1 ЗАгальні відомості про розрахунки

1.1 Цілі і задачі дисципліни

Метою вивчення дисципліни «Програмне забезпечення інженерних розрахунків» є отримання навиків виконання реальних розрахунків будівельних конструкцій з використанням ефективних програм на ПК.

У процесі вивчення дисципліни студенти повинні вирішити наступні задачі:

- виробити навики по складанню початкових даних для розрахунку будівельних конструкцій, будівель або споруд на ПК;

- уміти складати раціональні розрахункові схеми конструкцій, будівель або споруд, які дозволять в прийнятний час рахунку вирішувати системи, що містять десятки, сотні і навіть тисячі вузлів і елементів;

- уміти використовувати всі можливості обчислювальної техніки для наближення розрахункової схеми до реальної конструкції, будівлі або споруди.

1.2 Методи розрахунку будівельних конструкцій

Мета розрахунку будівельних конструкцій – забезпечити задані умови експлуатації і необхідну міцність при мінімальній витраті матеріалів і мінімальних витратах праці на виготовлення і монтаж. Розрахунок будівельних конструкцій повинен також забезпечити надійність їх роботи в процесі експлуатації.

Статичний або динамічний розрахунок будівельних конструкцій полягає:

• у складанні розрахункових схем, які найближче відповідають дійсній роботі конструкцій;

• у визначенні зовнішніх навантажень і дій, які прикладаються на систему, що розраховується;

• у визначенні внутрішніх зусиль (згинаючих моментів, поперечних і подовжніх сил) в небезпечних перерізах проектованих елементів з урахуванням їх жорсткості і стійкості;

• у підборі перерізу (площі арматури, номера прокатного профілю) і конструюванні.

Цей розрахунок проводиться або за загальними правилами будівельної механіки, якщо передбачається пружна робота матеріалу в конструкції, або по методу граничної рівноваги з урахуванням перерозподілу зусиль унаслідок пластичних деформацій.

У нашій країні в різний час застосовувалися наступні методи розрахунку будівельних конструкцій [1]:

• по допускаємим напруженням;

• по руйнуючому навантаженню;

• по граничним станам.

Метод розрахунку по допускаємим напруженням заснований на припущенні про пружну роботу матеріалу конструкції під навантаженнями. Тобто напруження, що виникають в навантаженій конструкції, не повинні перевищувати значення, яке призначається меншим межі пружності, що допускається.

Важливе значення при розрахунку за даним методом має коефіцієнт запасу міцності.

Коефіцієнт запасу міцності вводиться з метою забезпечення надійного безпечного функціонування елементів конструкцій при можливих відхиленнях дійсних умов їх роботи від прийнятих в розрахунку. Чисельні значення його приймаються на основі обліку наявного досвіду експлуатації будівлі або споруди, і може складати від 2,0 до 15,0 одиниць.

Метод розрахунку по допускаємим напруженням простий, зручний, але ефективний тільки при рівномірному розподілі зусиль в стержнях системи або напруг в небезпечних перетинах конструкції. При сильній нерівномірності їх розподілу він приводить до значної перевитрати матеріалу.

При розрахунку залізобетонних конструкцій по методу допускаємих напружень одержані результати значно відрізнялися від досвідчених значень. Це пояснюється тим, що деформації бетону є упругопластичними. В результаті напруження в арматурі, обчислені по методу допускаємих напружень виходили більше фактичних. Це також приводило до значної перевитрати матеріалу.

Метод розрахунку по допускаємим напруженням в нашій країні застосовувався для розрахунку залізобетонних конструкцій до 1938 р., а для розрахунку металевих і дерев'яних конструкцій до 1955 р. В даний час метод розрахунку по допускаємим напруженням використовується при розрахунку деталей машин і механізмів в машинобудуванні.

У зв'язку з тим, що метод розрахунку по допускаємим напруженням не відображав дійсної роботи залізобетонних конструкцій, виникла необхідність створення нової теорії розрахунку залізобетонних конструкцій, яка б відображала їх дійсний напружений стан.

Була запропонована теорія розрахунку по руйнуючих зусиллях, яка грунтувалася на обширних експериментальних дослідженнях. Ця методика розрахунку, введена в норми в 1938 р., дозволила достатньо точно обчислювати фактичну несучу здатність перетинів, тобто руйнуюче зусилля.

Метод розрахунку по руйнуючому навантаженню заснований на допущенні в окремих елементах конструкцій роботи матеріалу за межею пружності. По розрахунковій схемі руйнування конструкції визначали руйнуюче навантаження, а потім, вводячи відповідні коефіцієнти, знаходили її безпечне, або значення, що допускається. Необхідною умовою розрахунку було те, що експлуатаційне навантаження не повинне перевищувати знайдене навантаження, що допускалось.

Для визначення допустимого навантаження вводився коефіцієнт запасу міцності для всієї системи, величина якого встановлювалась з досвіду експлуатації аналогічних споруд. Коефіцієнт запасу міцності був диференційований залежно від виду конструкції, характеру руйнування і комбінації зовнішніх навантажень в межах від 1,5 до 2,4.

При експлуатаційному навантаженні в самих небезпечних зонах конструкції напруження можуть бути близькими або навіть рівними межі текучості матеріалу. Це не позначається на умовах експлуатації, але дозволяє або понизити витрату матеріалу на виготовлення конструкції, або при тих же витратах матеріалу підвищити експлуатаційні навантаження.

Основним недоліком теорії розрахунку по руйнуючому навантаженню було те, що загальним коефіцієнтом запасу міцності не можна з достатньою точністю врахувати вплив великої кількості чинників на несучу здатність конструкції, а саме: відмінність міцністних характеристик бетону і арматури, відхилення фактичних навантажень від прийнятих в розрахунку, вплив особливостей матеріалу і конструкції.

Метод розрахунку по руйнуючому навантаженню застосовувався в нашій країні до 1955 р., поки не був введений метод розрахунку по граничних станах.

Метод розрахунку по граничних станах введений в норми в 1955 р. і застосовується до теперішнього часу. Від попереднього методу він відрізняється тим, що схема руйнування замінена припущенням про деякий розрахунковий граничний стан конструкції. Для визначення розрахункового навантаження замість одного коефіцієнта запасу міцності вводиться цілий ряд коефіцієнтів, що враховують особливості навантаження, умови експлуатації конструкції, властивості матеріалу, ступінь відповідальності будівлі і інші чинники.

Даний метод припускає забезпечити такі умови роботи конструкції, при яких би виключалася можливість настання розрахункового граничного стану, під яким розуміють втрату здатності чинити опір зовнішнім діям або відповідати заданим експлуатаційним вимогам. У зв'язку з цим розрізняють дві групи розрахункових граничних станів. До першої групи відносять втрату несучої здатності і (або) повна непридатність до експлуатації. До другої групи відносять утруднення нормальної експлуатації конструкції.

До граничних станів першої групи відносяться: загальна втрата стійкості форми; втрата стійкості положення; руйнування будь-якого характеру; перехід конструкції в змінну систему; якісна зміна конфігурації; стани, при яких виникає необхідність припинення експлуатації в результаті текучості матеріалу, зсувів в з'єднаннях, повзучості, неприпустимості залишкових або повних переміщень або надмірного розкриття тріщин.

До граничних станів другої групи відносяться стани, що утрудняють нормальну експлуатацію або знижують довговічність унаслідок появи неприпустимих переміщень (прогинів, осідань, кутів повороту, коливань, тріщин і т.п.).

Граничні стани першої групи перевіряються розрахунком на максимальні (розрахункові) навантаження і дії, можливі при порушенні нормальної експлуатації. А граничні стани другої групи перевіряються розрахунком на експлуатаційні (нормативні) навантаження і дії, що відповідають нормальній експлуатації конструкцій.

Розрахунок по першій групі є обов'язковим для всіх видів конструкцій. Розрахунок по другій групі граничних станів виконують тільки для тих конструкцій, надмірні деформації в яких, утворення або велике розкриття тріщин можуть привести до втрати ними експлуатаційних якостей ще до того, як буде вичерпана їх несуча здатність (наприклад, балки перекриття і плити покриттів, ригелі рам, кроквяні ферми, підкранові балки і т.п.).

Всі методи розрахунку будівельних конструкцій служили і служать одній меті – забезпечення міцності, надійності в експлуатації і довговічності конструкцій, проте відрізняються підходом до рішення поставленої задачі.