходимости в проведении большой исследовательской работы по изучению' характера воздействия ветра на сооружения.
Нормативную ветровую нагрузку принимают нормальной к поверхности сооружения или его части и вычисляют по формуле
Р kq, 12
где q — скоростной напор ветра в кгм2, определяемый по табл. 1;
k — аэродинамический коэффициент, определяемый по табл. 2.
Порывистость ветра должна учитываться специальными динамическими коэффициентами, которые будут приведены в Технических условиях, разрабатываемых в развитие Строительных, норм и правил.
Таблица 1
Величины расчетного и скоростного напоров ветра в кгм2
Географические районы
На высоте над поверхностью земли в м
20
100
1-й — вся территория СССР, за исключением 2-го, 3-го и 4-го районов
40
100
2-й — береговая полоса океанов и морей, за исключением 3-го и 4-го районов
70
150
3-й — береговая полоса Черного моря от Анапы до Туапсе с центром в Новороссийске
100
200
4-й — о-в Сахалин, Курильские острова и др.
По особым
указаниям
Многолетняя практика проектирования гражданских и промышленных зданий, а также практика их эксплуатации позволила установить достаточно обоснованные величины полезных нагрузок для помещений различного назначения. Эти данные- были отражены в наших нормативных документах и технических условиях проектирования различных зданий и сооружений.
Сравнение этих данных с нормами других государств доказывает, что во многих случаях наши нормы являются более
32


зрелыми и, следовательно, более экономичными, чем иностранные нормы табл. 3.
В табл. 4 приведены значения нормативных нагрузок и соответствующих им коэффициентов перегрузки, принятые в Строительных нормах и правилах.
Таблица 2
Аэродинамические коэффициенты
Элементы поверхности сооружений
k
Примечание
Вертикальные поверхности с наветренной стороны, положительное давление
0,8
Вертикальные поверхности с подветренной стороны, отрицательное давление
-0,6
Здания с многорядным расположением фонарей и тому подобным сложным профилем:
Коэффициенты
а для наветренных крайних и всех возвышающихся поверхностей, положительное давление
0,8
относятся к вертикальным или
б для подветренных крайних и всех возвышающихся поверхностей, отрицательное давление
в для наветренных промежуточных поверхностей, положительное давление
-0,6
0,4
отклоняющимся от вертикали не более чем на 50° поверхностям
г для подветренных промежуточных поверхностей, отрицательное давление
-0,4
Таблица 3
Сравнительная таблица полезных нагрузок
Назначение помещений
По СН и п
СССР,
гост
1645-42
Кодекс
Нью-Йорка
США 1945 г.
Чердачные перекрытия без учета специального оборудования
75
75
Квартиры
150
150
216
216
Общежития, конторы
200
200
216-
общежития,
269-
конторы
216- гостиницы, 432— конторы1
Коридоры общежитий, контор
300
300
—
538
Залы столовых, ресторанов, аудиторий с учетом веса обычного оборудования
300
300
403—
неподвижная,
538—
подвижная
538
33


Продолжение табл. 3
Наименование помещений
По СН и п
СССР,
гост
1645-42
Кодекс
Нью-Йорка
США 1945 г.
Залы и коридоры театров, кафе, клубов, школ, торговые залы магазинов
400
400
538
538-
Склады, музеи по действительной нагрузке, но не менее
400
400
под вижна я
Книгохранилища, архивы, перекрытия под проездами по действительной нагрузке, но не менее
500
500
1435-
Лестницы, вестибюли, террасы и балконы в жилых и тому подобных зданиях
300
300
проезды
То же, для всех прочих зданий и помещений
400
400
538
538
1 По нормам Нью-Йорка в служебных зданиях расчет перекрытий должен быть проверен на сосредоточенную нагрузку 1 ООО кг.
Таблица 4
Нормативные нагрузки и коэффициенты перегрузки
Наименование зданий, помещений и конструкций
Нормативная нагрузка в сгж2
Коэффициент
перегрузки
п
Собственный вес конструкции, за исключением засыпки и плитных утеплителей
1,10
Засыпки и плитные утеплители
1,20
Чердачные перекрытия без учета специального оборудования вентиляционных камер, водяных баков, моторов и т. п.
75
1,40
Квартиры, лечебные учреждения за исключением вестибюлей и залов, где возможно массовое скопление посетителей, детские сады, с учетом веса обычного оборудования
150
1,40
Общежития, конторы, классные комнаты, бытовые помещения промышленных цехов, с учетом обычного оборудования
200
1,40
Залы столовых, ресторанов, аудиторий, с учетом обычного оборудования
300
1,30
Коридоры общежитий, контор и бытовых помещений
300
1,30
Залы и коридоры театров, кино, клубов, школ, вокзалов, трибуны, торговые залы магазинов
400
1,20
34


Продолжение табл. 4
Наименование зданий, помещений и конструкций
Нормативная нагрузка в кгм2
Коэффициент
перегрузки
п
Перекрытия промышленных зданий, складов, музеев по действительной нагрузке, но не менее
400
1,20
Книгохранилища, архивы, перекрытия под проездами по действительной нагрузке, но не менее
500
1,20
Лестницы, вестибюли, террасы, балконы
400
1,40
Гидростатическое давление жидкости
1,10
Вертикальные и горизонтальные нагрузки от кранов
1,30
Давление сыпучих тел по действительной нагрузке
1,20


ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие 3
Глава I. Основные положения метода расчета строительных конструкций по расчетным предельным состояниям
1. Введение : 5
2. Краткая характеристика основных принципов метода расчетных предельных состояний 6
3. Методика назначения величин расчетных коэффициентов.. 16
4. Сравнение метода расчетных предельных состояний с методами допускаемых напряжений и разрушающих нагрузок. Прогрессивность метода расчетных предельных состояний 24
Глава И. Нагрузки 29
Г оЛьденблат Иосиф Израилевич
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДА РАСЧЕТА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПО РАСЧЕТНЫМ ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ И НАГРУЗКИ
Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре Москва, Третьяковский пр., д. 1
Редактор издательства М. П. Ростовцева Технический редактор М. В. Смольякова
Сдано в набор 19III 1955 г. Подписано к печати 25IV 1955 г. Т-02759. Бумага 60X92 1,13 бум. л.—2,25 печ. л. 2,4 уч.-изд. л.. Изд. ХХ-860. Зак. 378. Тир. 15 000. Бесплатно.
Типография 1 Государственного издательства литературы по строительству и архитектуре, г. Владимир